VHDL語言與EDA課程設(shè)計3

VHDL語言與EDA課程設(shè)計VHDL語言與EDA課程設(shè)計/VHDL語言與EDA課程設(shè)計湖南人文科技學院課程設(shè)計報告課程名稱：VHDL語言與EDA課程設(shè)計設(shè)計題目：出租車自動計價器設(shè)計系別：專業(yè)：班級：學生姓名:學號:起止日期:2011年6月13日～2011年6月26日指導(dǎo)教師:教研室主任:指導(dǎo)教師評語：指導(dǎo)教師簽名：年月日成績評定項目權(quán)重成績1、設(shè)計過程中出勤、學習態(tài)度等方面0.22、課程設(shè)計質(zhì)量與答辯0.53、設(shè)計報告書寫與圖紙規(guī)范程度0.3總成績教研室審核意見：教研室主任簽字：年月日教學系審核意見：主任簽字：年月日 摘要隨著我國社會經(jīng)濟的全面發(fā)展，各大中小城市的出租車營運事業(yè)發(fā)展迅速，出租車已經(jīng)成為人們?nèi)粘３鲂羞x擇較為普遍的交通工具。出租車計價器是出租車營運收費的專用智能化儀表，是出租車市場規(guī)范化、標準化以與減少司機與乘客之間發(fā)生糾紛的重要設(shè)備。一種功能完備、簡單易用、計量準確的出租車計價器是加強出租車行業(yè)管理、提高服務(wù)質(zhì)量的必備品。根據(jù)預(yù)定的設(shè)計要求和設(shè)計思路，我們使用VHDL硬件描述語言設(shè)計了一個實際的基于AlteraFPGA芯片的出租車自動計價器系統(tǒng)，介紹了該系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)和程序設(shè)計。通過在QuartusII6.0軟件中編譯和下載測試，得到了仿真波形和關(guān)鍵的設(shè)計結(jié)果。經(jīng)過在實驗箱上進行硬件測試，證明該出租車計價系統(tǒng)具有實用出租車計價器的基本功能，如能進一步完善，將可以實用化和市場化。關(guān)鍵詞：出租車自動計價器；VHDL；FPGA；QuartusII6.0目錄設(shè)計要求 11、方案論證與對比 11.1方案一 11.2方案二 21.3兩種方案的對比 22、實驗步驟和設(shè)計過程 22.1計程模塊 22.2等待計時模塊 22.3計費模塊 33、調(diào)試與操作說明 33.1QuartusII中的VHDL程序 33.2程序的編譯與與仿真波形 63.3程序的下載與功能的測試 74、課程設(shè)計心得體會 95、元器件與儀器設(shè)備明細 106、參考文獻 117、致謝 12出租車自動計價器設(shè)計設(shè)計要求設(shè)計一個出租車自動計費器，具有行車里程計費、等候時間計費、與起價三部分，用四位數(shù)碼管顯示總金額，最大值為99.99元，行車里程單價1元/公里，等候時間單價0.5元/10分鐘，起價3元（3公里起價）。設(shè)計的主要技術(shù)指標如下：1) 計價范圍：0～99.99元計價分辨率：0.01元2) 計程范圍：0～99公里計程分辨率：1公里3) 計時范圍：0～59分計時分辨率：1分1、方案論證與對比根據(jù)本課程設(shè)計要求，需要對出租車當行駛公里數(shù)和等待時間兩種情況對應(yīng)進行計數(shù)計費，同時要求顯示出對應(yīng)行駛公里數(shù)、等待時間和出租車費用，我們想到了以下兩種方案。1.1方案一用分頻器將外部時鐘分為三路頻率的信號，用來計時和計程，同時也供整個系統(tǒng)工作，通過設(shè)置使能信號，使系統(tǒng)自動對等待時間計時和對行駛公里數(shù)的計數(shù)，最后將所得結(jié)果分別在數(shù)碼管上顯示出來。數(shù)碼管顯示等待時間脈沖公里脈沖數(shù)碼管顯示等待時間脈沖公里脈沖計費/復(fù)位FPGA控制器計程計時計費圖1方案一設(shè)計結(jié)構(gòu)圖1.2方案二各部分主要功能包括：信號輸入模塊對車輪傳感器傳送的脈沖信號進行計數(shù)，并以高低脈沖模擬出租汽車啟動、停止按鈕，具有輸入信號作用；數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊將計費模塊輸出的車費和路程轉(zhuǎn)換成十進制數(shù)據(jù)；譯碼／動態(tài)掃描模塊將路程與費用的數(shù)值譯碼后用動態(tài)掃描的方式驅(qū)動數(shù)碼管[5]；數(shù)碼管顯示模塊將公里數(shù)和計費金額顯示出來。信號輸入模塊信號輸入模塊片選信號產(chǎn)生模塊數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊數(shù)碼管控制模塊動態(tài)掃描/譯碼/數(shù)碼管顯示模塊圖2方案二設(shè)計結(jié)構(gòu)圖1.3兩種方案的對比經(jīng)分析，兩種方案都要通過模塊組合來實現(xiàn)出租車計價器的功能。方案一模塊數(shù)量比方案二多一些，但思路簡單，各模塊程序也相對簡單，因此較容易實現(xiàn)，適合我們初學EDA的編程設(shè)計。方案二模塊較少，但單個模塊功能要求較高，程序復(fù)雜。所以，我們選擇方案一。2、實驗步驟和設(shè)計過程2.1計程模塊計程模塊：根據(jù)提供的里程脈沖信號fin，計算乘客上車后出租車所行駛的里程數(shù)。fin每來一個上升沿，計程模塊實現(xiàn)一次計數(shù)，里程數(shù)就加1。當行駛里程大于3Km時，本模塊中en0信號變?yōu)?；進行行駛公里都計費。2.2等待計時模塊等待計時模塊：根據(jù)分頻得到的時鐘信號f_1，計算乘客的等待累計時間。計時器的量程為59min，滿量程歸零。等待時間大于3min時，本模塊中en1信號變?yōu)?；f_1每來一個上升沿，計量模塊實現(xiàn)一次計數(shù)，等待時間加1。2.3計費模塊計費模塊：實現(xiàn)計價、計時和計程的數(shù)據(jù)計費。計量模塊實現(xiàn)對于出租車在行駛和等待過程中的里程數(shù)和計時功能：計費時鐘每來一個上升沿，計量模塊實現(xiàn)一次計數(shù)，里程數(shù)或者等待時間加1。當行駛里程大于3Km時，本模塊中en0信號變?yōu)?；進行的是行駛公里數(shù)大于3公里以每公里1.6元計費的操作；當?shù)却龝r間大于2min時，本模塊中en1信號變?yōu)?，進行的是等待時間大于2分鐘以每分鐘1.6元計費的操作；最后用cha3，cha2，cha1，cha0來組成的4位數(shù)顯示總費用，最大顯示為999.9元。3、調(diào)試與操作說明3.1QuartusII中的VHDL程序根據(jù)設(shè)計要求我們寫出了VHDL程序：libraryieee;

useieee.std_logic_1164.all;

useieee.std_logic_arith.all;

useieee.std_logic_unsigned.all;

entitytaxiis

--定義實體[3]

port(clk_256

:instd_logic;

--頻率為256Hz的時鐘

start:instd_logic;

--計價使能信號

stop:instd_logic;

--等待信號

fin:instd_logic;

--公里脈沖信號

cha3,cha2,cha1,cha0:outstd_logic_vector(3downto0);--費用數(shù)據(jù)

km1,km0:outstd_logic_vector(3downto0);

--公里數(shù)據(jù)

min1,min0:outstd_logic_vector(3downto0));

--等待時間

endtaxi;

architecturebehavoftaxiis

signalf_16,f16,f_1:std_logic;

signalq_16:integerrange0to15;

--分頻器

signalq16:integerrange0to15;

--分頻器

signalq_1:integerrange0to255;

--分頻器

signalw:integerrange0to59;

--秒計數(shù)器

signalc3,c2,c1,c0:std_logic_vector(3downto0);

--制費用計數(shù)器

signalk1,k0:std_logic_vector(3downto0);

--公里計數(shù)器

signalm1:std_logic_vector(2downto0);

--分的十位計數(shù)器

signalm0:std_logic_vector(3downto0);

--分的個位計數(shù)器

signalen1,en0,f:std_logic;

--使能信號

beginfenpin:process(clk_256,start)--分頻器模塊begin

ifclk_256'eventandclk_256='1'then

ifstart='0'thenq_16<=0;q16<=0;f_16<='0';f16<='0';f_1<='0';f<='0';

else

ifq_16=15thenq_16<=0;f_16<='1';

--此if語句得到頻率為16Hz的信號

elseq_16<=q_16+1;f_16<='0';

endif;

ifq16=15thenq16<=0;f16<='1';

--此if語句得到另一個頻率為16Hz的信號

elseq16<=q16+1;f16<='0';

endif;

ifq_1=255thenq_1<=0;f_1<='1';

--此if語句得到頻率為1Hz的信號

elseq_1<=q_1+1;f_1<='0';

endif;

ifen1='1'thenf<=f_16;

--此if語句得到計費脈沖f

elsifen0='1'thenf<=f16;

elsef<='0';

endif;

endif;

endif;

endprocess;process(f_1)--等待計時模塊

begin

iff_1'eventandf_1='1'then

ifstart='0'then

w<=0;en1<='0';en0<='0';m1<="000";m0<="0000";k1<="0000";k0<="0000";

elsifstop='1'then--等待計時模塊

ifw=59thenw<=0;

--此if語句完成等待計時

ifm0="1001"thenm0<="0000";

--此if語句完成分計數(shù)

ifm1<="101"thenm1<="000";

elsem1<=m1+1;

endif;

elsem0<=m0+1;

endif;

ifm1&m0>"0000001"thenen1<='1';

--此if語句得到en1使能信號

elseen1<='0';

endif;

elsew<=w+1;en1<='0';

endif;

elsiffin='1'then--計程模塊

ifk0="1001"thenk0<="0000";

--此if語句完成公里脈沖計數(shù)

ifk1="1001"thenk1<="0000";

elsek1<=k1+1;

endif;

elsek0<=k0+1;

endif;

ifk1&k0>"00000010"thenen0<='1';

--此if語句得到en0使能信號

elseen0<='0';

endif;

elseen1<='0';en0<='0';

endif;

cha3<=c3;cha2<=c2;cha1<=c1;cha0<=c0;

--費用數(shù)據(jù)輸出

km1<=k1;km0<=k0;min1<='0'&m1;min0<=m0;

--公里數(shù)據(jù)、分鐘數(shù)據(jù)輸出

endif;

endprocess;process(f,start)--計費模塊[2]

begin

ifstart='0'thenc3<="0000";c2<="0001";c1<="0000";c0<="0000";

elsiff'eventandf='1'then

ifc0="1001"thenc0<="0000";

--此if語句完成對費用的計數(shù)

ifc1="1001"thenc1<="0000";

ifc2="1001"thenc2<="0000";

ifc3<="1001"thenc3<="0000";

elsec3<=c3+1;

endif;

elsec2<=c2+1;

endif;

elsec1<=c1+1;

endif;

elsec0<=c0+1;

endif;

endif;

endprocess;

endbehav;3.2程序的編譯與與仿真波形在QuartusII新建項目，將設(shè)計的程序輸入并以實體名為文件名保存[4]，然后以保存后的文件taxi.vhd為頂層文件建立工程，編譯通過后新建波形文件，設(shè)置好輸入?yún)?shù)后進行仿真，我們得到的仿真波形如圖3：圖3出租車計價器程序的仿真波形從仿真波形中我們看出，當出租車行駛公里數(shù)（Km1，Km0組成的兩位數(shù)）為16即出租車行駛了16公里，等待時間（min1,min0組成的兩位數(shù)）為03，即等待3分鐘時，對應(yīng)的出租車計費顯示是1650即16.5元。而理論計算如下：出租車總計費=起步費+(行駛公里數(shù)-3)×1.0+(等待時間-2)×0.5=3+(16-3)×1.0+(3-2)×0.5=16.50，可以看出仿真的結(jié)果與理論值一致。3.3程序的下載與功能的測試編譯通過后，進行引腳鎖定，鎖定方法如圖4：圖4引腳鎖定圖鎖定好引腳后，將編譯產(chǎn)生的SOF格式配置文件配置進FPGA[1]，具體操作如下：先將實驗箱下載線連接好，接好電源打開實驗箱電源開關(guān)，再選擇實驗箱工作模式0，將實驗箱下載允許開關(guān)打開，最后在QuartusII菜單依次點擊Tools——programer，配置好硬件后點擊startprogramer。這時就可以進行功能測試了。根據(jù)引腳鎖定可知實驗箱上鍵6為等待計時控制鍵，鍵7為計費/復(fù)位控制鍵，鍵8為公里脈沖輸入控制鍵。下載后，按下鍵7，就開始模擬出租車自動計費過程。數(shù)碼管計費顯示為“0100”，即10元起步費，其他數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)都為零。然后模擬出租車處于等待時的計費情況，按下鍵6進入等待計時，發(fā)現(xiàn)顯示計時的數(shù)碼管每等待1分鐘就累加“01”，當?shù)却嫊r對應(yīng)數(shù)碼管顯示大于02時我們發(fā)現(xiàn)顯示計費的數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)每分鐘增加“0050”，符合設(shè)計要求。最后模擬出租車行駛公里的計費，按下鍵8，發(fā)現(xiàn)顯示公里數(shù)的數(shù)碼管數(shù)值按規(guī)律增加，每增加1公里的同時，顯示計費的數(shù)碼管也對應(yīng)增加“0100”，符合實驗要求。因此，經(jīng)過硬件電路個參數(shù)測試可知，本次設(shè)計的出租車自動計價器完全符合設(shè)計要求，達到了預(yù)期的目的。4、課程設(shè)計心得體會通過課程設(shè)計，我們深有體會：一、我們溫故而知新。課程設(shè)計發(fā)端之始，思緒全無，舉步維艱，對于理論知識學習不夠扎實的我們深感“書到用時方恨少”有時間就會拿教材與實驗手冊，對知識系統(tǒng)而全面進行了梳理，遇到難處先是苦思冥想再向同學請教，終于熟練掌握了基本理論知識，而且領(lǐng)悟諸多平時學習難以理解掌握的較難知識，學會了如何思考的思維方式，找到了設(shè)計的靈感。二、我們意識到實踐出真知，從開始設(shè)計到課程設(shè)計基本告成，才切身領(lǐng)悟“實踐是檢驗真理的唯一標準”，才明曉實踐出真知。因為在教材上，計數(shù)器什么應(yīng)用的少，而且例子淺顯，與實際仿真和測試要求有所不同。三、我們要創(chuàng)新求發(fā)展.我們要從小處著手，順應(yīng)時代發(fā)展潮流，在課程設(shè)計中不忘在小處創(chuàng)新，未必是創(chuàng)新技術(shù)，但凡創(chuàng)新思維亦可，未必成功，只要實現(xiàn)創(chuàng)新思維培育和鍛煉即可。四、我們覺得過而能改，善莫大焉。至善至美，是人類永恒的追求。但是，我們不曾忘卻“金無足赤，人無完人”，換種思維方式，去惡亦是至善，改錯