通信工程畢業設計-基于fpga的出租車計費系統的設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 方案論證 最近幾年出租車行業發展迅速，在全國有幾千家出租車公司，出租車計費器的市場非常龐大。目前市場上使用的出租車計費器主要采用的都是利用 MCU 如 89C51 單片機實現的計費器設計，顯示方式上主要采用的是固定顯示內容的 LED顯示。如圖 所示。 圖 傳統 LED顯示的計費器 傳統的出租車計費器由于發展使用了十幾年，在穩定性、成本、以及使用習慣上都具有一些優 勢，但是隨著出租車價格市場化，我國加入 WTO 以來主導出租車行業成本的許多因素主要包括油價的波動，都對傳統的出租車計費器提出了更高的要求。近一年來，各大城市都在對出租車價格進行調整，由于數量太多，很多城市的調價甚至需要一個月的時間才能完成，經常會同一時間出現幾個價格，有的城市的出租車上還會出現司機人工計價的尷尬情形。這些都暴露了傳統計費器在靈活性和升級換代能力的天生不足 [8]。 傳統計費器的不足可以體現在以下幾點： （ 1）產品更新周期長 （ 2）計價方式的不靈活 （ 3）顯示方式的不靈活 考慮到目前出租車行業 迅猛發展的趨勢以及對計費器更高的靈活性要求，本設計希望嘗試一些新的方法來予以解決。 （ 1）利用 FPGA 取代 MCU （ 2）利用 LCD 取代 LED （ 3）增加計價標準設定功能 長沙學院畢業設計 (論文 ) 7 設計原理 出租車計費方式 由于各地出租車計價情況的不同，本設計主要依據上海市出租車計價情況作為參考依據。先來了解一下某市出租車是如何計費的： 表 某市計費標準 起步 11元（ 3km） /km(超過 3km) /km(超過 10km加收 50%) 從上面 表中可以看出，目前出租車行業由于調價、路橋、夏季電調、燃油費波動等諸多因素要求出租車計費器在價格調節方面做到靈活可靠，易于操作等特點。 總體框架設計 系統流程介紹：系統主要由電動機驅動模塊、 LCD 顯示模塊、計費標準設定模塊、 自動計費模塊、統計模塊等組成。 首先由電動機驅動模塊控制步進電機運轉來模擬出租車車輪，速度值通過車速比較 器判斷是否低于 12km/h,如低于 12 km/h 則進入計時狀態（依照預設值每 5 分鐘計為1km），如果高于 180km/h 則發出車速過高的聲光報警，車速在 12 到 180km/h 之間的則進入計程狀態，根據車輪的大小不同每 km 計的次數也不同，計程和計時通過選通模塊自動選擇輸出到自動計費模塊，計程和計時同一時刻只會有一個處于運行狀態。自動計費模塊會按照不同的計費標準自動調節計費。計費標準設定模塊將設定好的數值分別送到自動計費模塊、計時模塊和計程模塊。按下計費啟動鍵后利用電容的瞬間充電過程來清零上一次的計費數值，此后開始自動計費，按下計費停止鍵后計費終止，統計模塊自動執行保存記錄。 LCD 顯示模塊包括 LCD 驅動部分、 LCD 選通部分、 LCD 譯碼部分、二進制轉 BCD 碼部分，最終界面上會顯示時鐘、車速、等待時間、行駛路程、橋路費或電調費、總費用、開始計費和停止、參數設定菜單以及營運額統計等。 下面是基于 FPGA 的出租車計費器的系統設計框圖和系統模塊框圖： 長沙學院畢業設計 (論文 ) 8 圖 出租車計費系統設計框圖 電 動 機 控制 模 塊車 輪 大小 設 定模 塊車 速 比 較器 模 塊計 程計 時顯 示 輸出 模 塊計 時 計 程選 通 模 塊計 費 標 準設 定 模 塊計費總額統 計車 速計 程計 時顯 示顯 示 圖 出租車計費系統模塊框圖 各個模塊 設計 LCD 顯示設計 LCD 的模塊框圖如 下圖 所示。 長沙學院畢業設計 (論文 ) 9 譯 碼 顯示包 括B C D 碼轉 換L C D 驅動 模 塊L C D 顯示 圖 LCD模塊框圖 字符型液晶介紹 本設計采用 20 列 x4 行的字符型液晶，能同時顯示 80 個字符。 LCM 由字符型液晶顯示屏（ LCD）、控制驅動電路 HD44780 及其擴展驅動電路 HD44100 等組成，具有若干個 5x7 或 5x10 點陣組成的字符集，可顯示 192 種字符，還具有 64 個字節的自定義字符 RAM。 HD44780 是字符型 LCM 的控制器，分為控制部分和驅動部分。控制部分產生內部工作時鐘，控制著各個功能電路的工作，管理著字符發生器 CGRAM 和 CGROM，顯示存儲器 DDRAM。其中 CGROM 為已固化好的字符庫， CGRAM 為可隨時定義的字符庫，根據用戶的不同的定義可調出所需要的字符。 MDLS 系列字符型 LCM 電路框圖如圖 所示。 圖 MDLS系列字符型 LCM電路框圖 此液晶模塊有 16個引腳，各引腳功能說明如表 所示： 表 MDLS 系列字符型液晶引腳說明 引腳號 符號 狀態 功能 1 Vss 電源地 長沙學院畢業設計 (論文 ) 10 2 Vdd +5V邏輯電源 3 V0 液晶驅動電源 4 RS 輸入 寄存器選擇 1：數據； 0：指令 5 R/W 輸入 讀、寫操作選擇 1：讀； 0：寫 6 E 輸入 使能信號 7 DB0 三態 數據總線（ LSB） 8 DB1 三態 數據總線 9 DB2 三態 數據總線 10 DB3 三態 數據總線 11 DB4 三態 數據總線 12 DB5 三態 數據總線 13 DB6 三態 數據總線 14 DB7 三態 數據總線（ MSB） 15 A 背光燈 +5 16 K 背光燈 GND 指令集控制 HD44780 共有 11 條控制指令，我們只要對其中的 6 條指令進行控制就可以成功的顯示字符。這 6條控制指令為： （ 1）功能設置 表 功能設置 功能：工作方式設置（初始化指令）。 其中： DL=1， 8 位數據接口； DL=0， 4 位數據接口； N=1， 兩行顯示； N=0， 一行顯示； F=1， 5 10 點陣字符； F=0, 5 7 點陣字符。 （ 2）清屏 表 清屏 RS R/W DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 0 0 0 0 1 DL N F * * RS R/W DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 長沙學院畢業設計 (論文 ) 11 功能：清 DDRAM 和 AC 值。 （ 3）顯示開關控制 表 顯示開關控制 功能：設置顯示、光標及閃爍開、關。 其中： D 表示顯示開關： D=1 為開， D=0 為關； C 表示光標開關： C=1 為開， C=0 為關； B 表示閃爍開關： B=1 為開， B=0 為 關。 （ 4）輸入方式設置 表 輸入方式設置 功能：設置光標、畫面移動方式。 其中： 1/D =1；數據讀、寫操作后， AC 自動增一； 1/D =0；數據讀、寫操作后， AC 自動減一； S =1；數據讀、寫操作后，畫面平移； S =1；數據讀、寫操作后 ，畫面不動。 （ 5） DDRAM 地址設置 表 DDRAM 地址設置 功能：設置 DDRAM 地址。 N=0，一行顯示 A6~A0=0~4FH。 N=1，兩行顯示，首行 A6~A0=00H~2FH,次行 A6~A0=40H~67H。 （ 6）寫數據 表 寫 數據 RS R/W DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 0 0 0 0 0 0 1 D C B RS R/W DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 0 0 0 0 0 0 0 1 1/D S RS R/W DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 0 0 1 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 RS R/W DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 1 0 數 據 長沙學院畢業設計 (論文 ) 12 功能：根據最近設置的地址性質，數據寫人 DDRAM 或 CGRAM 內。 電機驅動模塊設計 為了演示更為直觀，可以用步進電機來模擬出租車的車輪運動，其硬件部分主要由步進電機驅動器和步進電機組成，如圖 所示。 圖 步進電 機驅動器和步進電機 驅動器型號為 BY2HB02M，驅動兩相步進電機，輸入端依次為 CP（信號脈沖）、 U/D（正反轉）、 DIV（每脈沖所轉角度調節，高電平為 9 度，低電平為 度）、 SGND（信號地）、 VH（電機驅動電源，現使用 +12V）、 GND（電機驅動電源地）。 360 度 / 9 度 = 400 ，即每 400 個脈沖步進電機轉一圈。現在設車輪周長為 1米，則只要給驅動器一個 的頻率，于是得出 =，約為 200km/h。現在將 分成每 200 個方波為 1份，然后對其調頻，比如說 30km/h 則讓 200 個方波當中的 30 個方波通過，其余都為高電平，采用這種方法就可以輕松實現調頻，控制電動機的轉速。下面是 VHDL 編寫的模塊框圖，如圖 所示。 圖 電動機調速模塊 長沙學院畢業設計 (論文 ) 13 由于此步進電機在 12V供電時最高只能識別 的方波，無法等同實際汽車的車輪轉速，所以給電機一個基準頻率 ，這樣步進電機轉速為實際車輪轉速的1/10，用來模擬出租車車輪。速度還是按 照原來的 200 等分，即從 0km/h 到 200km/h 進行調速，每次步進 1km/h。上面 up 和 down 用來增加和減少速度，輸出兩個，一個給電動機驅動器，另一個給計程模塊。 主要功能模塊設計 車速比較模塊 車速比較模塊如下圖所示。其中 p 為速度值輸入端，其值大于 180km/h 時汽車超速，high 端為高電平，發出聲光報警。當車速低于 12km/h 時 low 端為高電平，此時將進入計時狀態，車速大于 12km/h 小于 180km/h 時 low 端為低電平， high 端也為低電平，進入計程狀態。 圖 車速比較模塊 計時模塊 圖 計時模塊 計時模塊如上圖 。當速度低于 12km/h 時計時模塊啟動。輸入端 clk 為 1Hz，clr 為清零端（計費停止后自動清零）， time 為時間設定輸入端（默認為每 5 分鐘計為 1km，可設為其它值）。輸出端 js60 送到顯示部分計數，每 1 分鐘一個上升沿， js 端送到計程計時選通模塊，默認為每 5分鐘計為 1km 送出一個高電平 。 計程模塊 計程模塊如圖 所示，計算出租車行駛路程，每行駛一公里輸出端 jc 就發出一個上升沿給計程計時選通模塊。輸入端 P 為車輪大小的設定值，根據車輪直徑的不 長沙學院畢業設計 (論文 ) 14 同，每轉一圈行進路程也不同，因此每公里計的 CLK 次數也