基于FPGA 的出租车计价系统设计

李 营，吕兆承，陈 帅，余钱坤

（淮南师范学院 电子工程学院，安徽 淮南 232038）

1 引言

出租车是人们日常出行的重要工具，其载客出行均需计费， 市面上常用的计费器大多由单片机控制实现计费。单片机虽然价格低廉，但精度差且可扩展性弱。而FPGA 具有编程灵活性高、功能易拓展等特点。 故本文采用层次化建模方法， 利用Verilog HDL 基于FPGA 设计实现出租车计价器系统并进行仿真，仿真结果表明该系统功能稳定，计价准确。

2 出租车计价器系统设计

2.1 出租车计费系统技术指标

以FPGA 为主体设计出租车计费系统，其计费标准如表1 所示。

表1 出租车计费标准

根据表中的相关技术指标，系统设计要求如下。

（1）设置加减档功能：白天行驶超过4 km，每公里加1.00 元。 夜晚行驶超过4 km， 每公里加2.00 元。 单程行驶超过20 km，每公里加收50%的车费，收费累加。

（2）将时间、里程及计费结果以小数的形式显示在液晶屏上。

（3）费用的计算：当行驶里程小于3 km 时，按起价计算费用；当里程大于3 km 时，按下式计算费用：

费用=里程×里程单价+等候时间×等候单价

2.2 系统设计原理

本系统硬件采用的主控FPGA 芯片是Cyclone EP4CE6E22C8， 设计通过按键模拟汽车行驶过程中的速度状态和模式的变化，故需开始、停止、拨码开关控制车辆运行的开始和停止，需要空档、加速、减速等3 个按键控制速度，通过模式按键模拟白天与夜间。 LCD 显示器应当显示行驶公里、时间、计费情况以及车辆的档位等。 白天与夜间的变化用LED 灯的亮或者灭来表示，当时为白天，LED 灯不亮，夜间模式时LED 灯开启。

2.3 LCD1602 显示原理

LCD1602 是一种工业字符型液晶显示屏，它能显示字母、数字、符号，并且同时显示16×2 个字符。 利用了液晶的物理性质，一般通过电压对其32个显示区域进行控制。 LCD 驱动初始化的流程图如图1 所示。

图1 LCD 显示模块驱动初始化流程图

3 出租车计价器系统功能实现

3.1 软件设计总体方案

根据上述硬件要求，可将系统划分为分频与按键控制模块、速度控制模块、直流电机PWM 控制模块、时间设置模块、计费模块以及LCD 驱动显示模块，总体软件设计框图如图2 所示。

图2 总体软件设计框图

3.2 分频与按键控制模块设计

该模块的功能是将50 MHz 分频为1 Hz 和16.6 Hz，并对开始、停止、空档、加档、减档、模式等输入按键进行功能设计， 其功能接口框图如图3 所示。

图3 分频及按键控制模块框图

由图3 可知该模块的输入有：50 M 的时钟脉冲clk50M，复位端口reset，6 个按键的输入如图中key［5..0］；输出端 sys_clk_out 对应 16.6 Hz 时钟输出，clk1Hz_1hz_out 对应 1 Hz 时钟输出，mode 对应白天黑夜的模式选择输出，key_start 代表系统启动输出，sp［2:0］代表速度档位变化输出。

3.3 直流电机PWM 控制模块设计

该模块的功能是实现直流电能和机械能互相转换，接收分频与按键控制模块的控制按键，从而控制电机旋转。 该模块的接口框图如图4 所示，各端口的含义如下，输入端口均连接分频及按键控制模块各端口，enable 是控制开关接key_start 信号，clk 和rst 接系统时钟和系统复位信号；Dir 是控制转动方向代表前进后退，默认1，代表前进；spd_sel接sp［2:0］信号，代表调节电机转动速度；输出端口MA 接系统输出直流电机。

图4 直流电机PWM 控制模块框图

图5 速度设置模块框图

3.4 速度设置模块设计

速度设置模块的功能是对汽车行驶过程中的6 个速度档位进行设计，模拟实际出租车行驶换挡变速。 通过输入的系统脉冲控制产生6 种不同频率的时钟翻转， 从而切换0 至5 挡不同的6 种速度变换。

该模块的功能接口框图如图5 所示。图5 中各端口的含义是：clk 是 16.6 Hz 时钟输入、reset 是复位输入、start 和sp［2:0］端口分别连接按键控制模块的key_start 端口和sp［2:0］端口，分别代表开始信号和档位输入。 clkout 表示汽车模拟行驶的公里脉冲输出， 该模块的仿真波形如图6 所示。 由图 6 可知，档位 sp 由 001 变为 100 的时候，输出clkout 有明显的变化，时钟跳变加快，说明汽车速度的加快。

图6 速度设置模块仿真波形

3.5 计时模块设计

该模块完成两大功能：其一是对空档时汽车的等待时间计时，其二是对汽车行驶时间（包括等价和汽车的行驶计时）计时。 该模块的接口框图如图7 所示，各输入端口的含义与速度设置模块含义相同，输出端口time_out 含义是用于等待的计费时间（即空档等待的时间），输出端口timess［11..0］指等待计时时间，shijian［15..0］指总的时间输出。

图7 计时模块接口框图

图8 计费模块接口框图

3.6 计费模块设计

该模块的功能是根据白天与黑夜模式下计费方法的不同分别计费。根据行驶公里数及等待时间长短，针对不同模式分别计费。 模块接口框图如图8 所示，该模块的算法流程图如图9 所示。

图9 程序流程图

出租车总的计费金额需用整数和小数表示出来。 该模块的仿真波形如图10 所示， 当start=1，mode=1 及km_clkout 变化时，即白天开始计时，汽车行驶后， 行驶距离km_cnt 由0001 跳变为0010，即由1 km 到2 km，此时计费值jin_er 变为10 000 000，即高4 位整数位，低4 位为小数位，共8 元，与设计要求4 km 内起步8 元一致。

图10 白天模式计费模块仿真波形

3.7 显示模块设计

采用LCD1602 字符型显示器显示行驶信息，采用英文字母显示提示。相关显示内容与其字符分别为：行驶里程（KM）、计费（JE）、汽车档位（数值）、等待时间（A）以及等待时间和行驶时间之和驾驶总时间（T）。 根据1602 的驱动指令表驱动编写此模块［3］。

本模块的接口框图如图11 所示，WR 端是读写端，EN 是使能端，DATA［7..0］为双向的输出数据段。 Show_KM［11..0］是 12 位的行驶公里的显示数据输入，show_JE［15..0］是显示计费的16 位数据输入，show_PA［11..0］是 12 位的显示等待时间数据输入，show_SJ［15..0］为16 位总的时间显示数据输入， show_sp［2..0］为 3 位档位的输入。

图11 显示模块接口框图

表2 ASCII 码

图12 系统设计RTL 图

本系统用到的字母相应的ASCII 对照码如表2 所示，显示时各信息间通过空格间隔。

3.8 顶层设计

顶层模块的作用是调用连接上述5 个底层模块，系统 RTL 图如图11 所示。 图11 中，顶层模块的时钟输入端clk50MHZ 对应图2 的clk50M，模块keyin 对应分频及按键处理模块，speed 对应速度设置，times 对应计时模块，kmmony 对应计费模块，lcd1602 对应显示模块，由此可见，系统完成的功能与图12 系统总体软件设计框图一致。

图13 系统硬件设计

4 系统仿真测试

系统完成后的测试效果如图13 所示， 当按开始键之后显示，当白天行驶8.1 km，等待时间为0 s时， 费用为12.1 元符合功能设计中设置的白天的计费原则，所以白天模式下出租车计费程序设计无误；同理，若模式调为黑夜，计费结果也无误，由于篇幅所限，此处不再列图。

5 结语

市面上现有的出租车计价器的精度不高， 系统的功耗大，使用寿命短，并且系统升级扩展的空间小。文章采用了FPGA 芯片Cyclone IV EP4CE6E22C8设计并实现了出租车计价系统， 系统功能完整，且鉴于FPGA 的并行计算和可编程特性， 灵敏度高，后期功能易拓展，为传统出租车计价提供了一种新的设计思路。