EDA实习：汽车尾灯的控制.doc

EDAEDA 实习 汽车尾灯的设计实习 汽车尾灯的设计 所属课程 所属课程 EDAEDA 技术实用教程技术实用教程 实习题目 实习题目 汽车尾灯的设计汽车尾灯的设计 专业班级 专业班级 组组 别 别 组组 员 员 指导教师 指导教师 北华大学电气信息工程学院北华大学电气信息工程学院 摘要 I 摘摘 要要 本文主要介绍了基于可编程逻辑器件的汽车尾灯控制器的设计方法与实现过 程 系统设计以 QUARTUSII 为开发平台 采用自顶向下的设计方法 运用硬件描 述语言 VHDL 实现了汽车尾灯控制器的主体功能模块电路的编写 并把所设计的 内容下载到汽车尾灯控制器的硬件载体上进行相应的功能测试 顺利实现了汽车 尾灯功能控制 关键字关键字 可编程逻辑器件 汽车尾灯控制器 QUARTUSII VHDL 目录 II 目 录 摘 要 I 目 录 II 第 1 章 选题依据 1 1 1 汽车尾灯的国内外发展现状 1 1 2 可编程器件的发展 2 1 3 可编程器件在汽车电子上的运用 3 1 4 设计内容和目标 4 1 5 方案论证与选择 5 1 6 EDA 设计流程 8 第 2 章 EDA VHDL 简介 9 2 1 EDA 技术 9 2 1 1 EDA 技术的概念 9 2 1 2 EDA 技术的特点 9 2 1 3 EDA 设计流程 9 2 2 硬件描述语言 VHDL 10 2 2 1 VHDL 简介 10 2 2 2 VHDL 语言的特点 10 第 3 章 设计实现 12 3 1 汽车尾灯控制器总程序 12 3 2 功能框图 16 3 3QUARTUS 软件调试 17 结束语 18 致 谢 19 参考文献 20 第 1 章 选题依据 1 第第 1 1 章章 选题依据选题依据 1 11 1 汽车尾灯的国内外发展现状汽车尾灯的国内外发展现状 如今的时代 万物日新月异 在汽车领域中 这种变化也同样存在 现在 汽车不仅仅是主要的代步工具之一 同时也是时尚和潮流的最好的体现 汽车尾 灯是汽车的语言 更加灵敏的灯光信号可以更好的被人 读懂 更有效地对其 他车辆的司机起到提醒作用 及时采取相应的规避动作 从而让驾驶更安全 同 时尾灯更广泛的应用于科研项目 汽车尾灯在汽车信号灯具中占据重要地位 因 为它们发出的信号显示汽车行驶状态和行驶轨迹即将发生变化 对汽车安全行驶 肩负重要使命 近年来 汽车外形由于设计上的需要 空气动力特性的提高以及 美观的需求 低侧面且流线型的外形越来越受欢迎 因此 尾灯的形状也朝着异 型化 一体化方向发展 同时由于尾灯占用了汽车后车厢的体积 因此希望尾灯 的前后深度 即厚度 尽量薄 这样设计上就需要将转向灯 刹车灯 侧车灯 倒 车灯等各种灯具与车体融为一体 开发成一套组合灯具 因此对汽车尾灯反射镜 的形状及采用的材料提出了更高的要求 在国外 Lumileds Lighting 公司这个月宣布的新 Luxeon R III 高性能 LEDs 都能通过单一 LED 提供稳定的驱动给汽车尾灯 从而达到转换变后车灯的性能效 果 由于光学和包装成本的降低 新 190 流明橙红灯 III 发光器可以用于建立更 小型的寿命更长的后车灯照明系统 价格比正常的白炽装置的更具竞争性 超越 美国交通运输部 FMVSS 标准 欧洲 ECE 标准和日本工业标准 JIS 铺下了奠基石 这种新尾灯模跟飞利浦汽车照明公司的产品相似 对单一化 LED 照明设计有着重 要意义同时加速了各汽车制造商对 LED 照明解决方案的采用 第 1 章 选题依据 2 1 21 2 可编程器件的发展可编程器件的发展 PLD programmable logic device 可编程逻辑器件 PLD 是作为一种 通用集成电路生产的 它的逻辑功能按照用户对器件编程 决定 一般的 PLD 的集成度很高 足以满足设计一般的数字系统的需要 这样就可以由设计人员 自行编程而把一个数字系统 集成 在一片 PLD 上 而不必去请芯片制造厂 商设计和制作专用的集成电路芯片了 早期的可编程逻辑器件只有可编程只读存贮器 PROM 紫外线可按除只 读存贮器 EPROM 和电可擦除只读存贮器 EEPROM 三种 由于结构的限制 它 们只能完成简单的数字逻辑功能 其后 出现了一类结构上稍复杂的可编程芯片 即可编程逻辑器件 它能 够完成各种数字逻辑功能 典型的 PLD 由一个 与 门和一个 或 门阵列 组成 而任意一个组合逻辑都可以用 与 或 表达式来描述 所以 PLD 能以乘积和的形式完成大量的组合逻辑功能 这一阶段的产品主要有 PAL 和 GAL PAL 由一个可编程的 与 平面和一个固定的 或 平面构成 或门 的输出可以通过触发器有选择地被置为寄存状态 PAL 器件是现场可编程的 它的实现工艺有反熔丝技术 EPROM 技术和 EEPROM 技术 还有一类结构更为 灵活的逻辑器件 就是可编程逻辑阵列 PLA 它也由一个 与 平面和一个 或 平面构成 但是这两个平面的连接关系是可编程的 PLA 器件既有现 场可编程的 也有掩膜可编程的 在PAL 的基础上 又发展了一种通用阵列 逻辑 GAL 如 GAL16V8 GAL22V10 等 它采用了 EEPROM 工艺 实现了电可 按除 电可改写 其输出结构是可编程的逻辑宏单元 因而它的设计具有很强 的灵活性 至今仍有许多人使用 这些早期的PLD 器件的一个共同特点是可 以实现速度特性较好的逻辑功能 但其过于简单的结构也使它们只能实现规模 较小的电路 为了弥补这一缺陷 20 世纪 80 年代中期 Altera 和 Xilinx 分别推出了类似于 PAL 结构的扩展型 CPLD 和与标准门阵列类似的 FPGA 它 们都具有体系结构和逻辑单元灵活 集成度高以及适用范围宽等特点 这两种 器件兼容了 PLD 和通用门阵列的优点 可实现较大规模的电路 编程也很灵活 第 1 章 选题依据 3 与门阵列等其它 ASIC 相比 它们又具有设计开发周期短 设计制造成本低 开发工具先进 标准产品无需测试 质量稳定以及可实时在线检验等优点 因此被广泛应用于产品的原型设计和产品生产 一般在 10 000 件以下 之中 几乎所有应用门阵列 PLD 和中小规模通用数字集成电路的场合均可应用 FPGA 和 CPLD 器件 1 31 3 可编程器件在汽车电子上的运用可编程器件在汽车电子上的运用 在过去的 3 到 4 年中 PLD 在汽车领域得到了空前的发展 PLD 已经在汽车 信息娱乐和通信市场上得到了广泛应用 新兴的汽车辅助驾驶设计也采用了 PLD 在这一领域中 某些应用发展非常迅速 包括道路偏离报警 夜视和胎压 监控系统等 在今后 5 年中 预计 PLD 的增长至少为 50 CAGR PLD 凭借其较低 的成本结构和较高的系统性能 进入了主流汽车市场 与 SAAP 解决方案不同 PLD 所具有的灵活性在汽车行业中受到普遍欢迎 PLD 具有较低的芯片成本结构 丰富的知识产权 IP 内核 参考设计以及较长的产品在市时间 而且 PLD 不存 在 ASIC 那样的前端流片 NRE 成本以及最小订购量的问题 是系统设计成本效 益的选择 所以 PLD 是汽车市场发展的理想选择 第 1 章 选题依据 4 1 41 4 设计内容和目标设计内容和目标 EDA 技术作为现代电子设计技术的核心 它依赖功能强大的计算机 所以本 次设计的目的就是通过实践深入理解计算机组成原理 了解 EDA 技术并掌握 VHDL 硬件描述语言的设计方法和思想 以计算机组成原理为指导 通过学习的 VHDL 语言结合电子电路的设计知识理论联系本次的实习内容 汽车尾灯控制器的设计 掌握所学的课程知识和基本单元电路的综合设计应用 提高 IC 设计能力 提高 分析 解决计算机技术实际问题的独立工作能力 通过输入系统时钟信号和相关 的汽车控制信号 汽车尾灯将正确显示当前汽车的控制状态 1 汽车正常行驶 任何开关都没按 时 所有灯都不亮 2 汽车左转 按下左转开关 时 左转灯 light1 灯 闪烁的亮 3 汽车右转 按下右转开关 时 右转灯 light2 灯 闪烁的亮 4 汽车刹车 按下刹车开关 时 刹车灯 light3 一直亮 5 汽车晚上行驶 按下晚上行驶开关 时 晚上照明灯 light4 一直亮 第 1 章 选题依据 5 1 5 方案论证与选择方案论证与选择 随着电子技术的日新月异和科学技术的相辅相成 如实现汽车尾灯控制器的 方案主要有基于纯数字电路设计 基于单片机设计和基于可编程逻辑器件设计三 种 下面将从技术可行性和经济上阐述这三种方案 纯数字电路的设计纯数字电路的设计 图 1 1 纯数字电路总电路图 基于纯数字电路实现汽车尾灯控制器的原理图如图 1 1 所示 它主要由计数 器芯片 集成 555 定时器和基本逻辑门电路 控制开关等构成 但是纯数字电路设计汽车尾灯系统布线复杂 体积 功耗大 可靠性差 交 流和修改不方便 设计周期长 所以传统的设计开发过程 调试过程十分繁锁 而且由于电子器件之间的互相干扰 电路的稳定性和可移植性比较差 也由于其 体积较大 性价比不高 已不适应电子设计的发展要求 第 1 章 选题依据 6 基于单片机设计汽车尾灯控制基于单片机设计汽车尾灯控制 图 1 2 单片机设计框架图 单片机的设计实现汽车尾灯控制的总框架图如图 1 2 所示 单片机的优缺点 单片机设计有群众基础 易上手 片源广 其突出的特点是体积小 功耗低 精简指令集 抗干扰性好 可靠性高 有较强的模拟接口 代码保密性好 在一 些小型的应用中 比传统的 51 单片机更加灵活 外围电路更少 因而得到了广 泛的应用 而且大部分芯片有其兼容的 FLASH 程序存储器的芯片 支持低电压擦 写 擦写速度快 允许多次擦写 程序修改方便 它的特点是 速度快 CPU 处理 能力强 能移植操作系统 但是单片机设计只适合民用 商用 不适合工业用途 原因有以下几点 1 低速 单片机靠执行指令来完成各种功能 不论多高的工作时钟频率 或多么好的指令时序 其排队式串行指令执行方式使得工作速度和效率大打折扣 在高速实时仿真 高速数据采集等方面显得力不从心 2 复位工作方式 单片机工作之初 需花一段时间经历复位过程 工作 时 在某种干扰性突变情况下 也会复位 复杂的复位过程很可能就是工作不可 靠的根源 3 稳定性不好 第 1 章 选题依据 7 基于可编程逻辑器件的设计基于可编程逻辑器件的设计 图 1 3 总框架图 基于可编程逻辑器件实现汽车尾灯控制器的总框架图如图 1 3 所示 CPLD 器 件输入引脚的箝位电平和输出引脚的原始电平可预先设定 一开机立即就能达到 预定电平 状态明确 各逻辑宏单元或逻辑块的输入信号仅需几 ns 几十 ns 就 反映到输出端 信号传输效率很高 适合高速采样等场合 可编程逻辑宏单元或逻辑块之间的相互连线在同一封装内 受外界干扰影响 小 电磁兼容 EMC 性能好 然而 对设计者来说 CPLD 器件最大的优点在于可 现场编程 改变逻辑关系时 无需更改外部线路板 只需用图形语言程序或硬件 描述语言程序来改变电路 生成下载编辑软件 通过下载电缆输入 CPLD 器件即 可 所以设计成功的各类逻辑功能块有很好的兼容性和可移植性 此外还特别有 利于新品试制 大大缩短了开发周期 大幅度减少设计费用 降低设计风险 汽车尾灯控制器要求高速 高灵敏度和高可靠性 而可编程逻辑器件 CPLD 不但具有高速 高灵敏度和高可靠而且还具有应用灵活编程方便等优点 在性价比方面可编程逻辑器件也有很大的优势 这样不但提高汽车的灵敏读和可 靠性 还降低了汽车尾灯的生产成本 汽车的行驶安全性也进一步提高 综上所述 对比以上三种方案 方案一稳定性和可移植性比较差 方案二工 作速度底和可靠行差 而方案三不但稳定行和移植行好而且还有高速 高灵敏度 第 1 章 选题依据 8 和高可靠性等特点 而且制作成本低 运用灵活 最终本次设计选择方案三 1 6 EDA 设计流程设计流程 1 文本 原理图编辑与修改 利用 EDA 工具的文本或图形编辑器将设计者的设 计意图用文本或图形方式表达出来 图形输入通常包括原理图输入 状态图输入 和波形图输入三种常用方法 2 编译 完成设计描述后即可通过编译器进行排错编译 变成特定的文本 格式 为下一步的综合做准备 3 综合 将软件设计与硬件的可实现性挂钩 是将软件转化为硬件电路的 关键步骤 综合仅是对 HDL 而言的 4 适配 利用 FPGA CPLD 布局布线适配器将综合后的网表文件针对某一具 体的目标器件进行逻辑映射操作 其中包括底层器件配置 逻辑分割 逻辑优化 布局布线 适配报告指明了芯片内资源的分配与利用 引脚锁定 设计的布尔方 程描述情况 5 功能仿真和时序仿真 在编程下载前必须利用 EDA 工具对适配生成的结 果进行模拟测试 就是所谓的仿真 6 编程下载 把适配后生成的下载或配置文件 通过编程器或编程电缆向 FPGA 或 CPLD 下载以便进行调试和验证 7 硬件测试 第 2 章 EDA VHDL 简介 9 第第 2 2 章章 EDAEDA VHDLVHDL 简介简介 2 12 1 EDAEDA 技术技术 2 1 12 1 1 EDAEDA 技术的概念技术的概念 EDA 是电子设计自动化 Electronic Design Automation 的缩写 在 20 世 纪 90 年代初从计算机辅助设计 CAD 计算机辅助制造 CAM 计算机辅助 测试 CAT 和计算机辅助工程 CAE 的概念发展而来的 EDA 技术就是以计算 机为工具 设计者在 EDA 软件平台上 用硬件描述语言 HDL 完成设计文件 然后 由计算机自动地完成逻辑编译 化简 分割 综合 优化 布局 布线和仿真 直至对于特定目标芯片的适配编译 逻辑映射和编程下载等工作 2 1 22 1 2 EDAEDA 技术的特点技术的特点 利用 EDA 技术进行电子系统的设计 具有以下几个特点 用软件的方式 设计硬件 用软件方式设计的系统到硬件系统的转换是由有关的开发软件自 动完成的 设计过程中可用有关软件进行各种仿真 系统可现场编程 在 线升级 整个系统可集成在一个芯片上 体积小 功耗低 可靠性高 因此 EDA 技术是现代电子设计的发展趋势 2 1 32 1 3 EDAEDA 设计流程设计流程 典型的 EDA 设计流程如下 1 文本 原理图编辑与修改 首先利用 EDA 工具的文本或图形编辑器将设计 者的设计意图用文本或图形方式表达出来 2 编译 完成设计描述后即可通过编译器进行排错编译 变成特定的文本 格式 为下一步的综合做准备 3 综合 将软件设计与硬件的可实现性挂钩 是将软件转化为硬件电路的 第 2 章 EDA VHDL 简介 10 关键步骤 4 行为仿真和功能仿真 利用产生的网表文件进行功能仿真 以便了解设 计描述与设计意图的一致性 5 适配 利用 FPGA CPLD 布局布线适配器将综合后的网表文件针对某一具 体的目标器件进行逻辑映射操作 其中包括底层器件配置 逻辑分割 逻辑优化 布局布线 适配报告指明了芯片内资源的分配与利用 引脚锁定 设计的布尔方 程描述情况 6 功能仿真和时序仿真 7 下载 如果以上的所有过程都没有发现问题 就可以将适配器产生的下 载文件通过 FPGA CPLD 下载电缆载入目标芯片中 8 硬件仿真与测试 2 22 2 硬件描述语言 硬件描述语言 VHDLVHDL 2 2 12 2 1 VHDLVHDL 简介简介 VHDL Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language 主要用于描述数字系统的结构 行为 功能和接口 除了含有许多具 有硬件特征的语句外 VHDL 的语言形式和描述风格与句法是十分类似于一般的计 算机高级语言 VHDL 的程序结构特点是将一项工程设计 或称设计实体 可以是 一个元件 一个电路模块或一个系统 分成外部 或称可是部分 及端口 和内部 或称不可视部分 既涉及实体的内部功能和算法完成部分 在对一个设计实 体定义了外部界面后 一旦其内部开发完成后 其他的设计就可以直接调用这个 实体 这种将设计实体分成内外部分的概念是 VHDL 系统设计的基本点 2 2 22 2 2 VHDLVHDL 语言的特点语言的特点 1 用 VHDL 代码而不是用原理图进行设计 意味着整个电路板的模型及性能 可用计算机模拟进行验证 2 VHDL 元件的设计与工艺无关 与工艺独立 方便工艺转换 第 2 章 EDA VHDL 简介 11 3 VHDL 支持各种设计方法 自顶向下 自底向上或者混合的都可以 4 可以进行从系统级到逻辑级的描述 即混合描述 5 VHDL 区别于其他的 HDL 已形成标准 其代码在不同的系统中可交换建模 汽车尾灯的设计 12 第第 3 3 章章 设计实现设计实现 基于可编程的汽车尾灯控制器由 2 个模块组成 分别为 时钟分频模块 汽 车尾灯主控模块 以下介绍各模块的详细设计 3 13 1 汽车尾灯控制器总程序 本次实习设计的是汽车尾灯 以下是本次设计的主要程序 Library ieee Use ieee std logic 1164 all Use ieee std logic unsigned all ENTITY WEIDENG IS PORT CLK IN STD LOGIC L IN STD LOGIC R IN STD LOGIC Y IN STD LOGIC S IN STD LOGIC light1 OUT std logic vector 2 downto 0 light2 OUT std logic vector 2 downto 0 light3 OUT std logic vector 2 downto 0 light4 OUT std logic vector 2 downto 0 end ARCHITECTURE ART OF WEIDENG IS signal cnt1 std logic vector 27 downto 0 signal nclk std logic signal cnt std logic vector 1 downto 0 begin process clk 汽车尾灯的设计 13 begin if clk EVENT AND clk 1 then cnt1 cnt1 1 if cnt1 x 2faf080 then cnt1 x 0000000 nclk 1 else nclk 0 end if end if end process process nclk begin if nclk event and nclk 1 then cnt cnt 1 if cnt 10 then cntlight1light1light1NULL END CASE ELSE IF L 0 THEN 汽车尾灯的设计 14 CASE CNT IS when 00 light1light1light1NULL END CASE END IF end if IF S 1 THEN CASE CNT IS when 00 light4light4light4NULL END CASE ELSE IF S 0 THEN CASE CNT IS when 00 light4light4light4NULL END CASE end if END IF IF Y 1 THEN CASE CNT IS when 00 light3light3light3NULL 汽车尾灯的设计 15 END CASE ELSE IF Y 0 THEN CASE CNT IS when 00 light3light3light3NULL END CASE end if END IF IF R 1 THEN CASE CNT IS when 00 light2light2light2NULL END CASE ELSE IF R 0 THEN CASE CNT IS when 00 light2light2light2NULL END CASE end if END IF END IF END PROCESS 汽车尾灯的设计 16 END ART L R S Y 分别代表左转 右转 刹车 夜间行驶 输入都为高电平有效 light1 light2 light3 light4 分别是左转弯 右转弯 刹车 夜间行驶的指示 灯 当输入为高电平时 各指示灯分别循环闪烁 低电平时各指示灯全灭 L R S Y 都是利用简单的 IF 语句来进行编译的 因此汽车才能同时出现夜间 照明 刹车 左转或右转的功能 而不能同时出现左转和右转的功能 3 2 功能框图功能框图 根据设计项目要求和电路原理框图可以画出汽车尾灯控制逻辑功能表如下所示 6 个指示灯6 个指示灯 L RS YL1 L2L3 L4 0 00 00 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 1 01 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 10 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 汽车尾灯的设计 17 3 3Quartus3 3Quartus 软件调试软件调试 首先是在桌面打开 Quartus 软件后选择 File New Project Wizard 进入新 建工程对话框 单击 Next 进入新建工程路径 名称 顶层实体指定对话框 选 择好保存路径 输入工程名为 weideng 由于只是进行功能和时序仿真 所以直 接单击 Finish 即可 其次是建立 VHDL 程序文件 选择 File New 打开新建文件 对话框 选择 VHDL File 即可 最后是输入汽车尾灯控制电路程序代码 保存 对 该工程文件进行全程编译处理 如果在编译的过程中发现有错误 则找出并更正 错误 直至编译成功为止 结束语 18 结束语结束语 通过几天的对设计汽车尾灯控制电路的实习 我们 贾媛媛 何俊辉 焦阳 参考了 EDA 课程 以及关于 VHDL 语言的许多资料以及相互之间的交流而完成了 本次的实习 刚接到汽车尾灯的控制电路的设计这个题目的时候 大家刚开始有 点分歧 但是证明实践是消除分歧的最好方法 大家统一思想以后 遇到了许多想不到的问题 遇到问题不可怕 关键是要 有一个解决问题的信念 我们积极跟老师沟通 跟同学交流 最终我们完成了本 次实习 实习中我们知道光掌握书本上的知识是不够的 所有的知识都是服务于 动手能力的 知识和时间结合才是衡量能力的最好方法 在设计中要求我们要有耐心和毅力 还要细心 稍不谨慎 一个小小的错误 就会导致结果的不正确 二对错误的检查要求我们要有足够的耐心 通过这次设 计和设计在遇到的问题 我们也