基于FPGA的出租车计费器系统的设计

本文由ｚｙｈ０７５９贡献 ｄｏｃ文档可能在ＷＡＰ端浏览体验不佳。建议您优先选择ＴＸＴ，或下载源文件到本机 查看。 吉林大学珠海学院 毕 业 设 计 基于 ＦＰＧＡ 的出租车计费器系统 的设计 系 专 学 学 业 生 名 姓 别： 称： 名： 号： 电子信息系 电子信息科学与技术 陆文富 ０３０６０３２０ 尹雪梅 助教 指导教师姓名、职称： 指导教师姓名、职称： 完成日期 ２０１０ 年 ５ 月 １日 吉林大学珠海学院本科毕业论文（设计） 吉林大学珠海学院本科毕业论文（设 计）开题报告 选 院 题 系 电子信息系 陆文富 基于 ＦＰＧＡ 的出租车计费器系统的设计 专 业 电子信息科学与技术 尹雪梅 学生姓名 指导教师 本选题的意义及国内外发展状况： 由于现场可编程逻辑阵列 ＦＰＧＡ 具有开发简 单、静态可重复编程和动态再系统 编程等特点，已经成为当今应用最广泛的可编程专 用集成电路之一。随着微电子技 术的迅猛发展，速度更快、集成度更高的 ＦＰＧＡ 不断 出现，芯片上包含的资源也越 来越丰富，可实现的功能越来越强，这使得 ＦＰＧＡ 在电 子电路设计中扮演的角色越 来越重要。 我国在 ７０ 年代开始出现出租车， 但那时的 计费系统大都是国外进口不但不够准 确，价格还十分昂贵。随着改革开放日益深入， 出租车行业的发展势头已十分突出， 国内各机械厂家纷纷推出国产计价器。出租车计 价器的功能从刚开始的只显示路程 （需要司机自己定价，计算后四舍五入） ，到能 够自主计费，以及现在的能够打发票 和语音提示、按时间自主变动单价等功能。随着 城市旅游业的发展，出租车行业已 成为城市的窗口，象征着一个城市的文明程度。在 国内外，现在各大中城市出租车 行业都已普及自动计价器，所以计价器技术的发展已 成定局。而部分小城市尚未普 及，但随着城市建设日益加快，象征着城市面貌的出租 车行业也将加速发展，计价 器的普及也是毫无疑问的，所以未来汽车计价器的市场还 是十分有潜力的。 研究内容： 一：ＦＰＧＡ 的概述。 二：计费器总体结构与基本原理 。 三：ＦＰＧＡ 的硬件设计。 四：计费器系统的软件设计。 五：系统仿真。 １ 研究方法、手段及步骤： １． 原理图设计：针对本设计进行相关硬件的原理设计 ，配合查阅网上资料 ２． 用 Ｐｒｏｔｅｌ 软件绘制原理图 ３． 用 ＶＨＤＬ 语言进行软件设计 ４． 用 ＭＡＸ＋ＰＬＵＳⅡ对出租车计费系统进行仿真 参考文献： ［１］ 金西．ＶＨＤＬ 与复杂数字系统设计［Ｍ］．西安：西安电子科技大学 出版社，２００３： １０７－１５０． ［２］ 高有堂．ＥＤＡ 技术及应用实践［Ｍ］．北京：清华大学出版 社，２００６：９６－１５２． ［３］ 赵曙光，郭万有，杨颂华等．可编程逻辑器件原理、开发与应 用［Ｍ］．西安：西安 科技大学出版社，２００６：５６－１５８． ［４］ 胡振华．ＶＨＤＬ 与 ＦＰＧＡ 设计 ［Ｍ］．北京：中国铁道出版社，２００３：１２７－１５４ ［５］ 刘明业，蒋敬旗，刁岚松译．硬件描 述语言 ＶＥＲＩＬＯＧ［Ｍ］．北京：清华大学出版社， ２００１：８９－１０６． ［６］ 王振红．综合电子 设计与实践［Ｍ］．北京：清华大学出版社出版， ２００５：１２４－１４５． ［７］ 王诚，吴继华，范 丽珍等．ＡＬＥＡＲＡ ＦＰＧＡ／ＣＰＬＤ 设计（高级篇）［Ｍ］．北京：人民邮 电出版社，２００５：５４－ ６９． ［８］ 顾斌，赵明忠，姜志鹏等．数字电路 ＥＤＡ 设计［Ｍ］．电子科技大学出版社，２０ ０４： ２６３－２６７． ［９］ 周立功．ＡＲＭ 嵌入式系统基础教程［Ｍ］．北京：航空航天大学出版社 ，２００５：５－２２． ［１０］ 周立功， 夏宇闻． 单片机与 ＣＰＬＤ 综合应用技术［Ｍ］．北京：航 空航天大学出版社， ２００３：７９－９８． ［１１］ 求是科技．ＣＰＬＤ／ＦＰＧＡ 应用开发技术与工程 实践［Ｍ］．北京：人民邮电出版社 ２００５：１２９－１５６． ［１２］ 曹昕燕， 周凤臣， 捏春燕． ＥＤＡ 技术实验与课程设计［Ｍ］．北京： 清华大学出版社， ２００６：１２５－１４５． ［１３］ Ｘｉｌｉ ｎｘ． Ｕｓｉｎｇ Ｂｌｏｃｋ ＲＡＭ ｉｎ Ｓｐａｒｔａｎ－３ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ＦＰＧＡｓ［Ｍ］ＦＰＧＡ 的出租车计费器系统的设计 摘 要 随着可编程逻辑器件设计技术的发展，每个逻辑器件中门电路的数量越来越多，一 个逻 辑器件就可以完成本来要由很多分立逻辑器件和存储芯片完成的功能。这样做减 少了系统 的功耗和成本，提高了性能和可靠性。ＦＰＧＡ 就是目前最受欢迎的可编程逻辑 器件之一。 该系统利用 ＶＨＤＬ 语言、ＰＬＤ 设计出租车计费系统，以 ＭＡＸ＋ＰＬＵＳⅡ软件 作为开发平台， 设计了出租车计费器系统程序并进行了程序仿真。使其实现计费以及 预置和模拟汽车启 动、停止、暂停等功能，并动态扫描显示车费数目 关键词： ＦＰＧＡ ， 出租车计费器，ＭＡＸ＋ＰＬＵＳⅡ，ＶＨＤＬ 语言 ３ Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｎｔａｌ ｃａｒ ｃｏｓｔｓ ｓｙｓｔｅｍ ｏｎ ＦＰＧＡ Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｌｏｇｉｃ ｄｅｖｉｃｅ （ＰＬＤ） ｄｅｓｉｇｎ ｔｅｃｈｎｏ ｌｏｇｙ， ｔｈｅ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｌｏｇｉｃ ｇａｔｅ ｉｎ ｅｖｅｒｙ ｌｏｇｉｃ ｄｅｖｉｃｅ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｄｒａｍａｔｉｃａｌｌ ｙ． Ｔｈｅ ｌｏｇｉｃ ｄｅｖｉｃｅ ｃａｎ ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ａｌｓｏ ｂｅ ｆｕｌｆｉｌｌｅｄ ｂｙ ｍａｎｙ ｄｉｓｃｒｅｔｅ ｄｅｖｉｃｅｓ ａｎｄ ｍｅｍｏｒｙ ｃｈｉｐｓ． Ｔｈｅ ｕｓａｇｅ ｏｆ ＰＬＤ ｃａｎ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｓｔ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ． Ｉｔ ｃａｎ ａｌｓｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍ ａｎｃｅ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ． Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ （ＦＰＧＡ） ｉｓ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍ ｏｓｔ ｐｏｐｕｌａｒ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｌｏｇｉｃ ｄｅｖｉｃｅｓ． Ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ＶＨＤＬ ｌａｎｇｕａｇ ｅ， ＰＬＤ ｄｅｓｉｇｎ ｒｅｎｔａｌ ｃａｒ ｃｏｓｔｓ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ， ｄｅｖｅｌｏｐｓ ｔｈｅ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｂｙ ｔｈｅ ＭＡ Ｘ＋ＰＬＵＳⅡｓｏｆｔｗａｒｅ ａｃｈｉｅｖｅｍｅｎｔ， ｈａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｔｈｅ ｒｅｎｔａｌ ｃａｒ ｆａｒｅ ｒｅｇｉｓｔｅｒ ｓｙ ｓｔｅｍ ｐｒｏｇｒａｍ ａｎｄ ｈａｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ． Ｃａｕｓｅｓ ｉｔｓ ｒｅａｌｉ ｚａｔｉｏｎ ｔｏ ｃｏｓｔ ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｔｈｅ ｉｎｉｔｉａｌｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ ｓｔａｒｔｓ， ｓｔｏｐｓ， ｆｕｎｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｏ ｏｎ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ， ａｎｄ ｄｙｎａｍｉｃ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｄｅｍｏｎｓ ｔｒａｔｉｏｎ ｆａｒｅ ｎｕｍｂｅｒ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＦＰＧＡ；Ｔｈｅ ｒｅｎｔａｌ ｃａｒ ｃｏｓｔｓ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ；ＭＡＸ＋ＰＬＵＳⅡ；ＶＨＤＬ ｌａｎ ｇｕａｇｅ ： ４ 目 录 前 言 …… １ 第一章 绪 论 …… ３ １．１ ＦＰＧＡ 的概述 …… ３ １．２ ＦＰＧＡ 的优 越性 …… ３ １．３ ＥＤＡ 发展概况 …… ４ １．４ 课题设计意义 …… ７ 第二章 总体结构 与工作原理 …… ９ ２．１ ＦＰＧＡ 结构 …… ９ ２．２ ＦＰＧＡ 设计流程 …… ９ ２．３ ＦＰＧＡ 的 硬件结构图 …… １０ ２．４ 出租车计费工作原理 …… １１ ２．５ 出租车计费器系统软件 结构图 …… １１ 第三章 基于 ＦＰＧＡ 的硬件设计 …… １２ ３．１ 电源电路设计 …… １ ２ ３．２ 下载配置的电路设计 …… １２ ３．３ ＦＰＧＡ 芯片及其外围电路设计 …… １３ ３．３ ．１ ＦＰＧＡ 芯片 …… １３ ３．３．２ 按键和 ＬＥＤ …… １４ ３．３．３ 复位 …… １４ ３．３．４ 外部 时钟 …… １５ ３．３．５ 滤波电容 …… １５ ３．３．６ 用户扩展接口 …… １５ 第四章 出租 车计费器系统的软件设计 …… １７ ４．１ 系统的总体框图 …… １７ ４．２ 程序流程图 … … １８ ４．３ 系统各功能模块的实现 …… １８ ４．３．１ 信号输入模块 ＪＩＦＥＩ 的实现 …… １８ ４．３．２ 数据转换模块 Ｘ 的实现 …… １９ ４．３．３ 显示模块 ＸＸＸ１ 的实现 …… １９ ４．３．４ 数据选择模块 ＳＥ 的实现 …… ２０ ４．３．５ 数码管译码模块 ＤＩ 的实现 …… ２０ 第五章 系统仿真 …… ２１ ５．１ 信号输入模块 Ｘ 的仿真结果 …… ２１ ５．２ 数据转 换模块 ＪＩＦＥＩ 的仿真结果 …… ２１ ５．３ 显示模块 ＸＸＸ１ 的仿真结果 …… ２２ ５．４ 数 据选择模块 ＳＥ 的结果验证 …… ２２ ５．５ 数码管译码模块 ＤＩ 的结果验证 …… ２２ 结 论 …… ２４ 附录 …… ２５ 致 谢 …… ３５ ５ ６ 前 言 随着出租车行业的发展，对出租车计费器的要求也越来越高。二十世纪后半期， 随着 集成电路和计算机技术的飞速发展，数字系统也得到了飞速发展，其实现方法经 历了由分 立元件、ＳＳＩ、ＭＳＩ到ＬＳＩ、ＶＬＳＩ以及ＵＶＬＳＩ的过程。同时为了提高系统的可靠
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性与通用性， 微处理器和专业集成电路（ＡＳＩＣ）逐渐取代了通用全硬件ＬＳＩ电路，而ＡＳ ＩＣ以其体积小、重 量轻、功耗低、速度快、成本低、保密性好而脱颖而出。目前，业 界大量可编程逻辑器件 （ＰＬＤ），尤其是现场可编程逻辑器件（ＦＰＬＤ）被大量地应用在ＡＳ ＩＣ的制作当中。在可编程集 成电路的开发过程中，以计算机为工作平台，融合了应用 电子技术、计算机技术、智能化 技术最新成果的电子设计自动化（ＥＤＡ）技术主要能辅 助进行三方面的设计工作：ＩＣ设计，电 子电路设计以及ＰＣＢ设计 理想的可编程逻辑开 发系统能符合大量的设计要求：它能够支持不同结构的器件，在 多种平台运行，提供 易于使用的界面，并且有广泛的特征。此外，一个设计系统应该能给 设计师提供充分 自由的设计输入方法和设计工具选择。 Ａｌｔｅｒｅｄ公司开发的ＭＡＸ＋ＰＬＵＳⅡ开 发系统能充 分满足可编程逻辑设计所有要求。 ＭＡＸ＋ＰＬＵＳⅡ设计环境所提供的灵活性和高效性是无 可比拟的。其丰富的图形界面， 辅之以完整的、可及时访问的在线文档，使设计人员 能够轻松、愉快地掌握和使用 ＭＡＸ＋ＰＬＵＳⅡ软件。 编程器是一种专门用于对可编程器 （如ＥＰＲＯＭ，ＥＥＰＲＯＭ，ＧＡＬ，ＣＰＬＤ，ＰＡＬ等）进行编 程的专业设备 ＰＬＤ器件的逻辑功能描述 一般分为原理图描述和硬件描述语言描述，原理图描述是一 种直观简便的方法，它可 以将现有的小规模集成电路实现的功能直接用ＰＬＤ器件来实现， 而不必去将现有的电 路用语言来描述，但电路图描述方法无法做到简练；硬件描述语言描 述是可编程器件 设计的另一种描述方法，语言描述可能精确和简练地表示电路的逻辑功 能，现在ＰＬＤ 的设计过程中广泛使用。常用的硬件描述语言有ＡＢＥＬ，ＶＨＤＬ语言等，其中 ＡＢＥＬ是一种 简单的硬件描述语言，其支持布尔方程、真值表、状态机等逻辑描述，适用 于计数器 、译码器、运算电路、比较器等逻辑功能的描述；ＶＨＤＬ语言是一种行为描述语 言，其 编程结构类似于计算机中的Ｃ语言，在描述复杂逻辑设计时，非常简洁，具有很强 的 逻辑描述和仿真能力，是未来硬件设计语言的主流。 ＶＨＤＬ就是超高速集成电路硬件描 述语言。覆盖面广，描述能力强，是一个多层次的 硬件描述语言。在ＶＨＤＬ语言中，设 计的原始描述可以非常简练，经过层层加强后，最终 可成为直接付诸生产的电路或版 图参数描述。具有良好的可读性，即容易被计算机接受， 也容易被读者理解。使用期 长，不会因工艺变化而使描述过时。因为ＶＨＤＬ的硬件描述与 工艺无关，当工艺改变时 ，只需修改相应程序中的属性参数即可。支持大规模设计的分解 １ 和已有设计的再利用。 一个大规模的设计不可能由一个人独立完成， 必须由多 人共同承担， ＶＨＤＬ为设计的分解和设计的再利用提供了有力的支持。 ２ 第一章 １．１ ＦＰＧＡ 的概述 绪 论 ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ－Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ），即现场可编程门阵列，它是在ＰＡＬ 、ＧＡＬ、 ＣＰＬＤ等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ＡＳＩ Ｃ）领域中的 一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编 程器件门电路数 有限的缺点。 ＥＤＡ是电子设计自动化（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｄｅｓｉｇｎ Ａｕｔｏｍａｔ ｉｏｎ）的缩写，在２０世纪６０年代中期 从计算机辅助设计（ＣＡＤ）、 计算机辅助制造（ＣＡＭ ）、 计算机辅助测试（ＣＡＴ）和计算机辅助工 程（ＣＡＥ）的概念发展而来的。 １．２ ＦＰＧＡ 的优越性 ＥＤＡ 出现之前，人们用传统的自下而上的硬件电路设计方法来设计系统。其主要 步 骤是：根据系统对硬件的要求，详细编制技术规格书，并画出系统控制流图；然后 根据技 术规格书和系统控制流图，对系统的功能进行分化，合理地划分功能模块，并 画出系统功 能框图；接着就是进行各功能模块的细化和电路设计；各个模块的工能调 试完以后，将各 个模块的硬件电路连接起来，再进行调试，最后就完成整个系统的硬 件电路设计。这种传 统的电路设计方法的系统仿真和调试要在系统的硬件完成后才能 进行，因此存在的问题只 有在后期才能发现，一旦考虑不周，就要重新设计，使得设 计的费用和周期增大。另外， 由于设计文件是原理图，如果设计的系统比较复杂，那 么其原理图就要成千上万张，给存 档、阅读和修改都带来了不便。 随着大规模专用 集成电路的开发和研制，为了提高开发的效率和增加已有开发成果的 可继承性， 缩 短开发周期， 各种新兴的ＥＤＡ 开发工具开始出现， 特别是硬件描述语言ＨＤＬ 的出现