摘要：出租車計(jì)費(fèi)器一般采用以單片機(jī)為核心的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)不夠靈活方便。為此，在此介紹了采用EDA技術(shù)的層次化設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)出租車計(jì)費(fèi)器的方法。即用VHDL編寫各個(gè)功能模塊，實(shí)現(xiàn)低層設(shè)計(jì)；用原理圖輸入方式描述各模塊間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)頂層設(shè)計(jì)。采用FPGA可編程邏輯器件為系統(tǒng)控制單元，無需添加外圍電路，更新功能僅需修改軟件。實(shí)驗(yàn)表明，該設(shè)計(jì)方法簡單快捷，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性能可靠。應(yīng)用該方法設(shè)計(jì)的數(shù)字電子系統(tǒng)具有很強(qiáng)的靈活性。
關(guān)鍵詞：EDA；VHDL；層次化；出租車計(jì)費(fèi)器
0 引言
EDA使用戶在無需實(shí)際芯片、電路板和儀器儀表的情況下進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和分析；采用在系統(tǒng)編程技術(shù)，在現(xiàn)場對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行邏輯重構(gòu)和升級(jí)，實(shí)現(xiàn)硬件設(shè)計(jì)軟件化。
EDA技術(shù)以可編程邏輯器件FPGA和CPLD及其開發(fā)系統(tǒng)為硬件平臺(tái)，以EDA開發(fā)軟件如Max+PlusⅡ?yàn)殚_發(fā)工具，基于邏輯功能模塊的層次化設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)數(shù)字系統(tǒng)。Max+PlusⅡ設(shè)計(jì)可采用原理圖、硬件描述語言(VHDL)等多種輸入方式，并支持這些文件的任意混合設(shè)計(jì)。對(duì)于不同層次，可采用不同的輸入方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于VHDL擅長描述模塊的邏輯功能，所以在對(duì)底層模塊設(shè)計(jì)中，常采用VHDL進(jìn)行描述，而原理圖則擅長描述模塊間的連接關(guān)系，故在頂層設(shè)計(jì)中，常采用原理圖輸入方法。出租車計(jì)費(fèi)器通常以單片機(jī)為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)，本文以為它例介紹基于EDA技術(shù)的數(shù)字系統(tǒng)混合設(shè)計(jì)方法。
1 出租車計(jì)費(fèi)器功能
出租車計(jì)費(fèi)器的功能要求：
(1)實(shí)現(xiàn)出租車按行駛里程收費(fèi)，起步費(fèi)為7．0元；
(2)行駛3 km后再按2元／km計(jì)費(fèi)，車停時(shí)不計(jì)費(fèi)；
(3)能預(yù)置起步費(fèi)和每公里收費(fèi)，并能模擬汽車啟動(dòng)、停止、車速等狀態(tài)。
根據(jù)VHDL特點(diǎn)，設(shè)計(jì)者不再需要考慮選擇固定功能的標(biāo)準(zhǔn)芯片，而是從實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能與性能出發(fā)來，建立出租車計(jì)費(fèi)器系統(tǒng)模塊，如圖1所示。
2 出租車計(jì)費(fèi)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
本系統(tǒng)分底層和頂層2個(gè)層次設(shè)計(jì)，底層設(shè)計(jì)采用VHDL編寫各個(gè)功能模塊，頂層設(shè)計(jì)采用原理圖方式描述各模塊間的連接。
2．1 底層文件的設(shè)計(jì)
底層模塊包括：出租車車速控制模塊；計(jì)費(fèi)器里程計(jì)數(shù)模塊；計(jì)費(fèi)器計(jì)費(fèi)計(jì)數(shù)模塊3個(gè)模塊。
以出租車車速控制模塊為例介紹。
出租車車速控制模塊用于控制出租車的車速。圖1中，當(dāng)起／停開關(guān)及清零信號(hào)RESET都為“1”時(shí)，汽車啟動(dòng)就開始進(jìn)入里程計(jì)數(shù)和計(jì)費(fèi)器工作狀態(tài)。通過改變“車速選擇”端的輸入值可以控制汽車行駛快慢。用CLK6作為車速控制模塊的時(shí)鐘輸入，CLOCK6作為輸出，用A、B作為車速選擇變量，分別取值從“00”→“01”→“10”→“11”時(shí)，車速越來越塊。其VHDL程序代碼如下：
以上程序代碼經(jīng)過編譯后生成相應(yīng)模塊符號(hào)，如圖2所示，供頂層設(shè)計(jì)時(shí)調(diào)用。
程序經(jīng)過時(shí)序仿真后的波形，如圖3所示。
2．2 頂層原理圖設(shè)計(jì)
頂層設(shè)計(jì)采用原理圖輸入方式。通過調(diào)用生成的各模塊符號(hào)，并將它們作適當(dāng)連接以實(shí)現(xiàn)頂層文件的設(shè)計(jì)。出租車計(jì)費(fèi)器的頂層設(shè)計(jì)電路，如圖4所示。
圖4中，ko1，ko2為車速控制開關(guān)；clk為時(shí)鐘信號(hào)；reset為復(fù)位信號(hào)；up_down為起／停控制信號(hào)；count為預(yù)置每公里收費(fèi)的信號(hào)；load為預(yù)置使能信號(hào)；dd為預(yù)置起步費(fèi)信號(hào)；out5，out4為記錄里程的整數(shù)位；out6為記錄里程的小數(shù)位；outl，out2為記錄費(fèi)用的整數(shù)位；out3為記錄費(fèi)用的小數(shù)位。
2．3 頂層文件仿真與下載
頂層原理圖經(jīng)過編譯后生成頂層文件，對(duì)頂層文件進(jìn)行仿真，結(jié)果正確后，利用Altera公司的FPGA芯片EPF10K3LC84—3及其SE-5M型開發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行下載。下載結(jié)果顯示，所設(shè)計(jì)的出租車計(jì)費(fèi)器完全符合設(shè)計(jì)要求。
3 結(jié)語
由上述設(shè)計(jì)實(shí)例可見，采用EDA技術(shù)設(shè)計(jì)數(shù)字系統(tǒng)則是一種基于邏輯功能模塊的“自上而下”層次化設(shè)計(jì)方法。即從整個(gè)系統(tǒng)功能與性能優(yōu)化出發(fā)，將系統(tǒng)分解為各功能模塊，由VHDL描述模塊的邏輯功能，生成滿足相應(yīng)邏輯功能的新器件，實(shí)現(xiàn)底層設(shè)計(jì)；再采用原理圖輸入方式，將生成的新器件連成系統(tǒng)圖，實(shí)現(xiàn)頂層設(shè)計(jì)。另外，由于新器件內(nèi)部電路是用程序構(gòu)建的，硬件的邏輯關(guān)系由語言來描述，所以只要修改語句則可修改硬件的邏輯關(guān)系。由此可見這種設(shè)計(jì)方法，可大大提高工作效率，設(shè)計(jì)更加靈活、快捷，可減少器件的數(shù)量，避免復(fù)雜的接線，縮小系統(tǒng)的體積，降低消耗，提高系統(tǒng)的可靠性、繼承性、移植性。