专利名称：基于可编程逻辑器件的多功能计费器系统的制作方法
技术领域：
本发明公开了一种基于可编程逻辑器件(FPGA)的多功能计费器系统。
背景技术：
随着电子行业的迅猛发展，计费器在各个领域中的使用越来越频繁，用户对计费器的要求也越来越高。以出租车多功能计费器为例，用户不仅要求计费器性能稳定，计费准确，有防作弊功能；同时还要求其具有车票打印、IC卡付费、语音报话识别、电脑串行通信及税控等功能；不同国家和地区的收费方式存在差异，即使在同一地区，不同车型的出租车其收费方式也有差别，而且出租车还面临几年一次的调价或调整收费方式等问题。传统的基于单片机设计的出租车多功能计费器已远远跟不上这种变化，功能升级很繁琐，需要硬件重组和软件更新同步进行，成本高，并且每次升级都可能产出新的不稳定因素；并且由于分立器件多，必然造成电源功耗大，芯片易发热，影响芯片的使用寿命。而基于可编程逻辑器件(FPGA)的出租车多功能计费器，采用硬件描述语言Verilog HDL和逻辑综合为基础的自顶向下的电路设计方法，开发成本低，周期短，可靠性高，功能升级方便，满足了用户的要求。
参考文献[1]K.科夫曼著.基于Verilog语言的实用FPGA设计[M].北京科学出版社，2004. 王勇.EITS2003多用途EDA开发实验平台实验手册[M].杭州浙大电子信息技术与系统研究所，2003. 黄再银.基于μPD78F0034单片机的出租车计费器的设计与实现[J].西安国外电子元器件，2004年第8期.
发明内容
本发明的目的是提供一种基于可编程逻辑器件的多功能计费器系统。
它具有主控模块，主控模块的电源接口与电源模块相接，电源模块与语音模块相接，主控模块的输入接口与输入模块相接，主控模块的标准串口与税控模块相接，主控模块的输出接口分别与输出模块、语音模块相接。
本发明在设计过程中由于采用了FPGA和硬件描述语言(Verilog HDL)，利用本发明进行开发，要比单片机简单得多。并且初始成本低，开发周期短。尤其是可编程逻辑器件(FPGA)允许在不替换任何硬件配置的情况下十分方便进行设计升级，这一点对单片机来讲是几乎不可能的。极大的满足了用户的变化要求。从使用情况看，该计费器稳定性好、可靠性高，市场反响良好。
图1是基于可编程逻辑器件的多功能计费器系统方框图；图2是本发明的主控模块的功能方框图；图3是本发明的语音模块的组成方框图；图4是基于可编程逻辑器件的多功能计费器系统中的系统软件流程图。
具体实施例方式
如图1所示，基于可编程逻辑器件(FPGA)的多功能计费器系统具有主控模块，主控模块的电源接口与电源模块相接，电源模块与语音模块相接，主控模块的输入接口与输入模块相接，主控模块的标准串口与税控模块相接，主控模块的输出接口分别与输出模块、语音模块相接。主控模块在控制管理其他模块的同时，也独立完成系统的一些功能。主控模块主要由可编程逻辑器件(FPGA)以及外围电路组成。
如图2所示，主控模块具有可编程逻辑器件，它分别与电源接口、模拟数字转换、输出接口、程序下载接口、数据存储器、程序存储器、电平转换器、输入接口、时钟晶振相接，键盘转换分别与可编程逻辑器件、输入接口相接，电平转换器分别与可编程逻辑器件、9针串行接口相接。
它采用Xilinx公司的SpartanTM-II系列可编程逻辑器件(FPGA)-型号为XC2S100E作为模块的核心部件，其周围提供了丰富的资源有标准的9针串行(RS232)接口、标准的键盘(PS/2)接口、输入接口、输出接口、程序下载接口(JTAG)、数据存储器(SRAM-型号HM628512)、程序存储器(I2C EEPROM-型号24C256)、电源接口、时钟晶振(50MHz)、模拟数字转换(A/D转换或D/A转换)等。当电源模块给系统供电后，系统开始工作，各个模块显示初始状态。一旦主控模块检测到输入模块新的信息后，及时进行处理，并将处理结果不断的传送给输出模块、语音模块和税控模块。这三个模块分别接收到相关信息后，及时进行相应的动作。系统程序设计最终生成二进制目标文件(*.bit)，通过主控模块的程序下载接口(JTAG)下载到EEPROM中。
电源模块是由电瓶向系统提供+12V的电源电压，通过DC-DC转换后将+12V直流电源电压变为稳定的+5V、+3.3V、+1.8V电源电压而形成的。由于+12V电源电压是由电瓶提供，有一定的分散性，故使用DC-DC转换可有效防止因电源电压不稳定而产生的各种故障。
输入模块由车速里程传感器和键盘组成。车速里程传感器主要完成车速测量和里程测量，当车速低于某个设定值(出厂时已设定)时，传感器相应的输出端产生一个电压脉冲，当里程测量到每1公里时，传感器产生一个电压脉冲。键盘主要完成预置起步费、每公里收费、里程收费、等待时间收费和数字钟等设定，同时完成系统进入计费状态的标志的设定。主控模块通过输入接口与输入模块相接。
输出模块主要由发光二极管和七段数码管组成。发光二极管主要指示电源电压、系统运行状态的信息。七段数码管主要显示计费器所计的费用，同时也显示各种预置的费用。它既是系统的对外窗口，也是人机交换信息的主要通道。主控模块通过输出接口与输出模块相接。当输出模块接收到主控模块的相关信息后，及时的更新指示的信息和显示的费用。
如图3所示，语音模块具有语音芯片，它分别与程序存储器、数据存储器、扬声器、麦克风、时钟晶振、电源接口、输入接口相接。语音模块主要由语音芯片以及外围电路组成。它采用Sensory公司的语音芯片RSC-364作为模块的核心部件，外围电路有程序存储器(I2C EEPROM-型号24C64)、数据存储器(SRAM-型号HM628512)、扬声器、麦克风、电源接口、时钟晶振等。主控模块通过输出接口与语音模块相接。当语音模块接收到主控模块发过来的相关信息后，发出一段语音，提醒乘客注意事项。
税控模块由税控部门专门提供。主控模块与税控模块实行串口通信，当税控模块接收到主控模块发过来得相关信息后，及时将各种数据存储，并显示打印。
如图4所示，本发明系统软件运用自顶而下(Top-down)的设计思想，即将一个大的系统程序分为几个相对独立的模块程序分别设计，分别仿真，再集中仿真。在完成逻辑综合与逻辑优化成门级电路后，下载到EEPROM中完成系统设计。系统软件运行环境为Xilinx公司提供的ISE5.2Webpack，它提供了硬件描述语言(Verilog HDL)输入，综合，布局布线，编程下载等功能。
多功能计费器系统程序上主要由3个子程序组成设定初值子程序、计费状态子程序和保存显示输出子程序。设定初值子程序主要完成系统的初始信息设置，如扫描系统各个组成部分的状态，给各个存储单元赋初值等。并且系统通过输入模块的键盘可手动调节预置费用等初始信息。
计费状态子程序是在计费状态标志被置位后开始执行的。它不断的检测主控模块的输入接口的信息，从而做出相应的处理，并将处理结果或者给语音模块，或者给输出模块，或者给税控模块。当计费状态标志刚被置位时，处理结果要求语音模块发一段语音，并一直指示最新的状态和显示预置的初始费用，即这时候处理结果是发给语音模块和输出模块的。当计费状态标志清零时，处理结果不仅要求语音模块发一段语音，并一直指示最新的状态和显示当前的费用，还要将数据储存起来，打印数据。即这时候处理结果是要同时发给税控模块、语音模块和输出模块。其他状态下只要将处理结果发给输出模块就好了。
保存显示输出子程序是具体的执行程序。主要将计费状态子程序的处理结果执行到相应的模块中。如保存打印需要启动税控模块，输出需要启动语音模块，显示需要启动输出模块。系统上电后，可编程逻辑器件芯片复位，系统首先启动设定初值子程序，然后等待计费状态标志的置位，一旦置位后，启动计费状态子程序，当计费状态标志被清零后，系统退出计费状态子程序，进入保存显示输出子程序，将处理结果在保存显示输出子程序中执行。
整个系统程序调试通过以后，下载到可编程逻辑器件(FPGA)的EEPROM芯片中。经实际检测和验证表明与理论设计结果完全吻合。
本发明在硬件设计上充分利用可编程逻辑器件(FPGA)的资源优势，将系统程序设计都集中在以可编程逻辑器件(FPGA)为核心部件的主控模块中实现，并在采用模块化硬件结构的基础上，将接口统一标准，从而极大的方便了今后的功能升级。
本发明首先要满足基本的里程计数、计费计数、时间计数以及数字钟的功能。即要求(1)刚开始计费时，应有起步费计算。行驶里程不满4km时，收费10元。(2)行驶里程满4km但不超过10km时，每公里收费2元，超过10km，每公里收费3元。(3)等待时间每3分钟收费1元。(4)夜里11点到早上5点，起步费为13元，10km内每公里收费3元，超过10km，每公里收费4元。其次为了能够适用于收费标准不同的各个地方，系统要有预置功能，即能预置起步费、每公里收费、里程收费、等待时间收费和数字钟。此外系统应具有语音报话识别、音乐提示等提醒用户功能。最后系统应该有显示、打印、税控以及通信功能。
权利要求
1.一种基于可编程逻辑器件的多功能计费器系统，其特征在于，它具有主控模块，主控模块的电源接口与电源模块相接，电源模块与语音模块相接，主控模块的输入接口与输入模块相接，主控模块的标准串口与税控模块相接，主控模块的输出接口分别与输出模块、语音模块相接。
2.根据权利要求1所述的一种基于可编程逻辑器件的多功能计费器系统，其特征在于所述的主控模块具有可编程逻辑器件，它分别与电源接口、模拟数字转换、输出接口、程序下载接口、数据存储器、程序存储器、电平转换器、输入接口、时钟晶振相接，键盘转换分别与可编程逻辑器件、输入接口相接，电平转换器分别与可编程逻辑器件、9针串行接口相接。
3.根据权利要求1所述的一种基于可编程逻辑器件的多功能计费器系统，其特征在于所述的语音模块具有语音芯片，它分别与程序存储器、数据存储器、扬声器、麦克风、时钟晶振、电源接口、输入接口相接。
4.根据权利要求1所述的一种基于可编程逻辑器件的多功能计费器系统，其特征在于所述的输入模块由车速里程传感器和键盘组成，且输入模块通过输入IO接口与主控模块相接。
5.根据权利要求1所述的一种基于可编程逻辑器件的多功能计费器系统，其特征在于所述的输出模块由发光二极管和七段数码管组成，且输出模块通过输出IO接口与主控模块相接。
6.根据权利要求1所述的一种基于可编程逻辑器件的多功能计费器系统，其特征在于所述的税控模块采用SED-ED310的税控装置，且该税控装置通过标准的RS232串口与主控模块相接。
全文摘要
本发明公开了一种基于可编程逻辑器件的多功能计费器系统。它具有主控模块，主控模块的电源接口与电源模块相接，电源模块与语音模块相接，主控模块的输入接口与输入模块相接，主控模块的标准串口与税控模块相接，主控模块的输出接口分别与输出模块、语音模块相接。本发明在设计过程中由于采用了可编程逻辑器件和硬件描述语言(Verilog HDL)，利用本发明进行开发，要比单片机简单得多。并且初始成本低，开发周期短。尤其是可编程逻辑器件允许在不替换任何硬件配置的情况下十分方便进行设计升级，这一点对单片机来讲是几乎不可能的。极大的满足了用户的变化要求。从使用情况看，该计费器稳定性好、可靠性高，市场反响良好。
文档编号G01D4/00GK1696613SQ20051004982
公开日2005年11月16日 申请日期2005年5月25日 优先权日2005年5月25日
发明者周泽魁, 张立, 张光新, 柴磊, 侯迪波 申请人:浙江大学