VHDL语言与EDA课程设计

湖南人文科技学院课程设计报告课程名称：VHDL语言与EDA课程设计~设计题目： 出租车自动计价器设计系别：专业：班级： 学生姓名： 学号： 起止日期：2011年6月13日~2011年6月26日$指导教师： 教研室主任: 指导教师评语：指导教师签名： 年 月 日成绩评定项 目权重成绩1、设计过程中出勤、学习态度等方面2、课程设计质量与答辩3、设计报告书写及图纸规范程度总成绩教研室审核意见：教研室主任签字： 年 月 日教学系审核意见:主任签字： 年 月 日摘要随着我国社会经济的全面发展，各大中小城市的出租车营运事业发展迅速，出租车已经成为人们日常出行选择较为普遍的交通工具。出租车计价器是出租车营运收费的专用智能化仪表，是出租车市场规范化、标准化以及减少司机与乘客之间发生纠纷的重要设备。一种功能完备、简单易用、计量准确的出租车计价器是加强出租车行业管理、提高服务质量的必备品。根据预定的设计要求和设计思路，我们使用VHDL硬件描述语言设计了一个实际的基于AlteraFPGA芯片的出租车自动计价器系统，介绍了该系统的电路结构和程序设计。通过在软件中编译和下载测试，得到了仿真波形和关键的设计结果。经过在实验箱上进行硬件测试，证明该出租车计价系统具有实用出租车计价器的基本功能，如能进一步完善，将可以实用化和市场化。关键词：出租车自动计价器；VHDL；FPGA；目录设计要求 错误!未定义书签。1、方案论证与对比 错误!未定义书签。方案一 错误!未定义书签。方案二 错误!未定义书签。两种方案的对比 错误!未定义书签。2、实验步骤和设计过程 错误!未定义书签。计程模块 错误!未定义书签。等待计时模块 错误!未定义书签。计费模块 错误!未定义书签。3、调试与操作说明 错误!未定义书签。中的VHDL程序 错误!未定义书签。程序的编译与及仿真波形 错误!未定义书签。程序的下载与功能的测试 错误!未定义书签。4、课程设计心得体会 错误!未定义书签。5、元器件及仪器设备明细 错误!未定义书签。6、参考文献 错误!未定义书签。7、致谢 错误!未定义书签。出租车自动计价器设计设计要求设计一个出租车自动计费器，具有行车里程计费、等候时间计费、及起价三部分，用四位数码管显示总金额，最大值为元，行车里程单价1元/公里，等候时间单价元/10分钟，起价3元（3公里起价）。设计的主要技术指标如下：1）计价范围：0〜元计价分辨率：元2）计程范围：0〜99公里 计程分辨率：1公里3）计时范围：0〜59分 计时分辨率：1分1、方案论证与对比根据本课程设计要求，需要对出租车当行驶公里数和等待时间两种情况对应进行计数计费，同时要求显示出对应行驶公里数、等待时间和出租车费用，我们想到了以下两种方案。方案一用分频器将外部时钟分为三路频率的信号，用来计时和计程，同时也供整个系统工作，通过设置使能信号，使系统自动对等待时间计时和对行驶公里数的计数，最后将所得结果分别在数码管上显示出来。图1方案一设计结构图方案二各部分主要功能包括：信号输入模块对车轮传感器传送的脉冲信号进行计数，并以高低脉冲模拟出租汽车启动、停止按钮，具有输入信号作用；数据转换模块将计费模块输出的车费和路程转换成十进制数据；译码／动态扫描模块将路程与费用的数值译码后用动态扫描的方式驱动数码管［5］；数码管显示模块将公里数和计费金额显示出来。图2方案二设计结构图两种方案的对比经分析，两种方案都要通过模块组合来实现出租车计价器的功能。方案一模块数量比方案二多一些，但思路简单，各模块程序也相对简单，因此较容易实现，适合我们初学EDA的编程设计。方案二模块较少，但单个模块功能要求较高，程序复杂。所以，我们选择方案一。2、实验步骤和设计过程计程模块计程模块：根据提供的里程脉冲信号fin，计算乘客上车后出租车所行驶的里程数。fin每来一个上升沿，计程模块实现一次计数，里程数就加1。当行驶里程大于3Km时，本模块中en0信号变为1；进行行驶公里都计费。等待计时模块等待计时模块：根据分频得到的时钟信号f_1,计算乘客的等待累计时间。计时器的量程为59min，满量程归零。等待时间大于3min时，本模块中en1信号变为1；f_1每来一个上升沿，计量模块实现一次计数，等待时间加1。计费模块计费模块：实现计价、计时和计程的数据计费。计量模块实现对于出租车在行驶和等待过程中的里程数和计时功能：计费时钟每来一个上升沿，计量模块实现一次计数，里程数或者等待时间加1。当行驶里程大于3Km时，本模块中en0信号变为1;进行的是行驶公里数大于3公里以每公里元计费的操作；当等待时间大于2min时，本模块中en1信号变为1,进行的是等待时间大于2分钟以每分钟元计费的操作；最后用cha3,cha2,cha1,cha0来组成的4位数显示总费用，最大显示为元。3、调试与操作说明中的VHDL程序根据设计要求我们写出了VHDL程序：libraryieee;useuseuseentitytaxiis --定义实体[3]port(clk_256:instdjogic; 一频率为256Hz的时钟start:instd_logic; --计价使能信号stop:instd_logic;--等待信号fin:instd_logic;--公里脉冲信号cha3,cha2,cha1,cha0:outstd_logic_vector(3downto0);--费用数据km1,km0:outstd_logic_vector(3downto0); --公里数据min1,min0:outstd_logic_vector(3downto0)); --等待时间endtaxi;architecturebehavoftaxiissignalf_16,f16,f_1:std_logic;signalq_16:integerrange0to15; --分频器signalq16:integerrange0to15; --分频器signalq_1:integerrange0to255; --分频器signalw:integerrange0to59; --秒计数器signalc3,c2,c1,c0:std_logic_vector(3downto0); --制费用计数器signalk1,k0:std_logic_vector(3downto0); --公里计数器signalm1:std_logic_vector(2downto0); --分的十位计数器signalm0:std_logic_vector(3downto0); --分的个位计数器signalen1,en0,f:std_logic;--使能信号beginfenpin:process(clk_256,start) --分频器模块beginifclk_256'eventandclk_256='1'thenifstart='0'thenq_16<=0;q16<=0;f_16<='0';f16<='0';f_1<='0';f<='0';elseifq_16=15thenq_16<=0；f_16<='1'； --此if语句得到频率为16Hz的信号elseq_16<=q_16+1；f_16<='0'；endif；ifq16=15thenq16<=0;f16<='1'; --此if语句得到另一个频率为16Hz的信号elseq16<=q16+1;f16<='0';endif;ifq_1=255thenq_1<=0;f_1<二'1'; —此if语句得到频率为1Hz的信号elseq_1<=q_1+1;f_1<='0';endif;ifen1='1'thenf<=f_16; --此if语句得到计费脉冲felsifen0='1'thenf<=f16;elsef<='0';endif;endif;endif;endprocess;

process(f_1)--等待计时模块beginiff_1'eventandf_1='1'thenifstart='0'thenw<=0;en1<='0';en0<='0';m1<="000";m0<="0000";k1<="0000";k0<="0000";elsifstop='1'then --等待计时模块ifw=59thenw<=0; --此if语句完成等待计时ifm0="1001"thenmθ<="0000"; 一此if语句完成分计数ifm1<="101"thenm1<="000";elsem1<=m1+1;endif;elsem0<=m0+1;endif;ifm1&m0>"0000001"thenen1<='1'; 一此if语句得到en1使能信号elseen1<='0';endif;elsew<=w+1;en1<='0';endif;elsiffin='1'then --计程模块ifk0="1001"thenkθ<="0000"; 一此if语句完成公里脉冲计数ifk1="1001"thenk1<="0000";elsek1<=k1+1;endif;elsek0<=k0+1;endif;ifk1&k0>"00000010"thenen0<='1'; ―此if语句得到en0使能信号elseen0<='0';endif;elseen1<='0';en0<='0';endif;cha3<=c3;cha2<=c2;cha1<=c1;cha0<=c0; --费用数据输出km1<=k1;km0<=k0;min1<='0'&m1;min0<=m0; --公里数据、分钟数据输出endif;endprocess;process(f,start) --计费模块[2]beginifstart='0'thenc3<="0000";c2<="0001";c1<="0000";c0<="0000";elsiff'eventandf='1'thenifc0="1001"thenc0<="0000"; 一此if语句完成对费用的计数ifc1="1001"thenc1<="0000";ifc2="1001"thenc2<="0000";ifc3<="1001"thenc3<="0000";elsec3<=c3+1;endif;elsec2<=c2+1;endif;elsec1<=c1+1;endif;elsec0<=c0+1;endif;endif；endprocess；endbehav；程序的编译与及仿真波形在QUartUSn新建项目，将设计的程序输入并以实体名为文件名保存⑷，然后以保存后的文件为顶层文件建立工程，编译通过后新建波形文件，设置好输入参数后进行仿真，我们得到的仿真波形如图3：）J34Z.ffi3 85.3Ξia.853 1T1,6s 214.T55 257.7s31D.E53 抑.h「- I I I |一- I I I IM11.15M图3出租车计价器程序的仿真波形从仿真波形中我们看出，当出租车行驶公里数（Km1,Km0组成的两位数）为16即出租车行驶了16公里，等待时间（min1,min0组成的两位数）为03,即等待3分钟时，对应的出租车计费显示是1650即元。而理论计算如下：出租车总计费=起步费+（行驶公里数-3）×+（等待时间-2）×=3+（16-3）×+（3-2）×=,可以看出仿真的结果与理论值一致。程序的下载与功能的测试编译通过后，进行引脚锁定，锁定方法如图4：_^clk_2E6LocationPIN_2SYesJi口LocationPlMN4口Yes->j5tartLocationPlNL239Y65叩LocationPIN_238Yes■_/cha3E3]LocationPlrd」比Yes■_/cha3L2]LocationPIN_167Yes■_zcha3[l]LocationPINJ66Yes■_zcha3[0]LocationPINJ6ΞYes■_/cha£L3]LocationPINLlaY65■_/chaZEZ]LocationPlrd」&3Yes■_/cha2Ll]LocationPIN_16ZYes■_zch32[0]LocationPlPJ」ElYes■_zchal[3]LocationPIUJEDYes■_/chalE2]LocationPINJΞ9Yes■―/chalEl]LocationPlrJ」5行Y65■_/chal[O]LocationPIN_H1Yes■_2chaOE3]LocationPIPJ」4CIYee'-zchaθ[2]LocationPIKLl39Yes■_/chaO[l]LocationPINJ3SYes■_/chaO[O]LocationPINJ37Yes--∕kn∩L[3]LocationPIN_136Yes■_/kinL[2]LocationPIrd」35Y65--∕kι∩L[l]LocationPIKLI34YesLocationPlKLl33Yes■_/kr0[3]LocationPINJ32Yes■_/krθ[2]LocationPINJ2SYesLocationPlKL41Y65--/kι∩0[□]LocationPIN_21YesLocationPlMNclYes」mini⑵LocationPlKLlgYesLocationPINJSYes,-ʃ∙miπl[0]LocationPIN_17Yes■―/minOL3]LocationPlKLlBYe≡■_/minOL2]LocationPlbJ」5Yes,-∕miπO[l]LocationPIKJ」4Yes⑥mir∣0[0]LocationPIPJJ3Yes图4引脚锁定图锁定好引脚后，将编译产生的SOF格式配置文件配置进FPGA[i]，具体操作如下：先将实验箱下载线连接好，接好电源打开实验箱电源开关，再选择实验箱工作模式0，将实验箱下载允许开关打开，最后在Quartusn菜单依次点击Tools Programer，配置好硬件后点击StartProgramer。这时就可以进行功能测试了。根据引脚锁定可知实验箱上键6为等待计时控制键，键7为计费/复位控制键，键8为公里脉冲输入控制键。下载后，按下键7,就开始模拟出租车自动计费过程。数码管计费显示为“0100”，即10元起步费，其他数码管显示数据都为零。然后模拟出租车处于等待时的计费情况，按下键6进入等待计时，发现显示计时的数码管每等待1分钟就累加“01”，当等待计时对应数码管显示大于02时我们发现显示计费的数码管显示数据每分钟增加“0050”，符合设计要求。最后模拟出租车行驶公里的计费，按下键8，发现显示公里数的数码管数值按规律增加，每增加1公里的同时，显示计费的数码管也对应增加“0100”，符合实验要求。因此，经过硬件电路个参数测试可知，本次设计的出租车自动计价器完全符合设计要求，达到了预期的目的。4、课程设计心得体会通过课程设计，我们深有体会：一、我们温故而知新。课程设计发端之始，思绪全无，举步维艰，对于理论知识学习不够扎实的我们深感“书到用时方恨少”有时间就会拿教材与实验手册，对知识系统而全面进行了梳理，遇到难处先是苦思冥想再向同学请教，终于熟练掌握了基本理论知识，而且领悟诸多平时学习难以理解掌握的较难知识，学会了如何思考的思维方式，找到了设计的灵感。二、我们意识到实践出真知，从开始设计到课程设计基本告成，才切身领悟“实践是检验真理的唯一标准”，才明晓实践出真知。因为在教材上，计数器什么应用的少，而且例子浅显，与实际仿真和测试要求有所不同。三、我们要创新求发展.我们要从小处着手，顺应时代发展潮流，在课程设计中不忘在小处创新，未必是创新技术，但凡创新思维亦可，未必成功，只要实现创新思维培育和锻炼即可。四、我们觉得过而能改，善莫大焉。至善至美，是人类永恒的追求。但是，我们不曾忘却“金无足赤，人无完人”，换种思维方式，去恶亦是至善，改错亦为至美。在课程设计过程中，我们不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获取。最终的检测调试环节，本身就是在践行“过而能改，善莫大焉”的知行观。五、我们领悟到学海无涯，学无止境。尽管课程设计是在期末才开