1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

文 献 综 述

一、研究目的及意义

出租车行业在我国是八十年代初兴起的一项新兴行业，随着我国国民经济的高速发展，出租汽车已成为城市公共交通的重要组成部分。 计价器是出租汽车的经营者和乘坐出租汽车的消费者之间用于公平贸易结算的工具，因而计价器计价准确与否，直接关系到经营者和消费者的经济利益。依据国家有关法律、法规，出租汽车计价器是列入国家首批强制检定的工作计量器具之一，也是近年来国家质量技术监督部门强化管理的六类重点计量器具之一。多年来国内普遍使用的计价器只具备单一的计量功能。用户不仅要求计价器性能稳定、计价准确而且对它的要求也越来越高。

随着中国经济的发展，许多因素主导了出租车行业成本的波动。传统的用89S51为基础设计出来的出租车计价器已经难以适应出租车行业的发展，所以基于FPGA的出租车计价器应运而生。

基于FPGA的出租车计价器不仅可以解决电子系统小型化、功耗低、可靠性高等问题，而且它的开发周期短、软件投入较少、芯片价格低，尤其是对小批量、多品种的产品需求，所以基于FPGA的出租车计费器已经成为我们的首选。

二、研究现状

我国第一家生产计价器的企业是重庆市起重机厂，最早的计价器全部采取机械齿轮结构，只可以完成简单的计程功能，可以认为早期的计价器就是个里程表。随着科学技术的高速发展，产生了第二代计价器。它采用的是手摇计算机与机械结构相结合的方式，实现了半机械半电子化。此时它在计程的同时还可以完成计价的工作。大规模集成电路的发展又产生了第三代计价器，也就是全电子化的计价器。它的功能也在不断完善.当单片机出现并应用于计价器后，现代出租车计价器的模型也就基本具备了，它可以完成计程，计价，显示等基本工作。单片机以及外围芯片的不断发展促进了计价器的发展。

该课题已相对成熟，很多人已经对出租车计价器系统做过不同设计。通过不同的方式，包括用单片机，ARM和可编程逻辑器件来设计实现过这一课题。如89C51单片机实现的计费器设计，其显示方式上主要采用的是固定显示内容的LED显示。该出租车计价器能够实现，包括单价输出、单价调整、路程输出等多种功能。该系统完全满足集计程、计时、计费、存储、查看、统计等多种计量功能为一体的出租车计价器的实用要求。但是单片机程序是不通用的，不同芯片有不同的指令集，所以它的设计研发比较困难、周期长。如果系统设计的不好，那么系统就不会很稳定，灵活度较低，难以实现功能复杂的设计。而且计价方式不灵活，每次计价标准的修改都需要将芯片重新烧录，使得每次调价都要耗费大量的人力物力，很难适应目前油价联动的要求。另外，大多数计价器的显示方式也不灵活，传统计费器采用的是LED显示，看上去简单方便，但是这种显示方式要求计费器外形设计固定化，如果改变显示内容，就需要更换整个设备，对产品的生级不利。

三、相关技术介绍

FPGA是现场可编程门列阵（File Programable Gate Array）的简称。FPGA是电子设计领域中最具活力和发展前途的一项技术，他的影响丝毫不亚于70年代单片机的发明和应用。目前生产FPGA的公司主要有Altera、Lattice、Quicklogic、Xilinx、Actel等生产的FPGA品种和型号繁多。它们都有同一个特点，即有逻辑功能块排列成阵列，并由可编程的互联资源连接这些功能块从而实现不同的设计。

典型的FPGA一般包含三类基本资源：可编程逻辑功能块、可编程输入/输出块和可编程互联资源。可编程逻辑器件FPGA把复杂的数字系统转化为用一两个可编程逻辑器件即可实现的”片上”系统，把系统的更新换代转化为简单的系统编程设计，把后期进行的系统调试转移到设计实现之前在计算机上进行的功能仿真和时序仿真。这种新的技术将使硬件设计向软件化方向发展，它将大大简化数字系统的开发设计过程，使数字系统设计不再需要大量不同种类的芯片及芯片之间的复杂连线，不再需要一次又一次地调试硬件电路并反复修改、制作电路。这将有效地减少系统的体积，增加系统的可靠性，而且缩短开发周期，降低研制成本。

Verilog HDL是硬件描述语言的一种，它用于数字电子系统设计。该语言允许设计者进行各种级别的逻辑设计，进行数字逻辑系统的仿真验证、时序分析、逻辑综合。它是目前应用最广泛的一种硬件描述语言。

Verilog HDL作为描述硬件电路设计的语言它的特点在于：能够形式化的抽象表示电路的行为和结构；支持逻辑设计中层次与范围的描述；可借用高级语言的结构来简化电路行为的描述；具有电路仿真与验证机制以确保设计的正确性；支持电路描述由高层到低层的综合转换；硬件描述与实现工艺无关；便于文档管理和设计重用。

Verilog适合电路开关级、门级、逻辑级、寄存器传输级、算法级、系统级设计。运用Verilog HDL语言进行设计系统，一般采用自上至下的设计方法。所谓自上至下的设计方法，就是从系统的总体要求出发，自上至下地逐步将设计内容细化，最后完成系统硬件的整体设计。采用自上至下设计方法的时候可以先建立设计的行为描述，建立设计的行为描述之后，可以在设计的早期阶段对设计的行为描述进行仿真，通过对仿真结果进行分析，进而调整、修改设计。

本次设计采用LCD1602字符型液晶，其相关技术参数如表1。

表1 字符型液晶1602相关技术参数

其接口信号说明如表2所示：

表2 LCD1602接口信号说明

控制器接口说明（HD44780及兼容芯片）

基本操作时序

a、读状态：输入：RS=L, RW=H, E=H

输出：D0#8212;D7=状态字

b、写指令：输入：RS=L, RW=L, D0#8212;D7=指令码 E=高脉冲

输出：无

c、读数据：输入：RS=H, RW=L, E=H

输出：D0#8212;D7=数据

d、写数据：输入：RS=H, RW=L, D0#8212;D7=数据 E=高脉冲

输出：无

四、计价器原理

计价器的计价功能由三部分组成:

1、基本收费:每公里租金；

2、加价收费:在不同条件下,按比例增加的每公里租金；

3、计时收费:等候时单位时间的租金；

根据事先预定的系统设计的总体要求, 确定了整个电路系统的设计思路, 得到了出租车计价系统的总体设计结构, 如图3所示。所设计的电路系统主要由控制器、分频器、计程、计费、计时和显示单元等组成。(图见附件)

五、简要小结

在前期的准备工作中，需要熟悉使用Verilog HDL硬件描述语言编写程序，以及熟悉QuartusII软件进行仿真，理解计价器设计原理及相关器件。

本文介绍了一种采用单片FPGA芯片，使用Verilog HDL硬件描述语言, 在QuartusII软件环境下,采用自顶向下的模块化设计思路,设计的一种出租车计价系统。利用FPGA的可编程性,简洁多变的设计方法,缩短产品的研发周期,同时使得出租车计费器体积更小、功能更强大。主要包括采用FPGA芯片,使用VHDL语言进行编程,使其具有更强的移植性,对产品的升级更有利;利用LCD液晶显示取代传统的LED显示,使计价器在显示时更加灵活多变,可以按需改变显示内容。

参考文献

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2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

一、本课题要研究或解决的问题：

1、熟悉quartusii软件的开发环境及基本用法,各个模块都需进行仿真；

2、熟悉verilog hdl硬件描述语言，编写相关程序；