课程设计：基于FPGA的出租车计价系统

课程设计：基于FPGA的出租车计价系统

摘要

随着城市化进程的加快，出租车作为城市交通的重要组成部分，其计费方式也逐渐从传统的手工计算转变为电子化管理。本项目旨在设计一个基于FPGA（Field-Programmable Gate Array）的出租车计价系统，利用硬件描述语言（VHDL/Verilog）实现计费逻辑，提高计费的准确性和可靠性。本文将详细介绍该系统的硬件架构、软件设计、功能实现及测试过程。

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1. 引言

传统的出租车计价器多采用专用集成电路（ASIC）或微控制器（MCU）来实现，存在开发周期长、灵活性差等问题。而FPGA具有可编程性强、开发周期短的特点，非常适合应用于需要灵活调整逻辑的应用场景。因此，本项目选择FPGA作为核心控制单元，旨在探索一种新的出租车计价方案。

2. 系统总体设计

2.1 系统架构

该系统主要由以下几个部分组成：

• FPGA控制模块：负责整体逻辑控制，包括距离计算、费用计算等。
• 传感器模块：用于检测车辆行驶的距离。
• 显示模块：用于显示当前的里程数和费用。
• 按键模块：用于启动计价、结束计价等操作。
• 电源模块：为整个系统提供稳定的电源。

2.2 关键组件介绍

• FPGA控制模块：选用Xilinx或Altera系列的FPGA芯片，利用VHDL/Verilog语言编写控制逻辑。
• 传感器模块：采用霍尔效应传感器检测车轮转动次数，进而计算行驶距离。
• 显示模块：使用7段数码管或LCD屏显示相关信息。
• 按键模块：包含启动、停止等几个按键，用于控制计价过程。
• 电源模块：为系统提供5V或3.3V直流电。

3. 软件设计

3.1 FPGA控制逻辑设计

3.1.1 距离计算

距离计算模块主要负责根据传感器检测到的脉冲信号计算出车辆行驶的实际距离。假设每个脉冲代表车轮转动一周，可以通过以下公式计算距离：

[ \text{Distance} = \text{Pulse Count} \times \text{Wheel Circumference} ]

其中，Pulse Count为脉冲计数值，Wheel Circumference为车轮周长。

3.1.2 费用计算

费用计算模块根据行驶距离和预设的计费规则计算出应收费用。常见的计费规则包括起步价、里程费、等待费等。例如：

[ \text{Total Cost} = \text{Base Fare} + (\text{Distance} - \text{Base Distance}) \times \text{Per Mile Cost} ]

其中，Base Fare为起步价，Base Distance为起步距离，Per Mile Cost为每公里费用。

3.2 显示控制

显示模块负责将当前的里程数和费用显示出来。可以使用7段数码管或LCD屏实现。通过FPGA控制显示模块的数据输入和刷新频率，确保显示内容清晰准确。

3.3 按键处理

按键模块用于接收用户的操作命令，如启动计价、结束计价等。FPGA通过检测按键状态的变化来识别用户的操作，并执行相应的动作。

4. 测试与结果分析

4.1 测试方法

为了验证系统的功能和性能，我们进行了以下几项测试：

• 距离测试：通过模拟不同行驶距离，验证距离计算的准确性。
• 费用测试：在不同行驶距离下，验证费用计算是否符合预设的计费规则。
• 稳定性测试：长时间运行系统，检查系统的稳定性和可靠性。

4.2 测试结果

经过多次测试，系统能够准确地计算行驶距离和费用，显示内容清晰，操作响应迅速。在长时间运行测试中，系统表现稳定，未出现明显故障。

5. 结论

本项目成功设计并实现了一个基于FPGA的出租车计价系统。通过FPGA的强大可编程能力，不仅提高了计价的准确性和可靠性，还为后续的功能扩展提供了便利。未来的工作将集中在优化算法、降低成本等方面，以期更好地满足市场需求。

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参考文献

[1] 郭宇, 李明. FPGA原理与应用[M]. 北京: 清华大学出版社, 2017.
[2] 张伟, 王强. 数字电子技术基础[M]. 北京: 高等教育出版社, 2018.
[3] 陈刚. VHDL语言与数字系统设计[M]. 北京: 机械工业出版社, 2019.