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1、设计举例：出租车计费器一、设计任务出租车自动计费器是根据客户用车的实际情况而自动计算、显示车费的数字表。数字表根据用车起步价、行车里程计费及等候时间计费三项显示客户用车总费用，打印单据，还可设置起步、停车的音乐提示或语言提示。1.自动计费器具有行车里程计费、等候时间计费和起步费三部分，三项计费统一用4位数码管显示，最大金额为99.99元。2.行车里程单价设为1.80元/km，等候时间计费设为1.5元/10分钟，起步费设为8.00元。要求行车时，计费值每公里刷新一次；等候时每10分钟刷新一次；行车不到1km或等候不足10分钟则忽略计费。3.在启动和停车时给出声音提示。二、设计方案方案1 采用计数
2、器电路为主实现自动计费。分别将行车里程、等候时间都按相同的比价转换成脉冲信号，然后对这些脉冲进行计数，而起价可以通过预置送入计数器作为初值，如图1的原理框图所示。行车里程计数电路每行车1km输出一个脉冲信号，启动行车单价计数器输出与单价对应的脉冲数，例如单价是1.80元/km，则设计一个一百八十进制计数器，每公里输出180个脉冲到总费计数器，即每个脉冲为0.01元。等候时间计数器将来自时钟电路的秒脉冲作六百进制计数，得到10分钟信号，用10分钟信号控制一个一百五十进制计数器（等候10分钟单价计数器）向总费计数器输入150个脉冲。这样，总费计数器根据起步价所置的初值，加上里程脉冲、等候时间脉冲即
3、可得到总的用车费用。图1 出租车计费器原理框图一上述方案中，如果将里程单价计数器和10分钟等候单价计数器用比例乘法器完成，则可以得到较简练的电路。它将里程脉冲乘以单价比例系数得到代表里程费用的脉冲信号，等候时间脉冲乘以单位时间的比例系数得到代表等候时间的时间费用脉冲，然后将这两部分脉冲求和。如果总费计数器采用BCD码加法器，即利用每计满1km的里程信号、每等候10分钟的时间信号控制加法器加上相应的单价值，就能计算出用车费用。图2 出租车计费器原理框图二方案2 采用单片机为主实现自动计费。单片机具有较强的计算功能，以8位MCS51系列的单片机89C51加上外围电路同样能方便地实现设计要求。电路框
4、图如图2所示方案3 采用VHDL编程，用FPGA/CPLD制作成“自动计费器”的专用集成电路芯片ASIC，加上少数外围电子元件，即能实现设计要求。将各种方案进行比较，根据设计任务的要求，各方案的优缺点、设计制作所具备的条件，任选其中的一种方案作具体设计。本例作为传统电子设计方法的实例，采用方案1实现。三、各单元电路设计1. 里程计费电路设计图3 里程计费电路里程计费电路如图3所示。安装在与汽车轮相接的涡轮变速器上的磁铁使干簧继电器在汽车每前进10m闭合一次，即输出一个脉冲信号。汽车每前进1km则输出100个脉冲。此时，计费器应累加1km的计费单价，本电路设为1.80元。在图3中，干簧继电器产生
5、的脉冲信号经施密特触发器整形得到CP0。CP0送入由两片74HC161构成的一百进制计数器，当计数器计满100个脉冲时，一方面使计数器清0，另一方面将基本RS触发器的Q1置为1，使74HC161（3）和（4）组成的一百八十进制计数器开始对标准脉冲CP1计数，计满180个脉冲后，使计数器清0。RS触发器复位为0，计数器停止计数。在一百八十进制计数器计数期间，由于Q1=1，则P2=/CP1，使P2端输出180个脉冲信号，代表每公里行车的里程计费，即每个脉冲的计费是0.01元，称为脉冲当量。2等候时间计费电路图4 等候时间计费电路等候时间计费电路如图4所示，由74HC161（1）、（2）、（3）构成
6、的六百进制计数器对秒脉冲CP2作计数，当计满一个循环时也就是等候时间满10分钟。一方面对六百进制计数器清0，另一方面将基本RS触发器置为1，启动74HC161（4）和（5）构成的一百五十进制计数器（10分钟等候单价）开始计数，计数期间同时将脉冲从P1输出。在计数器计满10分钟等候单价时将RS触发器复位为0，停止计数。从P1输出的脉冲数就是每等候10分钟输出150个脉冲，表示单价为1.50元，即脉冲当量为0.01元，等候计时的起始信号由接在74HC161（1）的手动开关给定。3.计数、锁存、显示电路如图5所示，其中计数器由4位BCD码计数器74LS160构成，对来自里程计费电路的脉冲P2和来自等
7、候时间的计费脉冲P1进行十进制计数。计数器所得到的状态值送入由2片8位锁存器74LS273构成的锁存电路锁存，然后由七段译码器74LS48译码后送到共阴数码管显示。图5 计数、锁存、显示电路计数、译码、显示电路为使显示数码不闪烁，需要保证计数、锁存和计数器清零信号之间正确的时序关系，如图6所示。由图6的时序结合图5的电路可见，在Q2或Q1为高电平1期间，计数器对里程脉冲P2或等候时间脉冲P1进行计数，当计数完1km脉冲（或等候10分钟脉冲）则计数结束。现在应将计数器的数据锁存到74LS273中以便进行译码显示，锁存信号由74LS123（1）构成的单稳态电路实现，当Q1或Q2由1变0时启动单稳电
8、路延时而产生一个正脉冲，这个正脉冲的持续时间保证数据锁存可靠。锁存到74LS273中的数据由74LS48译码后，在显示器中显示出来。只有在数据可靠锁存后才能清除计数器中的数据。因此，电路中用74LS123（2）设置了第二级单稳电路，该单稳电路用第一级单稳输出脉冲的下跳沿启动，经延时后第二级单稳的输出产生计数器的清零信号。这样就保证了“计数锁存清零”的先后顺序，保证计数和显示的稳定可靠。图6 计数、锁存清零信号的时序图图中的S2为上电开关，能实现上电时自动置入起步价目，S3可实现手动清零，使计费显示为00.00。其中，小数点为固定位置。4. 时钟电路时钟电路提供等候时间计费的计时基准信号，同时作
9、为里程计费和等候时间计费的单价脉冲源，电路如图7所示。图7 时钟电路在图7中，555定时器产生1kHZ的矩形波信号，经74LS90组成的3级十分频后，得到1Hz的脉冲信号，可作为计时的基准信号。同时，可选择经分频得到的500Hz脉冲作为CP1的计数脉冲。也可采用频率稳定度更高的石英晶体振荡器。5. 置位电路和脉冲产生电路的设计在数字电路的设计中，常常还需要产生置位、复位的信号，如SD、RD。这类信号分高电平有效、低电平有效两种。由于实际电路在接通电源瞬间的状态往往是随机的，需要通过电路自动产生置位、复位电平使之进入预定的初始状态，如前面设计中的图5，其中S2就是通过上电实现计数器的数据预置。图
10、8表示了几种上电自动置位、复位或置数的电路。图8 开机置位、复位和置数命令产生电路在图（a）中，当S接通电源时，由于电容C两端电压不能突变仍为零，使RD为0，产生Q置0的信号。此后，C被充电使C两端的电压上升到RD为1时，D触发器进入计数状态。图（b）则由于非门对开关产生的信号进行了整形而得到更好的负跳变波形。图（c）和图（d）中的CC4013是CMOS双D触发器，这类电路置位和复位信号是高电平有效，由于开关闭合时电容可视为短路而产生高电平，使RD=1，Q=0；若将此信号加到SD，则SD=1，Q=1;置位、复位过后，电容充电而使RD（SD）变为0，电路可进入计数状态。图（e）是用开关电路产生点
11、动脉冲，每按一次开关产生一个正脉冲，使触发器构成的计数器计数1次；图（f）是用开关电路产生负脉冲，每按一次开关产生一个负脉冲。四、电路的安装与调试数字电路系统的设计完成后，一个重要的步骤是安装调试。这一步是对设计内容的检验，也是设计修改的实践过程，是理论知识和实践知识综合应用的重要环节。安装调试的目标是使设计电路满足设计的功能和性能指标，并且具有系统要求的可靠性、稳定性、抗干扰能力。这里简要叙述安装调试数字电路的几个步骤。（1） 检测电路元件最主要的电路元件是集成电路，常用的检测方法是用仪器测量、用电路实验或用替代方法接入已知的电路中。集成电路的检测仪器主要用集成电路测试仪，还可用数字电压表作
12、简易测量。实验电路则模拟现场应用环境测试集成芯片的功能。替代法测试必须具备已有的完好工作电路，将待测元件替代原有器件后观察工作情况。除集成电路芯片外，还应检测各种准备接入的其他各种元件，如三极管、电阻、电容、开关、指示灯、数码管等。应确信元件的功能正确、可靠才能装入电路安装。（2） 电路安装数字电路系统在设计调试中，往往是先用面包板进行试装，只有试装成功，经调试确定各种待调整的参数合适后，才考虑设计成印制电路。试装中，首先要选用质量较好的面包板，使各接插点和接插线之间松紧适度。安装中的问题往往集中在接插线的可靠性上，特别需要引起注意。安装的顺序一般是按照信号流向的顺序，先单元后系统、边安装边测
13、试的原则进行。先安装调试单元电路或子系统，在确定各单元电路或子系统成功的基础上，逐步扩大电路的规模。各单元电路的信号连接线最好有标记，如用特别颜色的线，以便能方便断开进行测试。（3） 系统调试系统调试试将安装测试成功的各单元连接起来，加上输入信号进行调试，发现问题则先对故障进行定位，找出问题所在的单元电路。一般采用故障现象估测法（根据故障情况估计问题所在位置）、对分法（将故障大致所在部分的电路对分成两部分，逐一查找）、对比法（将类型相同的电路部分进行对比或对换位置）等。系统测试一般分静态测试和动态测试。静态测试时，在各输入端加入不同电平值，加高电平（一般接1千欧以上电阻到电源）、低电平（一般接地）后，用数字万用表测量电路各主要点的电位，分析是否满足设计要求。动态测试时，在各输入端接入规定的脉冲信号，用示波器观察各点的波形，分析它们之间的逻辑关系和延时。除了调试电路的正常工作状态外，另外特别要注意调试初始状态、系统清零、预置等功能，检查相应的开关、按键、拨盘是否可靠，手感是否正常。
