EDA汽車尾燈控制課程設(shè)計報告.doc

EDA EDA 技術(shù)應(yīng)用技術(shù)應(yīng)用 課程設(shè)計報告課程設(shè)計報告 專專 業(yè) 業(yè) 通信工程通信工程 班班 級 級 09312 班班 姓姓 名 名 某某某某某某 指導(dǎo)教師 指導(dǎo)教師 楊祖芳楊祖芳 曾凡忠曾凡忠 2012 年年 05 月月 20 日日 目目 錄錄 1 1 引引 言言 1 1 11 1 設(shè)計的目的設(shè)計的目的 1 1 21 2 設(shè)計的基本內(nèi)容設(shè)計的基本內(nèi)容 1 2 2 EDAEDA VHDLVHDL 簡介簡介 1 2 12 1 EDAEDA 技術(shù)技術(shù) 1 2 22 2 硬件描述語言 硬件描述語言 VHDLVHDL 2 3 3 汽車尾燈控制器的設(shè)計過程汽車尾燈控制器的設(shè)計過程 3 3 13 1 系統(tǒng)需求分析系統(tǒng)需求分析 3 3 23 2 汽車尾燈控制器的工作原理汽車尾燈控制器的工作原理 3 3 33 3 各組成模塊原理及程序各組成模塊原理及程序 4 4 4 系統(tǒng)仿真系統(tǒng)仿真 9 4 14 1 分頻模塊仿真及分析分頻模塊仿真及分析 9 4 24 2 汽車尾燈主控模塊仿真及分析汽車尾燈主控模塊仿真及分析 10 4 34 3 左邊燈控制模塊仿真及分析左邊燈控制模塊仿真及分析 11 4 44 4 右邊燈控制模塊仿真及分析右邊燈控制模塊仿真及分析 12 4 54 5 整個系統(tǒng)仿真及分析整個系統(tǒng)仿真及分析 13 結(jié)束語結(jié)束語 15 指導(dǎo)老師意見指導(dǎo)老師意見 16 參考書目參考書目 16 1 1 引引 言言 隨著人們生活水平的提高 汽車的消費量越來越大 因為人們也越來越忙 不管是夜晚還是陰雨 大霧等天氣原因的影響 人們都開著車在縱橫交錯的馬 路上行駛 為了提高人們因夜晚或因天氣原因在縱橫交錯的馬路上駕駛的安全 系數(shù) 也是為了減少交通事故的發(fā)生 我們采用了先進的 EDA 技術(shù) Quartus 工作平臺和 VHDL 語言 設(shè)計了一種基于 FPGA 的汽車尾燈控制系統(tǒng) 并對系 統(tǒng)進行了仿真機驗證 這一控制電路 結(jié)構(gòu)簡單 性能穩(wěn)定 操作方便 抗干 擾能力強 將它應(yīng)用于現(xiàn)代汽車 不受黑夜或大霧 陰雨天氣因素的影響 可 以提高安全行駛 避免交通事故的發(fā)生 真正的讓消費者駕駛汽車的方便和安 全 1 1 設(shè)計的目的 其一 設(shè)計一個能適應(yīng)現(xiàn)代汽車智能化發(fā)展要求的汽車尾燈控制電路 改 善以前的汽車尾燈控制系統(tǒng) 降低汽車尾燈控制器的生產(chǎn)成本 其二 學(xué)好 VHDL 這門硬件描述語言 加深對 VHDL 語言知識的理解和掌握 提高學(xué)習(xí)能力 和創(chuàng)新能力 使自己適應(yīng)不斷發(fā)展的 21 世紀 1 2 設(shè)計的基本內(nèi)容 根據(jù)計算機中狀態(tài)機原理 利用 VHDL 設(shè)計汽車尾燈控制器的各個模塊 并 使用 EDA 工具對各模塊進行仿真驗證 汽車尾燈控制器的設(shè)計分為 4 個模塊 時鐘分頻模塊 汽車尾燈主控模塊 左邊燈控制模塊和右邊燈控制模塊 把各 個模塊整合后就形成了汽車尾燈控制器 通過輸入系統(tǒng)時鐘信號和相關(guān)的汽車 控制信號 汽車尾燈將正確顯示當前汽車的控制狀態(tài) 2 2 EDAEDA VHDLVHDL 簡介簡介 2 1 EDA 技術(shù) EDA 技術(shù)的概念 EDA 是電子設(shè)計自動化 Electronic Design Automation 的縮寫 在 20 世紀 90 年代初從計算機輔助設(shè)計 CAD 計算機輔助制造 CAM 計算機輔 助測試 CAT 和計算機輔助工程 CAE 的概念發(fā)展而來的 EDA 技術(shù)就是以 計算機為工具 設(shè)計者在 EDA 軟件平臺上 用硬件描述語言 HDL 完成設(shè)計文件 然后由計算機自動地完成邏輯編譯 化簡 分割 綜合 優(yōu)化 布局 布線和 仿真 直至對于特定目標芯片的適配編譯 邏輯映射和編程下載等工作 EDA 技術(shù)的特點 利用 EDA 技術(shù)進行電子系統(tǒng)的設(shè)計 具有以下幾個特點 用軟件的方式 設(shè)計硬件 用軟件方式設(shè)計的系統(tǒng)到硬件系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換是由有關(guān)的開發(fā)軟件自 動完成的 設(shè)計過程中可用有關(guān)軟件進行各種仿真 系統(tǒng)可現(xiàn)場編程 在線升級 整個系統(tǒng)可集成在一個芯片上 體積小 功耗低 可靠性高 因 此 EDA 技術(shù)是現(xiàn)代電子設(shè)計的發(fā)展趨勢 EDA 設(shè)計流程 典型的 EDA 設(shè)計流程如下 1 文本 原理圖編輯與修改 首先利用 EDA 工具的文本或圖形編輯器將設(shè) 計者的設(shè)計意圖用文本或圖形方式表達出來 2 編譯 完成設(shè)計描述后即可通過編譯器進行排錯編譯 變成特定的文本 格式 為下一步的綜合做準備 3 綜合 將軟件設(shè)計與硬件的可實現(xiàn)性掛鉤 是將軟件轉(zhuǎn)化為硬件電路 的關(guān)鍵步驟 4 行為仿真和功能仿真 利用產(chǎn)生的網(wǎng)表文件進行功能仿真 以便了解 設(shè)計描述與設(shè)計意圖的一致性 5 適配 利用 FPGA CPLD 布局布線適配器將綜合后的網(wǎng)表文件針對某一具 體的目標器件進行邏輯映射操作 其中包括底層器件配置 邏輯分割 邏輯優(yōu) 化 布局布線 適配報告指明了芯片內(nèi)資源的分配與利用 引腳鎖定 設(shè)計的 布爾方程描述情況 6 功能仿真和時序仿真 7 下載 如果以上的所有過程都沒有發(fā)現(xiàn)問題 就可以將適配器產(chǎn)生的 下載文件通過 FPGA CPLD 下載電纜載入目標芯片中 8 硬件仿真與測試 2 2 硬件描述語言 VHDL VHDL 簡介 VHDL Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language 主要用于描述數(shù)字系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 行為 功能和接口 除了含有許多具 有硬件特征的語句外 VHDL 的語言形式和描述風(fēng)格與句法是十分類似于一般的 計算機高級語言 VHDL 的程序結(jié)構(gòu)特點是將一項工程設(shè)計 或稱設(shè)計實體 可 以是一個元件 一個電路模塊或一個系統(tǒng) 分成外部 或稱可是部分 及端口 和內(nèi)部 或稱不可視部分 既涉及實體的內(nèi)部功能和算法完成部分 在對一個 設(shè)計實體定義了外部界面后 一旦其內(nèi)部開發(fā)完成后 其他的設(shè)計就可以直接 調(diào)用這個實體 這種將設(shè)計實體分成內(nèi)外部分的概念是 VHDL 系統(tǒng)設(shè)計的基本點 VHDL 語言的特點 1 用 VHDL 代碼而不是用原理圖進行設(shè)計 意味著整個電路板的模型及性能 可用計算機模擬進行驗證 2 VHDL 元件的設(shè)計與工藝無關(guān) 與工藝獨立 方便工藝轉(zhuǎn)換 3 VHDL 支持各種設(shè)計方法 自頂向下 自底向上或者混合的都可以 4 可以進行從系統(tǒng)級到邏輯級的描述 即混合描述 5 VHDL 區(qū)別于其他的 HDL 已形成標準 其代碼在不同的系統(tǒng)中可交換建模 3 3 汽車尾燈控制器的設(shè)計過程汽車尾燈控制器的設(shè)計過程 3 1 系統(tǒng)需求分析 根據(jù)現(xiàn)代交通規(guī)則 汽車尾燈控制器應(yīng)滿足以下基本要求 1 汽車正常使用是指示燈不亮 2 汽車右轉(zhuǎn)時 右側(cè)的一盞燈亮 3 汽車左轉(zhuǎn)時 左側(cè)的一盞燈亮 4 汽車剎車時 左右兩側(cè)的指示燈同時亮 5 汽車夜間行駛時 左右兩側(cè)的指示燈同時一直亮 供照明使用 3 2 汽車尾燈控制器的工作原理 汽車尾燈控制器就是一個狀態(tài)機的實例 當汽車正常行駛時所有指示燈都 不亮 當汽車向右轉(zhuǎn)彎時 汽車右側(cè)的指示燈 RD1 亮 當汽車向左側(cè)轉(zhuǎn)彎時 汽車左側(cè)的指示燈 LD1 亮 當汽車剎車時 汽車右側(cè)的指示燈 RD2 和汽車左側(cè) 的指示燈 LD2 同時亮 當汽車在夜間行駛時 汽車右側(cè)的指示燈 RD3 和汽車左 側(cè)的指示燈 LD3 同時一直亮 通過設(shè)置系統(tǒng)的輸入信號 系統(tǒng)時鐘信號 CLK 汽車左轉(zhuǎn)彎控制信號 LEFT 汽車右轉(zhuǎn)彎控制信號 RIGHT 剎車信號 BRAKE 夜 間行駛信號 NIGHT 和系統(tǒng)的輸出信號 汽車左側(cè) 3 盞指示燈 LD1 LD2 LD3 和 汽車右側(cè) 3 盞指示燈 RD1 RD2 RD3 實現(xiàn)以上功能 系統(tǒng)的整體組裝設(shè)計原理 如圖 3 1 a 以及系統(tǒng)設(shè)計整體框圖如圖 3 1 b 所示 圖 3 1 a 系統(tǒng)的整體組裝設(shè)計原理 3 3 各組成模塊原理及程序 汽車尾燈控制器有 4 個模塊組成 分別為 時鐘分頻模塊 汽車尾燈主控 模塊 左邊燈控制模塊和右邊燈控制模塊 以下介紹各模塊的詳細設(shè)計 時鐘分頻模塊 整個時鐘分頻模塊的工作框圖如圖 3 2 圖 3 2 時鐘分頻模塊工作框圖 圖 3 1 b 時鐘分頻模塊由 VHDL 程序來實現(xiàn) 下面是其中的一段 VHDL 代碼 ARCHITECTURE ART OF SZ IS SIGNAL COUNT STD LOGIC VECTOR 7 DOWNTO 0 BEGIN PROCESS CLK BEGIN IF CLK EVENT AND CLK 1 THEN COUNT COUNT 1 END IF END PROCESS CP COUNT 3 END ART 汽車尾燈主控模塊 汽車尾燈主控模塊工作框圖如圖 3 3 a 所示以及工作原理框圖 3 3 b LEFT LP RIGHT RP BRAKE LR NIGHT BRAKE LED NIGHT LED CTRL 圖 3 3 a 主控模塊工作框圖 圖 3 3 b 主控模塊工作原理框圖 數(shù)據(jù)入口 RIGHT 右轉(zhuǎn)信號 LEFT 左轉(zhuǎn)信號 BRAKE 剎車信號 NIGHT 夜間行駛信號 數(shù)據(jù)出口 LP 左側(cè)燈控制信號 RP 右側(cè)燈控制信號 LR 錯誤控制信號 BRAKE LED 剎車控制信號 NIGHT LED 夜間行駛控制信號 汽車尾燈主控模塊由 VHDL 程序來實現(xiàn) 下面是其中的一段 VHDL 代碼 ARCHITECTURE ART OF CTRL IS BEGIN NIGHT LED NIGHT BRAKE LEDLP 0 RP 0 LRLP 0 RP 1 LRLP 1 RP 0 LRLP 0 RP 0 LR 1 END CASE END PROCESS END ART 左邊燈控制模塊 左邊燈控制模塊的工作框圖如圖 3 4 a 所示以及工作原理框圖 3 4 b CLK LP LEDL LR LEDB BRRAKE LEDN NIGHT LC 圖 3 4 a 左邊燈控制模塊的工作框圖 圖 3 4 b 左邊燈控制模塊的工作原理框圖 數(shù)據(jù)入口 CLK 時鐘控制信號 LP 左側(cè)燈控制信號 LR 錯誤控制信號 BRAKE 剎車控制信號 NIGHT 夜間行駛控制信號 數(shù)據(jù)入口 LEDL 左側(cè) LD1 燈控制信號 LEDL 左側(cè) LD2 燈控制信號 LEDN 左側(cè) LD3 燈控制信號 左邊燈控制模塊由 VHDL 程序來實現(xiàn) 下面是其中的一段 VHDL 代碼 ARCHITECTURE ART OF LC IS BEGIN LEDB BRAKE LEDN NIGHT PROCESS CLK LP LR BEGIN IF CLK EVENT AND CLK 1 THEN IF LR 0 THEN IF LP 0 THEN LEDL 0 ELSE LEDL 1 END IF ELSE LEDL 0 END IF END IF END PROCESS END ART 右邊燈控制模塊 右邊燈控制模塊的工作框圖如圖 3 5 a 所示以及工作原理框圖 3 5 b CLK RP LEDR LR LEDB BRRAKE LEDN NIGHT RC 圖圖 3 5 a 右邊燈控制模塊的工作框圖 右邊燈控制模塊的工作框圖 圖 3 5 b 右邊燈控制模塊的工作原理框圖 數(shù)據(jù)入口 CLK 時鐘控制信號 RP 右側(cè)燈控制信號 LR 錯誤控制信號 BRAKE 剎車控制信號 NIGHT 夜間行駛控制信號 數(shù)據(jù)出口 LEDR 右側(cè) RD1 燈控制信號 LEDB 右側(cè) RD2 燈控制信號 LEDN 右側(cè) RD3 燈控制信號 右邊燈控制模塊由 VHDL 程序來實現(xiàn) 下面是其中的一段 VHDL 代碼 ARCHITECTURE ART OF RC IS BEGIN LEDB BRAKE LEDN NIGHT PROCESS CLK RP LR BEGIN IF CLK EVENT AND CLK 1 THEN IF LR 0 THEN IF RP 0 THEN LEDR 0 ELSE LEDR 1 END IF ELSE LEDR 0 END IF END IF END PROCESS END ART 4 4 系統(tǒng)仿真系統(tǒng)仿真 4 1 分頻模塊仿真及分析 分頻模塊由 VHDL 程序?qū)崿F(xiàn)后 其功能仿真如圖 4 1 a 所示已經(jīng)時序仿 真仿真圖如圖 4 1 b 所示 圖 4 1 a 分頻模塊功能仿真圖 圖 4 1 b 分頻模塊時序仿真圖 對其仿真圖進行仿真分析 如圖所示 首先生成一個 600ns 的時鐘脈沖 通 過時鐘分頻把 600ns 的脈沖分成一個 40ns 的脈沖 實現(xiàn)了信號同步 4 2 汽車尾燈主控模塊仿真及分析 汽車尾燈主控模塊由 VHDL 程序?qū)崿F(xiàn)后 其功能仿真圖如圖 4 2 a 所示以及 時序仿真如圖 4 2 b 所示 圖 4 2 a 主控模塊功能仿真圖 圖 4 2 b 主控模塊時序仿真圖 對時序仿真圖進行分析 RIGHT LEFT NIGHT BRAKE 為輸入信號 RIGHT 為 1 表示右轉(zhuǎn) LEFT 為 1 表示左轉(zhuǎn) NIGHT 為 1 表示夜間行路 BRAKE 為 1 表 示剎車 RP LP NIGHT LED BRAKE LED 為輸出信號 如圖所示 當 RIGHT 為 1 時 產(chǎn)生一個 RP 為 1 的信號脈沖輸出 當 LEFT 為 1 時 產(chǎn)生一個 LP 為 1 的信 號脈沖輸出 當 NIGHT 為 1 時 產(chǎn)生一個 NIGHT LED 為 1 的信號脈沖輸出 當 BRAKE 為 1 時 產(chǎn)生一個 BRAKE LED 為 1 的信號脈沖輸出 4 3 左邊燈控制模塊仿真及分析 左邊燈控制模塊由 VHDL 程序?qū)崿F(xiàn)后 其功能仿真圖如圖 4 3 a 所示以 及時序仿真如圖 4 3 b 所示 圖 4 3 a 左邊燈控制模塊功能仿真圖 圖 4 3 b 左邊燈控制模塊時序仿真圖 對時序仿真圖進行分析 LP LR NIGHT BRAKE 為輸入信號 LP 為 1 表示 左轉(zhuǎn) LR 為 1 表示右轉(zhuǎn) NIGHT 為 1 表示夜間行路 BRAKE 為 1 表示剎車 LEDL LEDB LEDN 為輸出信號 表示汽車左側(cè)的三盞燈 如圖所示 當 LP 為 1 時 LEDL 輸出為 1 表示左側(cè)燈亮 當 BRAKE 為 1 時 LEDB 輸出為 1 表示左側(cè)燈亮 當 NIGHT 為 1 時 LEDN 輸出為 1 表示左側(cè)燈亮 當 LR 為 1 時 左側(cè)三盞燈輸 出均為 0 即沒有燈亮 4 4 右邊燈控制模塊仿真及分析 右邊燈控制模塊由 VHDL 程序?qū)崿F(xiàn)后 其功能仿真圖如圖 4 4 a 所示以及 時序仿真如圖 4 4 b 所示 圖 4 4 a 右邊燈控制模塊功能仿真圖 圖 4 4 b 右邊燈控制模塊時序仿真圖 對時序仿真圖進行分析 RP LR NIGHT BRAKE 為輸入信號 LR 為 1 表示 左轉(zhuǎn) RP 為 1 表示右轉(zhuǎn) NIGHT 為 1 表示夜間行路 BRAKE 為 1 表示剎車 LEDR LEDB LEDN 為輸出信號 表示汽車右側(cè)的三盞燈 如圖所示 當 RP 為 1 時 LEDR 輸出為 1 表示右側(cè)燈亮 當 BRAKE 為 1 時 LEDB 輸出為 1 表示右側(cè)燈亮 當 NIGHT 為 1 時 LEDN 輸出為 1 表示右側(cè)燈亮 當 LR 為 1 時 右側(cè)三盞燈輸 出均為 0 即沒有燈亮 4 5 整個系統(tǒng)仿真及分析 按圖 3 1 組裝系統(tǒng)后的功能仿真如圖 4 5 a 所示以及時序仿真如圖 4 5 b 所示 圖 4 5 a 整個系統(tǒng)功能仿真圖 圖 4 5 b 整個系統(tǒng)時序仿真圖 對時序仿真圖進行分析 RIGHT LEFT NIGHT BRAKE 為輸入信號 RIGHT 為 1 表示右轉(zhuǎn) LEFT 為 1 表示左轉(zhuǎn) NIGHT 為 1 表示夜間行路 BRAKE 為 1 表示剎 車 RD1 RD2 RD3 為輸出信號 表示汽車右側(cè)的三盞燈 LD1 LD2 LD3 為輸出信 號 表示汽車左側(cè)的三盞燈 如圖所示 當 RIGHT 為 1 時 RD1 輸出為 1 表示 右側(cè)燈亮 當 LEFT 為 1 時 LD1 為輸出為 1 表示左側(cè)燈亮 當 NIGHT 為 1 時 LD2 RD2 輸出均為 1 表示左 右兩側(cè)各有一盞燈亮 當 BRAKE 為 1 時 LD3 RD3 輸出均為 1 表示左 右兩側(cè)各有一盞燈亮 各個模塊的功能 1 時鐘分頻模塊功能 這塊的功能是對左右兩邊的 LLED1 RLED1 的閃爍時間間 隔 以 CLK 為輸入信號 CP 為輸出信號 在程序中定義一個八位節(jié)點信號 COUNT 來放計數(shù)值 當 CLK 的上升沿到來時就開始計數(shù) 最后將 COUNT 3 給 CP 實現(xiàn)對 CLK 的八分頻 再將 CP 的電平信號分別和 LEDL LEDR 電平與 最 后用輸出的電平來控制汽車左右的 LLED1 RLED1 實現(xiàn)左右轉(zhuǎn)的指示功能 2 汽車尾燈主控模塊功能 該段程序用于對汽車尾燈進行整體控制 當輸入為 左轉(zhuǎn)信號時 輸出左側(cè)燈控制信號 當輸入為右轉(zhuǎn)信號時 輸出右側(cè)燈控制信 號 當同時輸入 LEFT 和 RIGHT 信號時 輸出錯誤控制信號 當輸入為剎車信 號時 輸出剎車控制信號 當輸入為夜間行駛信號時 輸出為夜間行駛控制信 號 3 左邊燈控制模塊作用 本程序用于控制左側(cè)燈的亮 滅和閃爍情況 當時鐘 上升沿信號和左側(cè)燈控制信號或剎車控制信號或夜間行駛信號同時出現(xiàn)時 左 側(cè)相應(yīng)的燈亮或出現(xiàn)閃爍 當錯誤控制信號出現(xiàn)時 LD1 燈不亮 4 右邊燈控制模塊作用 本描述用于控制右側(cè)燈的亮 滅和閃爍情況 當時鐘 上升沿信號和右側(cè)燈控制信號或剎車控制信號或夜間行駛信號同時出現(xiàn)時 右 側(cè)相應(yīng)的燈亮或出現(xiàn)閃爍 當錯誤控制信號出現(xiàn)時 RD1 燈不亮 拼腳引用 輸入 開關(guān)引腳 BRAKESW132 LEFTSW233 RIGHTSW336 BIGHTSW437 輸出 LEFTRIGHT LD1LD2LD3RD1RD2RD3 D112D111D110D103D102D101 313029201918 實驗現(xiàn)象 1 汽車尾部左右兩側(cè)各有多盞指示燈 2 汽車正常行駛時指示燈都不亮 3 汽車右轉(zhuǎn)彎時 右側(cè)的一盞指示燈亮 4 汽車左轉(zhuǎn)彎時 左側(cè)的一盞指示燈亮 5 汽車剎車時 左右兩側(cè)的一盞指示燈同時亮 6 汽車在夜間行駛時 左右兩側(cè)有指示燈同時一直亮 供照明使用 結(jié)束語結(jié)束語 通過本次課程設(shè)計 我們對 EDA 技