1 设计内容及其分析 1.1 设计的内容用8个发光二极管模拟8个汽车尾灯（左、右各4个，高电平点亮），用四个开关作为左转弯、右转弯、刹车、双闪控制信号（高电平有效）。当汽车往前行驶时，8灯全灭。当汽车转弯时（左、右转弯开关不会同时有效），若右转弯，右边4个尾灯从左至右循环点亮，左边4个灯全灭。若左转弯，左边4个尾灯从右至左循环点亮，右边4个灯全灭。汽车刹车时（第2优先级），8个灯全亮。双闪信号有效时（优先级最高）时，8个灯明、暗闪烁。 1.2 设计内容分析当汽车转弯时（左、右转弯开关不会同时有效），若右转弯，右边4个尾灯从左至右循环点亮，左边4个灯全灭。若左转弯，左边4个尾灯从右至左循环点亮，右边4个灯全灭。汽车刹车时（第2优先级），8个灯全亮。双闪信号有效时（优先级最高）时，8个灯明、暗闪烁。根据以上分析可以画出尾灯和汽车运行关系表如下所示：开关控制汽车运行状态左边灯右边灯 LEFT&RIGHT&FLASH&BRAKE L3,L2,L1,L0 R3,R2,R1,R0 1 0 0 0 汽车左转弯从右到左顺序亮灭灯灭 0 1 0 0 汽车右转弯灯灭从左到右顺序亮灭 0 0 0 1 刹车灯亮灯亮 0 0 1 0 双闪 8个灯同时明、暗闪烁 1.3 EDA简介 1.3.1 EDA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。 1.3.2 EDA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：① 用软件的方式设计硬件；② 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；③ 设计过程中可用有关软件进行各种仿真；④ 系统可现场编程，在线升级；⑤ 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。 1.3.3 EDA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。 1.4 硬件描述语言（VHDL） 1.4.1 VHDL的介绍 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 1.4.2 VHDL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。 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。 2 设计的目的及意义 2．1 设计的目的其一、设计一个能适应现代汽车智能化发展要求的汽车尾灯控制电路。改善以前的汽车尾灯控制系统，降低汽车尾灯控制器的生产成本。其二、学好VHDL这门硬件描述语言，加深对VHDL语言知识的理解和掌握，提高学习能力和创新能力，使自己适应不断发展的21世纪。 2．2 设计的意义随着(EDA)仿真技术的发展，数字系统的设计技术和设计工具发生了深刻的变化。利用硬件描述语言（VHDL）对数字系统的硬件电路进行描述是EDA的关键技术之一。VHDL语言是目前主流的硬件描述语言，它具有很强的电路描述和建模能力，具有与具体电路无关和与设计平台无关的特性，在语言易读性和层次化结构方面表现出强大的生命力和应用潜力。随着人们生活水平的提高，汽车的消费量越来越大。因为人们也越来越忙，不管是夜晚还是阴雨、大雾等天气原因的影响，人们都开着车在纵横交错的马路上行驶，所以人们对汽车安全行驶的要求也越来越高，汽车尾灯控制系统给大家带来了极大的方便。汽车尾灯控制系统是随着汽车智能化技术的发展而发展起来的，汽车尾灯一般是用于微处理器的硬件结构构成，正是因为硬件电路的局限性，不但不能随意的更改电路内部功能和性能，而且可靠性得不到保证，因此对汽车尾灯控制系统的发展带来一定的局限性，难以满足现代汽车的智能化发展。为了提高人们因夜晚或因天气原因在纵横交错的马路上驾驶的安全系数，也是为了减少交通事故的发生。我们采用了先进的EDA技术，Maxplus Ⅱ工作平台和VHDL语言，设计了一种基于FPGA的汽车尾灯控制系统，并对系统进行了仿真机验证。用一片FPGA芯片实现了现代汽车智能化的尾灯控制系统。通过仿真及验证的结果分析，完全适应现代汽车智能化发展要求。不但简化了以前的汽车尾灯控制系统结构，大大降低了生产成本，而且提高了系统的先进性和可靠性。能实现控制器的系统编程。采用这种器件开发的数字系统其升级与改进非常方便。这一控制电路，结构简单、性能稳定、操作方便、抗干扰能力强。将它应用于现代汽车，不受黑夜或大雾、阴雨天气因素的影响，可以提高安全行驶，避免交通事故的发生。真正的让消费者驾驶汽车的方便和安全。 3 设计步骤 3．1 总体电路原理框图通过1．2的内容的分析，可以画出汽车尾灯控制电路的总体设计框图如下所示：图3.1 汽车尾灯控制电路设计总体框图 3．2 功能表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功能表如下所示：表3.1 汽车尾灯控制功能表开关控制汽车运行状态左边灯右边灯 LEFT&RIGHT&FLASH&BRAKE L3,L2,L1,L0 R3,R2,R1,R0 1 0 0 0 汽车左转弯从右到左顺序亮灭灯灭 0 1 0 0 汽车右转弯灯灭从左到右顺序亮灭 0 0 0 1 刹车灯亮灯亮 0 0 1 0 双闪 8个灯同时明、暗闪烁 3．3 汽车尾灯控制各组成模块及相应程序代码 3.3.1 各组成模块实现的主要功能是通过开关控制从而实现汽车尾灯的点亮方式。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。 3.3.2 时钟分频模块整个时钟分频模块的工作框图如图3.2所示。图3.2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： LIBRARY IEEE; USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL; ENTITY fp IS PORT ( clk :IN STD_LOGIC; q1:OUT STD_LOGIC); END ENTITY fp; ARCHITECTURE zero OF fp IS SIGNAL temp1: STD_LOGIC_VECTOR(5 DOWNTO 0); SIGNAL temp2: STD_LOGIC; BEGIN PROCESS(clk) BEGIN IF(clk'EVENT AND clk = '1') THEN IF temp1="100110" THEN temp2<=not temp2; temp1<="000000"; ELSE temp1<=temp1+1; END IF; END IF; END PROCESS ; q1<=temp2; END ARCHITECTURE zero; 3.3.3 汽车尾灯主控模块汽车尾灯主控模块工作框图如图3.3所示。图3.3 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： library ieee; use ieee.std_logic_1164.all; entity ctrl is port(left,right,flash,brake:in std_logic; lp,rp,sc,ss:out std_logic); end ctrl; architecture bh of ctrl is begin process(left,right,flash,brake) variable a:std_logic_vector(3 downto 0); begin a:=left&right&brake&flash; case a is when"0000"=>lp<='0';rp<='0';sc<='0';ss<='0'; when"1000"=>lp<='1';rp<='0';sc<='0';ss<='0'; when"0100"=>rp<='1';lp<='0';sc<='0';ss<='0'; when"0010"=>rp<='0';lp<='0';sc<='1';ss<='0'; when others=>lp<='0';rp<='0';sc<='0';ss<='1'; end case; end process; end bh; 3.3.4左边灯控制模块左边灯控制模块的工作框图如图3.4所示。图3.4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： library ieee; use ieee.std_logic_1164.all; entity lc is port(lp,clk,ss,sc:in std_logic; l3,l2,l1,l0:out std_logic); end lc; architecture one of lc is begin process(clk,ss,sc) variable tmp:std_logic_vector(3 downto 0); begin IF clk'EVENT AND clk='1' THEN IF ss='1' THEN IF tmp="1111" THEN tmp:=NOT tmp; ELSE tmp:="1111"; END IF; ELSIF sc='1' THEN tmp:="1111"; --ELSIF clk'EVENT AND clk='1' THEN ELSIF lp='1' THEN IF tmp ="0000" THEN tmp:="0001"; ELSE tmp:= tmp (2 DOWNTO 0)&'0'; END IF; ELSIF lp='0' THEN tmp:="0000"; END IF; END IF; l3<= tmp(3); l2<= tmp(2); l1<= tmp(1); l0<= tmp(0); end process; end one; 3.3.5右边灯控制模块右边灯控制模块的工作框图如图3.5所示。图3.5 右边灯控制模块的工作框图右边灯控制模块由VHDL程序来实现，下面是其中的一段VHDL代码： library ieee; use ieee.std_logic_1164.all; entity rc is port(rp,clk,sc,ss:in std_logic; r3, r2,r1,r0:out std_logic); end rc; architecture two of rc is begin process(clk,sc,ss) variable tmp:std_logic_vector(3 downto 0); begin IF clk'EVENT AND clk='1' THEN IF ss='1' THEN IF tmp="0000" THEN tmp:=not tmp; ELSE tmp:="0000"; END IF; ELSIF rp='1' THEN IF tmp="0000" THEN tmp:="1000"; ELSE tmp:='0' & tmp(3 DOWNTO 1); END IF; ELSIF rp='0' THEN tmp:="0000"; END IF; END IF; r3<= tmp(3) r2<= tmp(2); r1<= tmp(1); r0<= tmp(0); end process; end two; 4 系统仿真与调试 4.1分频模块仿真及分析分频模块仿真图如图4.1所示。图4.1 分频模块仿真图对其仿真图进行仿真分析：如图所示,首先生成一个0.8us的时钟脉冲，通过时钟分频把0.8us的脉冲分成一个3.2us的脉冲，实现了信号同步。 4.2 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4.2所示。图4.2主控模块时序仿真图对时序仿真图进行分析：right，left，flash，brake 为输入信号，right为1表示右转，left为1表示左转，flash为1表示双闪，brake为1表示刹车。ss，sc，lp，clk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flash为1时，产生一个ss为1的信号脉冲输出。当brake为1时，产生一个sc为1的信号脉冲输出。 4.3 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，其仿真图如下图4.3所示。图4.3左边灯控制模块时序仿真图对时序仿真图进行分析：ss，sc，lp，clk为输入信号，l3，l2，l1，l0为输出信号,表示汽车左侧的四盏灯。如图所示：当lp为1时，左侧四盏灯从右到左顺序点亮。当ss为1时，左侧四盏灯同时明暗闪烁。当sc为1 时，左侧四盏灯同时点亮。 4.4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4.4所示。图4.4 右边灯控制模块时序仿真图对时序仿真图进行分析：ss，sc，rp，clk为输入信号，r3，r2，r1，r0为输出信号,表示汽车右侧的四盏灯。如图所示：当rp为1时，右侧四盏灯从左到右顺序点亮。当ss为1时，右侧四盏灯同时明暗闪烁。当sc为1 时，右侧四盏灯同时点亮。 4.5整个系统仿真及分析按图2.3组装系统后的仿真图如下图4.5所示。图4.5 整个系统仿真图对时序仿真图进行分析：right，left，flash，brake 为输入信号，right为1表示右转，left为1表示左转，flash为1表示双闪，brake为1表示刹车。r3，r2，r1，r0为输出信号，表示汽车右侧的四盏灯。l3，l2，l1，l0为输出信号，表示汽车左侧的四盏灯。如图所示：当right为1时，右侧四盏灯从左到右顺序点亮；当left为1时，左侧四盏灯从右到左顺序点亮；当brake为1时，r3，r2，r1，r0，l3，l2，l1，l0输出均为1，表示八盏灯全亮。当flash为1时，八盏灯输出为高低电平交替出现，表示八盏灯同时明暗闪烁。 4.6 总体设计电路图图4.6总体设计电路图 4.7 硬件仿真管脚锁定输入管脚锁定如图4.7所示。图4.7 输入管脚锁定输出管脚锁定如图4.8所示。图4.8 输出管脚锁定 4.8 总体电路图总体电路图如图4.9所示。图4.9 汽车尾灯设计总体电路图 5 总结通过设计汽车尾灯控制电路，我们查阅各种VHDL语言资料及思考讨论而完成这次设计项目。在设计的过程中经过了选题的彷徨以及设计程序的繁复等阶段，提高了思考、编程能力和团队的协作能力，更加加深了我们对于硬件描述语言这门课程的理解和学习。我们设计的汽车尾灯控制电路有我们自己团队的创新。对于设计中遇到的难题，我们明白了应该自己积极动脑思考的同时，还要请教老师和同学，要以积极的态度去设计和分析设计项目，最终完成设计。这次设计使我们明白了只有书本上的知识是不够的，还应该加强自己的动手能力，将理论应用于实践，才能学到真正的知识。通过本次设计，不仅培养了我们实际操作能力，也培养了我们灵活运用知识，理论联系实际，独立自主的进行设计的能力。这次设计不仅是一个学习新知识、新方法的机会，同时也是对我们所学知识的一次综合的检验和复习，使我们明白了知己的缺陷所在，从而及时的查缺补漏。这样的设计，真正的让我们学以致用。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，我们也积累了一定的经验，以后从事集成电路设计工作会有一定的帮助。在应用VHDL的过程中让我们真正领会到了其并行运行与其它软件顺序运行的差别及其在电路设计上的优越性。用VHDL硬件描述语言来进行数字系统的设计方便灵活。这样的设计方法不但降低了开发的成本，而且缩短了开发的周期。在这次设计中用到的技巧有：用了至上而下的顺序设计方式；其中用到了if语句、case语句、进程语句（process）等。分频电路 R0R1R2R3;L0L1L2L3 显示驱动电路中间控制电路开关控制电路 PAGE 13