汽车尾灯控制器.doc

1 摘 要 本课程设计根据计算机中状态机原理，采用 EDA 技术设计了简易的汽车尾 灯控制器。系统设计采用自顶向下的设计方法，顶层设计采用原理图设计方式， 它由时钟分频模块、汽车尾灯主控模块，左边灯控制模块和右边灯控制模块四 部分组成。系统实现采用硬件描述语言 VHDL 把系统电路按模块化方式进行设计， 然后进行编译、时序仿真等。本文详细地介绍了整个设计流程。 关键字 EDA；汽车尾灯控制器；时钟分频 2 目 录 摘摘 要要.1 关键字 .1 1 1 引引 言言 .3 2 2 汽车尾灯的介绍汽车尾灯的介绍 .3 3 3 目的和基本内容目的和基本内容 .3 3.1 设计的目的 .4 3.2 设计的基本内容 .4 4 4 汽车尾灯控制器的设计过程汽车尾灯控制器的设计过程 .4 4.1 系统设计指标 .4 4.2 汽车尾灯控制器的工作原理 .4 4.3 各组成模块原理及程序 .5 4.3.1 时钟分频模块.5 4.3.2 汽车尾灯主控模块 .6 4.3.3 左边灯控制模块.6 4.3.4 右边灯控制模块.7 5 5 系统仿真系统仿真 .8 5.1 分频模块仿真及分析 .8 5.2 汽车尾灯主控模块仿真及分析 .8 5.3 左边灯控制模块仿真及分析 .9 5.4 右边灯控制模块仿真及分析 .10 5.5 整个系统仿真及分析 .10 结束语结束语.12 致谢致谢.13 参考文献参考文献.14 附录附录.15 1 主控模块 .15 2 时钟分频模块 .15 3 右边灯控制模块 .16 4 左边灯控制模块 .16 3 1 引 言 随着社会的发展，科学技术也在不断的进步，状态机的应用越来越广泛。 现代交通越来越拥挤，安全问题日益突出，在这种情况下汽车尾灯控制器的设 计成为解决交通安全问题一种好的途径。周志召负责资料的搜集和整合，王宇 翔负责程序的审核和仿真，陈林负责论文的编辑和答辩。 2 汽车尾灯的介绍 汽车尾灯，包括汽车尾部中的灯具和灯泡。其中，灯具的作用之一就是把 灯泡发出来的光进行聚合再发射出去，从而达到增强灯泡发出来的光的亮度和 射程；作用之二就是通过灯具的颜色改变灯泡发光颜色。灯泡目前主要有三种， 一种是卤素汽车灯泡，一种是 HID 汽车灯泡，还有就是新兴的 LED 汽车灯泡。 总的来说，整个汽车尾灯的设计涉及到光学、材料学、结构学等学科，如何能 够最大发挥出光效的同时兼顾不同的形状、线条，与汽车的完美结合，都在考 验设计师的能力。 汽车尾灯包含转向灯、刹车灯、位置灯、后雾灯、倒车灯、停车灯。其中， 有些车型把刹车灯和位置灯组合在一起，做成的灯泡是双丝的，如 P21/5W 的灯 泡，当处于刹车灯状态时功率是 21W，处于位置灯状态时功率是 5W。后雾灯和 倒车灯是这样分布的：左雾灯，右倒车灯，也就是说是单雾灯单倒车灯。转向 灯和刹车灯是对称的，左右各一个。 随着 led 技术的进步，汽车中越来越多的部位灯开始使用由 led 做成的灯 泡了。由于 led 材料环保节能、高效长寿、发光颜色纯等优势，必将会完全取 代卤素灯泡。led 车灯已成为一种潮流时尚趋势，如奥迪、宝马等著名品牌汽 车制造商已经广泛使用 led 汽车灯泡。 汽车尾灯灯泡中，转向灯灯泡一般使用 P21W 底座;刹车灯灯泡底座一般使 用 P21/5W；位置灯与停车灯灯泡底座一般使用 T4W 或 W5W；后雾灯与倒车灯灯 泡底座一般使用 W16W 或 P21W。 3 目的和基本内容 3.1 设计的目的 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 4 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实际，掌握所学的课程知识和 基本单元电路的综合设计应用。通过对实用汽车尾灯控制器的设计，巩固和综 合运用所学知识，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。 3.2 设计的基本内容 根据计算机中状态机原理，利用 VHDL 设计汽车尾灯控制器的各个模块，并 使用 EDA 工具对各模块进行仿真验证。汽车尾灯控制器的设计分为 4 个模块： 时钟分频模块、汽车尾灯主控模块，左边灯控制模块和右边灯控制模块。把各 个模块整合后就形成了汽车尾灯控制器。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。 4 汽车尾灯控制器的设计过程 4.1 系统设计指标 根据现代交通规则，汽车尾灯控制器应满足以下基本要求： 1. 汽车尾部左右两侧各有三个指示灯； 2. 汽车正常行驶时指示灯不亮； 3. 汽车右转弯时右侧的第一个指示灯亮，左转弯时左侧第一个指示灯亮； 4. 汽车刹车时，左右侧的第二个指示灯同时亮； 5. 汽车在夜间行驶时，左右两侧的第三个指示灯同时亮，供照明使用； 6. 设计时，规定 1 为灯亮，0 为不亮。 4.2 汽车尾灯控制器的工作原理 汽车尾灯控制器就是一个状态机的实例。当汽车正常行驶时所有指示灯都 不亮；当汽车向右转弯时，汽车右侧的指示灯 RD1 亮；当汽车向左侧转弯时， 汽车左侧的指示灯 LD1 亮；当汽车刹车时，汽车右侧的指示灯 RD2 和汽车左侧 的指示灯 LD2 同时亮；当汽车在夜间行驶时，汽车右侧的指示灯 RD3 和汽车左 侧的指示灯 LD3 同时一直亮。通过设置系统的输入信号：系统时钟信号 CLK， 汽车左转弯控制信号 LEFT，汽车右转弯控制信号 RIGHT，刹车信号 BRAKE，夜 间行驶信号 NIGHT 和系统的输出信号：汽车左侧 3 盏指示灯 LD1、LD2、LD3 和 5 汽车右侧 3 盏指示灯 RD1、RD2、RD3 实现以上功能。系统的整体组装设计原理 如图 4.1 所示。 图 4.1 系统的整体组装设计原理 4.3 各组成模块原理及程序 汽车尾灯控制器有 4 个模块组成，分别为：时钟分频模块、汽车尾灯主控 模块，左边灯控制模块和右边灯控制模块，以下介绍各模块的详细设计。 4.3.1 时钟分频模块 整个时钟分频模块的工作框图如图 4.2 所示。 图 4.2 时钟分频模块工作框图 时钟分频模块由 VHDL 程序来实现，下面是其中的一段 VHDL 代码： ARCHITECTURE ART OF SZ IS SIGNAL COUNT: STD_LOGIC_VECTOR (7 DOWNTO 0); BEGIN PROCESS (CLK) BEGIN 6 IF CLKEVENT AND CLK = 1THEN COUNT = COUNT + 1; END IF; END PROCESS; CP= COUNT (3); END ART; 4.3.2 汽车尾灯主控模块 汽车尾灯主控模块工作框图如图 4.3 所示。 图 4.3 主控模块工作框图 汽车尾灯主控模块由 VHDL 程序来实现，下面是其中的一段 VHDL 代码： 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; 4.3.3 左边灯控制模块 左边灯控制模块的工作框图如图 4.4 所示。 7 图 4.4 左边灯控制模块的工作框图 左边灯控制模块由 VHDL 程序来实现，下面是其中的一段 VHDL 代码： ARCHITECTURE ART OF LC IS BEGIN LEDB=BRAKE; LEDN=NIGHT; PROCESS (CLK, LP, LR) BEGIN IF CLKEVENT 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; 4.3.4 右边灯控制模块 右边灯控制模块的工作框图如图 4.5 所示。 图 4.5 右边灯控制模块的工作框图 8 右边灯控制模块由 VHDL 程序来实现，下面是其中的一段 VHDL 代码： ARCHITECTURE ART OF RC IS BEGIN LEDB=BRAKE; LEDN=NIGHT; PROCESS (CLK, RP, LR) BEGIN IF CLKEVENT 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; 5 系统仿真 5.1 分频模块仿真及分析 分频模块由 VHDL 程序实现后，其仿真图如图 5.1 所示。 图 5.1 分频模块仿真图 对其仿真图及分频模块程序进行分析：计数器每遇到一个上升沿脉冲，计 数器加 1，当计数器第四位为 1 时，CP 保持高电平状态，即 CP 每经过 8 个 CLK 上升沿脉冲进行一次跳变，实现左转右转时 LD1、RD1 闪烁。 5.2 汽车尾灯主控模块仿真及分析 汽车尾灯主控模块由 VHDL 程序实现后，其仿真图如图 5.2 所示。 9 图 5.2 主控模块时序仿真图 对时序仿真图进行分析：RIGHT，LEFT,NIGHT,BRAKE 为输入信号，RIGHT 为 1 表示右转，LEFT 为 1 表示左转，NIGHT 为 1 表示夜间行路，BRAKE 为 1 表 示刹车。RP,LP,NIGHT_LED,BRAKE_LED 为输出信号。如图所示：当 RIGHT 为 1 时，产生一个 RP 为 1 的信号脉冲输出，当 LEFT 为 1 时，产生一个 LP 为 1 的信 号脉冲输出，当 NIGHT 为 1 时，产生一个 NIGHT_LED 为 1 的信号脉冲输出。当 BRAKE 为 1 时，产生一个 BRAKE_LED 为 1 的信号脉冲输出。 5.3 左边灯控制模块仿真及分析 左边灯控制模块由 VHDL 程序实现后，其仿真图如图 5.3 所示。 图 5.3 左边灯控制模块时序仿真图 对时序仿真图进行分析：LP，LR,NIGHT,BRAKE 为输入信号，LR 为 0 且 LP 为 1 表示左转，NIGHT 为 1 表示夜间行路，BRAKE 为 1 表示刹车。 LEDL,LEDB,LEDN 为输出信号,表示汽车左侧的三盏灯。如图所示：当 LP 为 1 时， LEDL 输出为 1 表示左侧灯亮，当 BRAKE 为 1 时，LEDB 输出为 1 表示左侧第二个 灯亮，当 NIGHT 为 1 时，LEDN 输出为 1 表示左侧第三个灯亮。当 LR 为 1 时， 表示在白天汽车正常做直线运动，无刹车转弯，即没有灯亮。 10 5.4 右边灯控制模块仿真及分析 右边灯控制模块由 VHDL 程序实现后，其仿真图如图 5.4 所示。 图 5.4 右边灯控制模块时序仿真图 对时序仿真图进行分析：RP，LR,NIGHT,BRAKE 为输入信号，LR 为 0 且 RP 为 1 表示右转，NIGHT 为 1 表示夜间行路，BRAKE 为 1 表示刹车。 LEDR,LEDB,LEDN 为输出信号,表示汽车右侧的三盏灯。如图所示：当 RP 为 1 时， LEDR 输出为 1 表示右侧灯亮，当 BRAKE 为 1 时，LEDB 输出为 1 表示右侧第二个 灯亮，当 NIGHT 为 1 时，LEDN 输出为 1 表示右侧第三个灯亮。当 LR 为 1 时， 情况如上。 5.5 整个系统仿真及分析 按图 4.1 组装系统后的仿真图如图 5.5 所示。 图 5.5 整个系统仿真图 11 对时序仿真图进行分析：RIGHT，LEFT,NIGHT,BRAKE 为输入信号，CP 为中 间信号，RIGHT 为 1 表示右转，LEFT 为 1 表示左转，NIGHT 为 1 表示夜间行路， BRAKE 为 1 表示刹车。RD1,RD2,RD3 为输出信号，表示汽车右侧的三盏灯。 LD1,LD2,LD3 为输出信号，表示汽车左侧的三盏灯。如图所示：在 CP 为 1 时， 当 RIGHT 为 1 时，RD1 输出为 1 表示右侧灯亮，当 LEFT 为 1 时，LD1 为输出为 1 表示左侧灯亮；当 NIGHT 为 1 时，LD3,RD3 输出均为 1，表示左，右两侧各有 一盏灯亮；当 NIGHT 和 CP 同时为 1，且 LEFT 为 1 时，表示夜间左转，而当 RIGHT 为 1 时，表示夜间右转，即完美的实现了夜间的左转弯和右转弯；当 BRAKE 为 1 时，LD2,RD2 输出均为 1，表示左，右两侧各有一盏灯亮；当 CP、BRAKE 和 LEFT 同时为 1 时，表示汽车向左漂移，而 CP、BRAKE 和 RIGHT 同 时为 1 时，表示汽车向右漂移。 12 结束语 经过两星期的紧张有序学习和工作，最后完成了我们的设计任务汽车 尾灯控制器的设计。从本次课程设计的学习中，我们深深的体会到设计课的重 要性。本次设计课不仅仅培养了我们的团队合作精神，我们也学会了灵活运用 课本知识，理论联系实际设计的能力。它不仅仅是一个学习新知识新方法的好 机会，同时也是对我所学知识的一次综合检验和复习，使我明白了自己的不足 所在。希望学校以后多安排一些类似的实践环节，让同学们学以致用。 细心、耐心和毅力是人生的三大关键词，缺一不可，在本次的课程设计中 尤为突出。没有细心，就不会有完美的程序；没有耐心，就不会有起伏跌宕的 仿真波形；没有毅力，就不会有这精美绝伦、无与伦比的论文。然而，金无足 赤人无完人，一个完美的工程是永远潜伏着不可避免的挫折。挫折一：细心不 足，比如在模块的划分上，还是无法做到究极完美；挫折二：耐心不足，比如 仿真时间设计，还是有所欠缺，虽然延迟是正常的，但我们没能做到最大限度 的减小延迟；挫折三：毅力不足，论文的编辑没能够做到尽善尽美。 以上种种，鉴证了我们的不懈的努力、追求完美的决心和对知识的无限渴 望。与此同时，从这次设计中，我们更加熟练的掌握了 VHDL 语言和对 Quartus II 软件的操作，尤其重要的是培养了设计的思维和理念。 13 致谢 本课程设计是在吕杰老师精心指导和大力支持下完成的。本课题在选题及 设计过程中得到吕杰老师的悉心指导。他多次为我们排忧解难，帮助我们开拓 设计思路，精心点拨、热忱鼓励。他渊博的知识、开阔的视野和敏锐的思维给 了我深深的启迪。在这次课程设计中吕杰老师传授了诸多专业知识和丰富的项 目开发经验。 感谢学校，在我们枯燥的理论学习之余，给我们细心缜密的安排课程设计， 丰富我们的生活。感谢老师，在课程设计中，给予我们细心的指导和孜孜不倦 的教诲，真正做到了术业有专攻和传到授业解惑。感谢同学，积极配合，在我 们陷入困境之时，伸出友谊之手，给予我们无私的帮助。 14 参考文献 1 王爱英.计算机组成与结构.北京:清华大学出版社,2001.2 2 黄仁欣.EDA 技术实用教程.北京:清华大学出版社,2006 3 曹昕燕，周凤臣，聂春燕.EDA 技术实验与课程设计.北京:清华大学出版社, 2006.5 4 杨亦华,延明.数字电路 EDA 入门.北京:北京邮电大学出版社,2003 5 潘松，黄继业.EDA 技术与 VHDL.北京：清华大学出版社.2009.9 6 康华光.电子技术基础数字部分.高等教育出版社.北京.2006.1 15 附录 1 主控模块 LIBRARY IEEE; USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; ENTITY CTRL IS PORT (LEFT, RIGHT, BRAKE, NIGHT: IN STD_LOGIC; LP, RP, LR, BRAKE_LED, NIGHT_LED: OUT STD_LOGIC); END; 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; 2 时钟分频模块 LIBRARY IEEE; USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL; ENTITY SZ IS PORT (CLK: IN STD_LOGIC; CP: OUT STD_LOGIC); END; ARCHITECTURE ART OF SZ IS SIGNAL COUNT: STD_LOGIC_VECTOR (7 DOWNTO 0); BEGIN PROCESS (CLK) BEGIN IF CLKEVENT AND CLK = 1THEN COUNT = COUNT + 1; END IF; END PROCESS;