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1、 . EDA实习：汽车尾灯的设计 所属课程： EDA技术实用教程 实习题目： 汽车尾灯的设计 专业班级：电子信息工程08-2班组 别： 第三组组 员： 贾媛媛何俊辉焦 阳指导教师： 蔡 靖北华大学电气信息工程学院22 / 25摘 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：可编程逻辑器件 汽车尾灯控制器 QUARTUSII VHDL目
2、 录摘要I目录II第1章选题依据11.1 汽车尾灯的国外发展现状11.2 可编程器件的发展21.3 可编程器件在汽车电子上的运用31.4 设计容和目标41.5 方案论证与选择51.6 EDA设计流程8第2章 EDA、VHDL简介92.1 EDA技术92.1.1 EDA技术的概念92.1.2 EDA技术的特点92.1.3 EDA设计流程92.2 硬件描述语言（VHDL）102.2.1 VHDL简介102.2.2 VHDL语言的特点10第3章设计实现123.1 汽车尾灯控制器总程序123.2 功能框图163.3Quartus 软件调试17结束语18致19参考文献20第1章 选题依据1.1 汽车尾灯
3、的国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，与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与美观的需求，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
4、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与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)
5、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。1.2 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
6、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(PL
7、A)，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
8、FPGA，它们都具有体系结构和逻辑单元灵活、集成度高以与适用围宽等特点。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。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、质量稳定以与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。1.3 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
9、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）核、参考设计以与较长的产品在市时间，而且PLD不存在ASIC那样的前端流片（NRE）成本以与最小订购量的问题，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。1.4 设计容和目标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
10、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）
11、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。1.5 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：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
12、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。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，
13、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。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。CP
14、LD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，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
15、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
16、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
17、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2.1 EDA技术2.1.1 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
18、，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。2.1.2 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： 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。2.1.3 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
19、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
20、与测试。2.2 硬件描述语言（VHDL）2.2.1 VHDL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,与端口)和部（或称不可视部分），既涉与实体的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，一旦其部开发完成后，其他的设计
21、就可以直接调用这个实体。这种将设计实体分成外部分的概念是VHDL系统设计的基本点。2.2.2 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与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。第3章 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：3.1 汽车尾灯控制
22、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 ISPORT(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
23、std_logic_vector(2 downto 0); light4:OUT std_logic_vector(2 downto 0);end; ARCHITECTURE ART OF WEIDENG ISsignalt1 : std_logic_vector(27 downto 0);signal nclk : std_logic; signalt : std_logic_vector(1 downto 0); beginprocess(clk)beginif clkEVENT AND clk = 1 then t1=cnt1+1; ift1=x2faf080 then t1=x0000
24、000; nclk=1; else nclk=0; end if;end if; end process;process(nclk)begin if nclkevent and nclk=1 then t=cnt+1; ift=10 then tlight1light1light1NULL; END CASE; ELSE IF L=0 THEN CASE CNT IS when 00=light1light1light1NULL; END CASE; END IF; end if; IF S=1 THEN CASE CNT IS when 00=light4light4light4NULL;
25、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; 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=light2light2light2
26、NULL; END CASE; ELSE IF R=0 THEN CASE CNT IS when 00=light2light2light2NULL; END CASE; end if; END IF; END IF;END PROCESS;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
27、能同时出现左转和右转的功能。3.2 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 L40 00 00 0 0 0 0 00 0 0 0 0 01 01 01 0 0 0 0 00 1 0 0 0 00 0 1 0 0 01 0 0 0 0 00 1 0 0 0 00 0 1 0 0 00 10 10 0 0 0 0 10 0 0 0 1 00 0 0 1 0 00 0 0 0 0 10 0 0 0 1 00 0 0 1 0 03.3Quartus 软件调试首先是在桌面打开Quartus软件后选择FileNew Pr
28、oject 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FileNew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，以与关于VHDL语言的许多资料以与相互之间的交流而完成了本次的实习。刚接到汽车
29、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
30、领会到了其并行运行与其它软件顺序运行的差别与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。实习结束了，但是学到的东西会受用一生。我们感我们的蔡老师，您虽然是我们的老师，但是我们更感觉您是我们的大哥哥，那么平易近人，当我们遇到困难时，那么的耐心告诉我们，您，蔡老师！当然我们也不能忘了帮助过我们的同学，一个人，两个人的力量毕竟是有限的！实习结束了，学到的东西不会结束！致 毕业论文的结束也预示着我大学生涯的结束，回想起来让我感慨万千，我永远也忘不了在此设计中帮助关怀我的老师和同学。本课程设计是在邱富军老师精心指导
31、和大力支持下完成的。在设计过程中他多次悉心指导，耐心的讲解给了我很大的帮助，对于设计中的错误他也很细心认真的给我讲解并修改。对于这位比我们年长几岁的老师，他身上发射出来的专业涵让我佩服，同时他渊博的知识、开阔的视野和敏锐的思维给了我深深的启迪。也让我为以后积累了不少的经验。另外还有我的合作伙伴王孝泼同学，在软件设计过程中他给了我很多宝贵的意见，也在必要的时候帮助我仿真测试，他积极向上，乐观诚实，是个很好的伙伴。还有寝室和班上的同学们也给了我的很大的帮助和关怀。 还更应该感的是我的父母，他们含辛茹苦的养育之恩和教导之情。他们无私的奉献是我这生最珍贵的财富。参考文献1 王爱英.计算机组成与结构.:清华大学,2001.22黄仁欣.EDA技术实用教程.:清华大学,20063 昕燕,周凤臣,聂春燕.EDA技术实验与课程设计.:清华大学,2006.54 亦华,延明.数字电路EDA入门.:邮电大学,20035 容修.数字电子技术基础.理工大学6 松,黄继业.EDA技术与VHDL.清华大学7 王道宪.CPLD/FPGA可编程器件应用与开发.国防工业,20038 徐志军.大规模可编程逻辑器件与其应用M.：电子科技大学,20009 黄正谨等.CPLD系统设计技术入门与应用M.：电子工业,200210 亦华等.数字电路EDA入门-VHDL程序实例集M.邮电大学,2003