基于FPGA的出租車計費系統(tǒng)設計

徐晶晶，楊濤（指導教師）

（電子科技大學電子科學與工程學院，四川成都，611731）

0 引言

FPGA（Field Programmable Gate Array）是在PAL、GAL等可編程器件的基礎上進一步發(fā)展的產物。FPGA由可編程邏輯功能塊、片內互聯(lián)線、輸入輸出塊構成，通過修改布線實現(xiàn)可編程。可使用框圖或者Verilog HDL來設計FPGA，Verilog HDL 推出已經有 20 多年，擁有廣泛的設計群體，成熟的資源比 VHDL豐富,因此本次設計采用Verilog HDL 語言。而出租車是日常出行中必不可少的交通工具，基于出租車的附屬品市場前景也是十分廣闊。本文基于FPGA設計模擬了一款出租車計費系統(tǒng)，具有開發(fā)周期短，設計靈活等優(yōu)勢[1]。

1 FPGA 片內邏輯總體結構設計

■1.1 開發(fā)工具

本次設計中 FPGA 型號為 Xilinx公司的 spartan-6 系列的 xc6slx-2ftg256 型號。設計開發(fā)工具選用 ISE14.7，針對FPGA 設計的功能和時序仿真，選擇 Mentor 公司的Modelsim 仿真工具。

■1.2 總體架構

出租車計費系統(tǒng)的實現(xiàn)框圖如圖1(a)所示[2]，RTL頂層原理圖如圖1(b)所示，上位機發(fā)送指令模擬汽車啟動、停止、行駛公里數(shù)、等待時間的操作，通過串口將指令發(fā)送至設計的出租車計費系統(tǒng)，而后再通過串口將總計費用返回至上位機。

■1.3 系統(tǒng)規(guī)范

(1) 上位機實現(xiàn)模擬功能：汽車啟動、停止、公里計數(shù)、等待時間計數(shù)。

(2) 具體計費方式：

里程＜3公里：費用＝6元；3公里＜里程≤19公里：費用＝6+(里程－3)*2+等候時間*等候單價1；里程＞19公里：費用＝里程*里程單價（2）+等候時間*等候單價1。

(3) 費用能夠通過上位機顯示[3]。

2 模塊具體劃分

出租車計費系統(tǒng)分為五個模塊，分別為串口接收模塊uart_rx、里程計數(shù)模塊mileage_counter、等待時間計數(shù)模塊wait_time、計費模塊charge、串口發(fā)送模塊uart_tx。

圖1

■2.1 串口接收模塊uart_rx

串口接收模塊負責接收上位機傳送的控制指令[4]，其RTL原理圖如圖2所示。表1給出了串口接收模塊輸入輸出端口定義。

圖2

表1 串口接收模塊輸入輸出端口定義

串口接收模塊的仿真結果如圖3所示。

圖3

通過串口接收模塊仿真波形可以看出uart_rx模塊接受控制命令ctrl（0：啟動；1：停止；2公里數(shù)；3：等待時間數(shù)）傳送至其他模塊。本次模擬的為行駛5公里，等待2個時間單位。

■2.2 里程計數(shù)模塊mileage_counter

里程計數(shù)模塊負責計算行駛里程數(shù)，其RTL原理圖如圖4所示。表2給出了里程計數(shù)模塊輸入輸出端口定義。

圖4

表2 里程計數(shù)模塊輸入輸出端口定義

里程計數(shù)模塊仿真波形如圖5所示。

圖5

通過里程計數(shù)模塊仿真波形，可以看出在計費時間內（count_en=1），最終的里程數(shù)（kilo_out）為5公里。

■2.3 等待時間計數(shù)模塊wait_time

等待時間計數(shù)模塊負責計算等待時長，其RTL原理圖如圖6所示。表3給出了等待時間計數(shù)模塊輸入輸出端口定義。

圖6

表3 等待時間計數(shù)模塊輸入輸出端口定義

等待時間計數(shù)模塊仿真波形如圖7所示。

圖7

通過等待時間計數(shù)模塊仿真波形，可以看出在計費時間內（count_en=1），最終的等待時間（wait_time）為2。

■2.4 計費模塊charge

計費模塊負責計算總體開銷[5]，其RTL原理圖如圖8所示。表4給出了計費模塊輸入輸出端口定義。

圖8

表4 計費模塊輸入輸出端口定義

計費模塊仿真波形如圖9所示。

圖9

通過計費模塊仿真波形可以看到總公里數(shù)（kilo_out）、等待時間數(shù)（wait_time）、產生費用（cost）。通過仿真結果可以看到計費截止時（count_done信號為1），產生的總費用為12元。

■2.5 串口發(fā)送模塊uart_tx

串口發(fā)送模塊負責將計費模塊計算出的總體開銷返回給上位機，其RTL原理圖如圖10所示。表5給出了串口發(fā)送模塊輸入輸出端口定義。

圖10

表5 串口發(fā)送模塊輸入輸出端口定義

串口發(fā)送模塊仿真波形如圖11所示。

圖11

通過串口發(fā)送模塊的仿真波形可以看出uart_tx模塊將產生的總費用（rx_dout_reg）傳送回上位機。

3 驗證試驗

我們連接好開發(fā)板如圖12所示，將bit文件下載至開發(fā)板，而后將USB數(shù)據(jù)線連接至USB轉串口芯片。打開上位機軟件（友善串口助手），通過上位機發(fā)送控制信號（0：啟動；1：停止；2公里數(shù)；3：等待時間數(shù)），可以通過上位機軟件看到返回的產生費用。

如：行駛3公里（控制信號為：00 02 02 02 01）返回的數(shù)據(jù)為06，表示產生費用為6元；行駛5公里，等待時間為2,（控制信號為：00 02 02 02 02 02 03 03 01），返回的數(shù)據(jù)為0C，表示產生費用為12元。驗證結果如圖13所示。

圖13

此外本文還驗證了一些其他數(shù)據(jù)，驗證結果如圖14所示。

圖14

4 結論

出租車計費器在日常出行中不可缺少，本文利用FPGA實現(xiàn)了出租車計費系統(tǒng)。出租車計費系統(tǒng)利用Verilog語言設計出來的出租車計費器系統(tǒng)實現(xiàn)了串口接收模塊uart_rx、里程計數(shù)模塊mileage_counter、等待時間計數(shù)模塊wait_time、計費模塊charge、串口發(fā)送模塊uart_tx。完成了通過控制信號模擬汽車啟動、停止、里程計數(shù)與等待時間計數(shù)，最終將總計費用通過上位機顯示了出來。通過FPGA來開發(fā)數(shù)字電路，縮短了設計時間，減少了PCB面積，具有很強的靈活性，因此具有很大的應用前景。