基于EDA层次化设计方法的出租车计费器设计

摘要：出租车计费器一般采用以单片机为核心的设计方法，设计不够灵活方便。为此，在此介绍了采用EDA技术的层次化设计方法设计出租车计费器的方法。即用VHDL编写各个功能模块，实现低层设计；用原理图输入方式描述各模块间的关系，实现顶层设计。采用FPGA可编程逻辑器件为系统控制单元，无需添加外围电路，更新功能仅需修改软件。实验表明，该设计方法简单快捷，所设计的系统性能可靠。应用该方法设计的数字电子系统具有很强的灵活性。
关键词：EDA；VHDL；层次化；出租车计费器

0 引言
    EDA使用户在无需实际芯片、电路板和仪器仪表的情况下进行电路设计和分析；采用在系统编程技术，在现场对系统进行逻辑重构和升级，实现硬件设计软件化。
    EDA技术以可编程逻辑器件FPGA和CPLD及其开发系统为硬件平台，以EDA开发软件如Max+PlusⅡ为开发工具，基于逻辑功能模块的层次化设计方法设计数字系统。Max+PlusⅡ设计可采用原理图、硬件描述语言(VHDL)等多种输入方式，并支持这些文件的任意混合设计。对于不同层次，可采用不同的输入方式进行设计。由于VHDL擅长描述模块的逻辑功能，所以在对底层模块设计中，常采用VHDL进行描述，而原理图则擅长描述模块间的连接关系，故在顶层设计中，常采用原理图输入方法。出租车计费器通常以单片机为核心进行设计，本文以为它例介绍基于EDA技术的数字系统混合设计方法。

1 出租车计费器功能
    出租车计费器的功能要求：
    (1)实现出租车按行驶里程收费，起步费为7．0元；
    (2)行驶3 km后再按2元／km计费，车停时不计费；
    (3)能预置起步费和每公里收费，并能模拟汽车启动、停止、车速等状态。
    根据VHDL特点，设计者不再需要考虑选择固定功能的标准芯片，而是从实现系统功能与性能出发来，建立出租车计费器系统模块，如图1所示。

2 出租车计费器的设计与实现
    本系统分底层和顶层2个层次设计，底层设计采用VHDL编写各个功能模块，顶层设计采用原理图方式描述各模块间的连接。
2．1 底层文件的设计
    底层模块包括：出租车车速控制模块；计费器里程计数模块；计费器计费计数模块3个模块。
    以出租车车速控制模块为例介绍。
    出租车车速控制模块用于控制出租车的车速。图1中，当起／停开关及清零信号RESET都为“1”时，汽车启动就开始进入里程计数和计费器工作状态。通过改变“车速选择”端的输入值可以控制汽车行驶快慢。用CLK6作为车速控制模块的时钟输入，CLOCK6作为输出，用A、B作为车速选择变量，分别取值从“00”→“01”→“10”→“11”时，车速越来越块。其VHDL程序代码如下：
   
    以上程序代码经过编译后生成相应模块符号，如图2所示，供顶层设计时调用。

    程序经过时序仿真后的波形，如图3所示。

2．2 顶层原理图设计
    顶层设计采用原理图输入方式。通过调用生成的各模块符号，并将它们作适当连接以实现顶层文件的设计。出租车计费器的顶层设计电路，如图4所示。

    图4中，ko1，ko2为车速控制开关；clk为时钟信号；reset为复位信号；up_down为起／停控制信号；count为预置每公里收费的信号；load为预置使能信号；dd为预置起步费信号；out5，out4为记录里程的整数位；out6为记录里程的小数位；outl，out2为记录费用的整数位；out3为记录费用的小数位。
2．3 顶层文件仿真与下载
    顶层原理图经过编译后生成顶层文件，对顶层文件进行仿真，结果正确后，利用Altera公司的FPGA芯片EPF10K3LC84—3及其SE-5M型开发系统进行下载。下载结果显示，所设计的出租车计费器完全符合设计要求。

3 结语
    由上述设计实例可见，采用EDA技术设计数字系统则是一种基于逻辑功能模块的“自上而下”层次化设计方法。即从整个系统功能与性能优化出发，将系统分解为各功能模块，由VHDL描述模块的逻辑功能，生成满足相应逻辑功能的新器件，实现底层设计；再采用原理图输入方式，将生成的新器件连成系统图，实现顶层设计。另外，由于新器件内部电路是用程序构建的，硬件的逻辑关系由语言来描述，所以只要修改语句则可修改硬件的逻辑关系。由此可见这种设计方法，可大大提高工作效率，设计更加灵活、快捷，可减少器件的数量，避免复杂的接线，缩小系统的体积，降低消耗，提高系统的可靠性、继承性、移植性。