汽車尾燈課程設(shè)計VHDLEDA

1、目 錄1.引 言11.1設(shè)計的目的11.2設(shè)計的基本內(nèi)容11.3 EDA的介紹11.3.1 EDA技術(shù)的概念11.3.2 EDA技術(shù)的特點21.3.3 EDA設(shè)計流程21.4硬件描述語言（VHDL）21.4.1 VHDL的介紹21.4.2 VHDL語言的特點32.總體設(shè)計42.1需求分析42.2汽車尾燈控制器的工作原理42.3 汽車運行狀態(tài)表和總體框圖53.詳細(xì)設(shè)計63.1各組成模塊63.2時鐘分頻模塊63.3 汽車尾燈主控模塊63.4左邊燈控制模塊73.5右邊燈控制模塊94.系統(tǒng)仿真與調(diào)試104.1分頻模塊仿真及分析104.2汽車尾燈主控模塊仿真及分析104.3左邊燈控制模塊仿真及分析114

2、.4右邊燈控制模塊仿真及分析114.5整個系統(tǒng)仿真及分析124.6 總體設(shè)計電路圖12總結(jié)13參考文獻(xiàn)141.引 言 隨著社會的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)也在不斷的進步，狀態(tài)機的應(yīng)用越來越廣泛?，F(xiàn)代交通越來越擁擠，安全問題日益突出，在這種情況下汽車尾燈控制器的設(shè)計成為解決交通安全問題一種好的途徑。在本課程設(shè)計根據(jù)狀態(tài)機原理1實現(xiàn)了汽車尾燈常用控制。1.1設(shè)計的目的本次設(shè)計的目的就是通過實踐深入理解計算機組成原理，了解EDA技術(shù)2并掌握VHDL硬件描述語言的設(shè)計方法和思想。以計算機組成原理為指導(dǎo)，通過學(xué)習(xí)的VHDL語言結(jié)合電子電路的設(shè)計知識理論聯(lián)系實際，掌握所學(xué)的課程知識和基本單元電路的綜合設(shè)計應(yīng)用。通過對

3、實用汽車尾燈控制器3的設(shè)計，鞏固和綜合運用所學(xué)知識，提高IC設(shè)計能力，提高分析、解決計算機技術(shù)實際問題的獨立工作能力。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(dāng)前汽車的控制狀態(tài)。1.3 EDA的介紹 1.3.1 EDA技術(shù)的概念EDA是電子設(shè)計自動化（Electronic Design Automation）的縮寫

4、，在20世紀(jì)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(biāo)芯片的適配編譯、邏輯映射和編程下載等工作。1.3.2 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

5、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。1.3.3 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(dá)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(zhǔn)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

6、某一具體的目標(biāo)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(biāo)芯片中。 8、 硬件仿真與測試。1.4硬件描述語言（VHDL）1.4.1 VHDL的介紹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

7、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1.4.2 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.V

8、HDL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(biāo)準(zhǔn)，其代碼在不同的系統(tǒng)中可交換建模。2.總體設(shè)計2.1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 2.2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(dāng)汽車正常行駛時所有指示燈都不亮；當(dāng)汽車向右轉(zhuǎn)彎時，汽車右側(cè)的指示燈RD1亮；當(dāng)汽車

9、向左側(cè)轉(zhuǎn)彎時，汽車左側(cè)的指示燈LD1亮；當(dāng)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(dāng)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所示。圖2.3整體組裝設(shè)計原理2.3 汽車運行狀態(tài)表和總體框圖汽車尾燈和汽車運行狀態(tài)表如表1所示。汽車尾燈和汽車運行狀態(tài)表1

10、-1開關(guān)控制汽車運行狀態(tài)右轉(zhuǎn)尾燈左轉(zhuǎn)尾燈S0 S1 S2R1 R2R3L1L2L30 0 0正常運行燈滅燈滅0 0 1左轉(zhuǎn)彎燈滅按L1L2L3順序循環(huán)點亮0 1 0右轉(zhuǎn)彎按R1R2R3順序循環(huán)點亮燈滅0 1 1臨時剎車/檢測所有尾燈同時點亮1 0 0倒車所有尾燈按照轉(zhuǎn)彎次序點亮1 0 1晚上行車時R3 ，L3一直點亮汽車尾燈控制電路設(shè)計總體框圖如圖1所示：開關(guān)控制電路譯碼電路74138顯示驅(qū)動電路記數(shù)電路74161R1R2R3 L1L2L3脈沖產(chǎn)生電路555圖1 汽車尾燈控制電路設(shè)計總體框圖3.詳細(xì)設(shè)計3.1各組成模塊 實現(xiàn)的主要功能是通過開關(guān)控制從而實現(xiàn)汽車尾燈的點亮方式。汽車尾燈控制器有4

11、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(xì)設(shè)計。3.2時鐘分頻模塊整個時鐘分頻模塊的工作框圖如圖3.2所示。CLK CPSZ圖3.2時鐘分頻模塊工作框圖時鐘分頻模塊由VHDL程序來實現(xiàn)，下面是其中的一段VHDL代碼：ARCHITECTURE ART OF SZ ISSIGNAL COUNT:STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);BEGINPROCESS(CLK) BEGIN IF CLK'EVENT AND CLK = '1'THEN COUNT <= COUNT + 1; END

12、IF; END PROCESS; CP<= COUNT(3);END ART;3.3 汽車尾燈主控模塊汽車尾燈主控模塊工作框圖如圖3.3所示LEFT LPRIGHT RPBRAKE LRNIGHT BRAKE_LED NIGHT_LEDCTRL 圖3.3 主控模塊工作框圖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 ISBEGIN NIGHT_LED<=NIGHT; BRAKE_LED<=BAKE; PROCESS(LEFT,RIGHT) VARIABLE TEMP:STD_LOGIC_VECTOR(1

13、DOWNTO 0); BEGIN TEMP:=LEFT & RIGHT; CASE TEMP IS WHEN "00" =>LP<='0'RP<='0'LR<='0' WHEN "01" =>LP<='0'RP<='1'LR<='0' WHEN "10" =>LP<='1'RP<='0'LR<='0' WHEN O

14、THERS=>LP<='0'RP<='0'LR<='1' END CASE; END PROCESS;END ART;3.4左邊燈控制模塊 左邊燈控制模塊的工作框圖如圖3.4所示。CLK LP LEDLLR LEDBBRRAKE LEDNNIGHT LC圖3.4左邊燈控制模塊的工作框圖左邊燈控制模塊由VHDL程序來實現(xiàn)，下面是其中的一段VHDL代碼：ARCHITECTURE ART OF LC ISBEGIN LEDB<=BRAKE; LEDN<=NIGHT;PROCESS(CLK,LP,LR)BEGIN IF

15、 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;3.5右邊燈控制模塊右邊燈控制模塊的工作框圖如圖3.5所示CLK RP LEDRLR LEDBBRRAKE LEDNNIGHT RC圖3.5 右邊燈控制模塊的工作框圖右邊燈控制模塊由V

16、HDL程序來實現(xiàn)，下面是其中的一段VHDL代碼：ARCHITECTURE ART OF RC ISBEGIN 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; E

17、ND IF; END PROCESS;END ART;4.系統(tǒng)仿真與調(diào)試4.1分頻模塊仿真及分析分頻模塊由VHDL程序?qū)崿F(xiàn)后，其仿真圖如圖4.1所示圖4.1 分頻模塊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，其仿真圖如圖4.2所示。圖4.2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

18、示剎車。RP,LP,NIGHT_LED,BRAKE_LED為輸出信號。如圖所示：當(dāng)RIGHT為1時，產(chǎn)生一個RP為1的信號脈沖輸出，當(dāng)LEFT為1時，產(chǎn)生一個LP為1的信號脈沖輸出，當(dāng)NIGHT為1時，產(chǎn)生一個NIGHT_LED為1的信號脈沖輸出。當(dāng)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，其仿真圖如下圖4.3所示。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

19、號,表示汽車左側(cè)的三盞燈。如圖所示：當(dāng)LP為1時，LEDL輸出為1表示左側(cè)燈亮，當(dāng)BRAKE為1時，LEDB輸出為1表示左側(cè)燈亮，當(dāng)NIGHT為1時，LEDN輸出為1表示左側(cè)燈亮。當(dāng)LR為1時，左側(cè)三盞燈輸出均為0。即沒有燈亮。圖4.3左邊燈控制模塊時序仿真圖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，其仿真圖如圖4.4所示。圖4.4 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

20、燈。如圖所示：當(dāng)RP為1時，LEDR輸出為1表示右側(cè)燈亮，當(dāng)BRAKE為1時，LEDB輸出為1表示右側(cè)燈亮，當(dāng)NIGHT為1時，LEDN輸出為1表示右側(cè)燈亮。當(dāng)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2.3組裝系統(tǒng)后的仿真圖如下圖4.5所示。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(dāng)RIGHT為1時，RD1輸出為1表示右側(cè)燈亮，當(dāng)LEFT為1時，LD1為輸出為1表示左側(cè)燈亮，當(dāng)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(dāng)BRAKE為1時，LD3,RD3輸出均為1，表示左，右兩側(cè)各有一盞燈亮。圖4.5 整個系統(tǒng)仿真圖4.6 總體設(shè)計電路圖圖4.6總體設(shè)計電路圖總結(jié)通過兩星期的緊張工作，最后完成了我的