摘要： 介紹了出租車計費器系統(tǒng)的組成及工作原理，簡述了在EDA平臺上用單片CPLD器件構成該數(shù)字系統(tǒng)的設計思想和實現(xiàn)過程。論述了車型調整模塊、計程模塊、計費模塊、譯碼動態(tài)掃描模塊等的設計方法與技巧。
關鍵詞： CPLD／PPGA 硬件描述語言 出租車計費器 MAX+PLUS軟件 數(shù)字系統(tǒng)
隨著EDA技術的高速發(fā)展，電子系統(tǒng)的設計技術和工具發(fā)生了深刻的變化，大規(guī)模可編程邏輯器件CPLD／FPGA的出現(xiàn)，給設計人員帶來了諸多方便。利用它進行產品開發(fā)，不僅成本低、周期短、可靠性高，而且具有完全的知識產權。本文介紹了一個以Altera公司可編程邏輯芯片EPM7128SLC84-15為控制核心、附加一定外圍電路組成的出租車計費器系統(tǒng)。
1 系統(tǒng)組成
基于CPLD／FPGA的出租車計費器的組成如圖1所示。各部分主要功能如下：(1)A計數(shù)器對車輪傳感器送來的脈沖信號進行計數(shù)(每轉一圈送一個脈沖)。不同車型的車輪直徑可能不一樣，通過“設置1”對車型做出選擇，以實現(xiàn)對不同車輪直徑的車進行調整。(2)B計數(shù)器對百米脈沖進行累加，并輸出實際公里數(shù)的BCD碼給譯碼動態(tài)掃描模塊。每計滿500送出一個脈沖給C計數(shù)器。“設置2”實現(xiàn)起步公里數(shù)預制。(3)C計數(shù)器實現(xiàn)步長可變(即單價可調)的累加計數(shù)，每500米計費一次。“設置3”用來完成超價加費、起步價預制等。(4)譯碼／動態(tài)掃描將路程與費用的數(shù)值譯碼后用動態(tài)掃描的方式驅動數(shù)碼管。(5)數(shù)碼管顯示將公里數(shù)和計費金額均用四位LED數(shù)碼管顯示(三位整數(shù)，1位小數(shù))。
2 功能模塊設計
出租車計費器由車型調整模塊、計程模塊、計費模塊、譯碼動態(tài)及掃描等模塊組成，整個系統(tǒng)采用模塊化設計，首先用VHDL編寫功能模塊，然后用頂層原理圖將各功能模塊連接起來。
2．1 車型調整模塊
出租車車型并非單一，各個車型的輪胎直徑亦有所不同。據(jù)調查統(tǒng)計，現(xiàn)行出租車輪胎直徑大致有四種，直徑分別為520mm、540mm、560mm和580mm。若要使不同車型的出租車每行駛一百米均送出一個脈沖，可通過設置“可預制分頻器”的系數(shù)來完成。根據(jù)上述車輪直徑計算出的分頻系數(shù)分別為61、59、57和55。預制數(shù)據(jù)受兩個車型設置開關控制，DIP開關狀態(tài)與車輪直徑對應關系如表1所示(表中“1”為高電平，“0”為低電平)。
表1 車型設置
在參數(shù)預制中，使用With_Select語句(查表法)做分頻選擇：
with cartype select
typecounter<=“111101”when“00”， --520mm
“111011”when“01”， --540mm
“111001”when“10”， ——560mm
“111000”when“11”， --580mm
“000000”when others；
分頻器采用的是加法分頻電路，其占空比可通過datal(x)進行調整，并且分頻器帶有“開始”／“清零”端(高電平清零)。時序仿真波形如圖2所示。從圖中可以看出，對于設置開關為“10”的車型，當?shù)?7個脈沖到來時，該模塊oclk端從高變低，輸出一低電平信號。車型調整模塊(以下簡稱FP)封裝見圖4。
2．2 計程模塊
計程模塊是一個模為10、步長為1的加法計數(shù)器。該模塊可以預制參數(shù)，使其實際計數(shù)值大于預制數(shù)值后，每500米送出一個脈沖，并將計數(shù)值送譯碼動態(tài)掃描模塊進行顯示。預制參數(shù)采用非壓縮BCD碼，所以在計數(shù)器設計時必須將二進制1010至1111六個狀態(tài)跳過去。在VHDL程序中，用IF語句來實現(xiàn)。
if km(3 downto 0)＝“1001”then km：＝km+“0111”：
else km：＝kin+1；
end if；
計程模塊也帶有“開始”／“清零”端。參數(shù)預制同樣使用With_Select語句。“起步里程”和“開關設置”對應關系如表2所示。計程模塊(以下簡稱MILE)封裝見圖4。
表2 起步里程設置
2．3 計費模塊
計費模塊是一個模為10、步長可變的加法計數(shù)器。該模塊通過開關量預制步長，當超過一定預制參數(shù)時改變步長。計費模塊也采用非壓縮BCD碼，但因步長不為1，所以在做非壓縮BCD加法時必須調整，否則可能導致在超過或未超過預置參數(shù)時出現(xiàn)超程錯誤。這里采用模仿微機的AF標志位，在其設立一個半進位標志，當累加和大于9或半進位標志為“1”時，對累加和進行調整。
if datal(3 downto 0)>9 or datal(4)＝‘1'then
datal(3 downto 0)：＝datal(3 downto 0)＋“0110”；
datal(8 downto 5)：＝datal(8 downto 5)＋1；
end if；
其中，data(4)為半進位標志。“起步價格”和“超價加費”設置參數(shù)分別如表3和表4所示。計費模塊(以下簡稱MONEY)封裝見圖4。
表3 起步價格設置
表4 超價加費設置
2．4 顯示模塊
顯示模塊由七段LED數(shù)碼管譯碼和動態(tài)掃描顯示兩部分組成。
2．4．1 七段LED數(shù)碼管譯碼
本次設計采用的是共陰極七段數(shù)碼管，根據(jù)16進制數(shù)和七段顯示段碼表的對應關系，用VHDL的With_Select或When_Else語句可方便實現(xiàn)它們的譯碼。
2．4．2 動態(tài)掃描顯示
動態(tài)掃描是利用人眼的視覺暫留原理，只要掃描頻率不小于24Hz，人眼就感覺不到顯示器的閃爍。本系統(tǒng)24Hz的掃描脈沖由相應的外圍電路提供。動態(tài)掃描電路設計的關鍵在于位選信號要與顯示的數(shù)據(jù)在時序上一一對應，因此電路中必須提供同步脈沖信號。這里采用八進制計數(shù)器提供同步脈沖，VHDL程序段如下：
cIkl_label：PROCESS(scp)
BEGIN
IF scp'vent and scp=‘1'THEN count<=count+1；
END IF；
END PROCESS clkl_label；
顯示數(shù)據(jù)的選擇由計數(shù)器控制，VHDL程序段如下：
temp<=counterl when count=“000”else．．．
counter4 when count=“011”else
milel when count=“100”else．．．
mile4 when count=“111”；
位選信號時序仿真如圖3所示。從時序仿真圖和上述程序可以看出，位選信號和要顯示的數(shù)據(jù)實現(xiàn)了同步。
動態(tài)掃描電路中小數(shù)點的顯示無法在譯碼電路中完成。由于小數(shù)點的位置是固定的，因此可由計數(shù)器提供的同步信號產生另一信號控制DP。VHDL程序實現(xiàn)如下：
if (count：“101”or count=“001”)then data(0)<＝‘1'；
else data(0)<＝‘0'；
end if；
顯示模塊(以下簡稱SHOW)封裝見圖4。此模塊中應用了兩個過程，在過程內程序順序執(zhí)行，其中第一個過程觸發(fā)第二個過程。
3 系統(tǒng)綜合
3．1 模塊聯(lián)調
各個功能子模塊設計完成后，利用MAXPLUSⅡ的圖形編輯器(Graphic Editor)將各功能子模塊(．sym)進行連接。由于MILE模塊中存在毛刺，故不能直接與后級相連，通過對輸出脈沖信號加門電路延時，再與原始信號相“與”的方法即可消除毛刺。系統(tǒng)頂層原理圖如圖4所示。
芯片管腳定義可以直接用編輯．pin文件或在Floor—Plan Editor下進行。完成管腳定義后選擇器件(EPM7128SIC84—15)，編譯后生成．sof、．pof及報告文件．rpt。查看報告文件可得到器件管腳的利用情況及器件內部資源的使用情況。通過更換適當?shù)钠骷蛊滟Y源配置達到最優(yōu)。選擇器件的一般原則是系統(tǒng)所使用的資源不要超過器件資源的80％，若超過90％，系統(tǒng)功耗將增大，工作不穩(wěn)定。從本次設計器件部分報告中得知：輸入、輸出管腳各用16只，芯片資源利用率僅為51％，具有較大的擴展空間。
3．2 硬件設計說明
本次設計的出租車計費器計數(shù)脈沖CP來自車輪轉速傳感器(干簧管)，脈沖經(jīng)器件內部整形后送計數(shù)器；動態(tài)掃描脈沖由外圍電路給出；系統(tǒng)使用整流、濾波、降壓后的出租車電源供電；由于CPLD／FPGA的驅動能力有限，為了增強數(shù)碼管的亮度，提高系統(tǒng)的可靠性，設計中在LED驅動和位驅動上分別增加了電流驅動器件ULN2803和2SCl015。
現(xiàn)場實驗表明：該計費器實現(xiàn)了按預制參數(shù)自動計費(最大計費金額為999．9元)、自動計程(最大計程公里數(shù)為999．9公里)等功能；能夠實現(xiàn)起步價、每公里收費、車型及加費里程的參數(shù)預制(如：起步價5．00元；3公里后，1．20元／公里；計費超過15．00元，每公里加收50％的車費等)，且預置參數(shù)可調范圍大。由于采用了CPLD／FPGA大規(guī)模可編程邏輯器件，整機功耗小、抗干擾能力強、系統(tǒng)穩(wěn)定、工作可靠、升級方便。另外，根據(jù)實際需要，系統(tǒng)可方便地增加以下功能：①通過芯片內部編程增加時鐘功能(器件內部資源足夠)，既可為司機和乘客提供方便，又能為夜間行車自動調整收費標準提供參考；②用CPLD／FPGA的輸出引線控制語音芯片，可向乘客發(fā)出問候語、提醒乘客告訴司機所要到達的地點、報出應收繳的費用等