EDA课程设计(汽车尾灯设计与实现)

EDA课程设计

课题名称：汽车尾灯的设计

院系：信息科学与工程

专业班级：

姓名：

学号：

指导老师：

2013.12.20

目录

摘要..................................................................................................................错误！未定义书签。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 (1)

1.3可编程器件在汽车电子上的运用 (2)

1.4设计内容和目标 (3)

EDA设计流程 (3)

第2章EDA、VHDL简介 (4)

2.1EDA技术 (4)

2.1.1EDA技术的概念 (4)

2.1.2EDA技术的特点 (4)

2.1.3EDA设计流程 (4)

2.2硬件描述语言（VHDL） (4)

2.2.1VHDL简介 (4)

2.2.2VHDL语言的特点 (5)

第3章设计实现 (6)

3.1汽车尾灯控制器的工作原理 (6)

3.1.1功能描述 (6)

3.1.2模块设计 (6)

（1）汽车尾灯主控制模块 (7)

（2）时钟分频模块 (7)

（3）左侧尾灯功能模块 (7)

（4）右侧尾灯功能模块 (7)

3.1.3图形元件原理图 (8)

3.2主要VHDL源程序 (8)

3.2.1汽车尾灯主控制模块CTRL (8)

3.2.2时钟分频模块SZ (10)

3.2.3右侧尾灯控制模块RC (11)

3.2.4左侧尾灯控制模块LC (13)

3.2.5顶层文件VHDL程序（tp.VHD） (14)

3.3仿真图及块 (16)

3.3.1各模块的仿真波形图 (16)

图3-2汽车尾灯主控制模块CTRL (16)

3.3.2仿真波形分析 (20)

第4章设计总结 (21)

参考文献 (23)

II

第1章选题依据

1.1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。

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

1

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。

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。

1.3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。

2

1.4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）汽车尾部左右两侧各有多盏指示灯。

（2）汽车正常行驶时指示灯都不亮。

（3）汽车右转弯时，右侧的一盏指示灯亮。

（4）汽车左转弯时，左侧的一盏指示灯亮。

（5）汽车刹车时，左右两侧的一盏指示灯同时亮。

（6）汽车在夜间行驶时，左右两侧有指示灯同时一直亮，供照明使用。EDA设计流程

1、文本/原理图编辑与修改。

2、编译。

3、综合。

4、适配。

5、功能仿真和时序仿真。

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。

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第2章EDA、VHDL简介

2.1EDA技术

2.1.1EDA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。

2.1.2EDA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。

2.1.3EDA设计流程

2.2硬件描述语言（VHDL）

2.2.1VHDL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

4

5

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。

2.2.2VHDL 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。

图3-0汽车尾灯控制工作原理图

第3章设计实现

应用VHDL 进行自顶向下的设计，是采用可完全独立于目标器件芯片物理结构的硬件描述语言。就是使用VHDL 模型在所有综合级别上对硬件设计进行说明、建模和仿真测试。其设计流程如下：

（1）设计说明书

（6）逻辑综合

（2）建立VHDL 行为模型（7）测试向量生成

（3）VHDL 行为仿真（8）功能仿真

（4）VHDL-RTL 级建模（5）前端功能仿真

设计完成

（11）硬件测试

（9）结构综合

（10）门级时序仿真

3.1汽车尾灯控制器的工作原理3.1.1功能描述

汽车尾灯控制器就是一个状态机的实例。

正常行驶时所有的灯都不亮，当汽车右转弯时，右侧灯RD1闪烁；左转弯，

左侧灯LD1闪烁；刹车时，左侧灯LD2和右侧灯RD2同时亮；夜间行驶时，右侧RD3和左侧LD3同时亮；并不可能出现RD1和LD1同时亮的情况。

3.1.2模块设计

根据系统设计要求，系统采用自顶向下的设计方法，顶层设计采用原理图设计的方式，它是由时钟分频模块、汽车尾灯主控模块、左边灯控制模块、右边灯控制模块四部

分组成。

如下所示：

（1）汽车尾灯主控制模块

（2）时钟分频模块

（3）左侧尾灯功能模块

（4）右侧尾灯功能模块

右转弯控制信号

汽车尾灯主

时钟

右侧灯选择控

时钟

RD

3.1.3图形元件原理图

图3-1图形元件原理图3.2主要VHDL源程序

3.2.1汽车尾灯主控制模块CTRL

数据入口：

RIGHT：右转信号；

LEFT：左转信号；

BRAKE：刹车信号；

NIGHT：夜间行驶信号；

数据出口：

LP：左侧灯控制信号；

RP：右侧灯控制信号；

LR：错误控制信号；

BRAKE_LED：刹车控制信号；

NIGHT_LED：夜间行驶控制信号；

程序功能描述：

该段程序用于对汽车尾灯进行整体控制，当输入为左转信号时，输出左侧灯控制信号；当输入为右转信号时，输出右侧灯控制信号；当同时输入LEFT和RIGHT 信号时，输出错误控制信号。当输入为刹车信号时，输出刹车控制信号；当输入为夜间行驶信号时，输出为夜间行驶控制信号。

具体操作：

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 ENTITY CTRL;

ARCHITECTURE ART OF CTRL IS

BEGIN

NIGHT_LED<=NIGHT;

BRAKE_LED<=BRAKE;

PROCESS(LEFT,RIGHT)

VARIABLE TEMP:STD_LOGIC_VECTOR(1DOWNTO0);

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 OTHERS=>LP<='0';RP<='0';LR<='1';

END CASE;

END PROCESS;

END ARCHITECTURE ART;

3.2.2时钟分频模块SZ

数据输入：

CLK：时钟输入信号；

数据输出：

CP：尾灯闪烁触发信号；

程序功能描述：

这块的功能是对左右两边的LLED1、RLED1的闪烁时间间隔，以CLK为输入信号，CP为输出信号，在程序中定义一个八位节点信号COUNT来放计数值，当CLK的上升沿到来时就开始计数，最后将COUNT(3)给CP，实现对CLK的八分频。

再将CP的电平信号分别和LEDL、LEDR电平与，最后用输出的电平来控制汽车左右的LLED1、RLED1，实现左右转的指示功能。

具体操作：

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 ENTITY SZ;

ARCHITECTURE ART OF SZ IS

SIGNAL COUNT:STD_LOGIC_VECTOR(7DOWNTO0);

BEGIN

PROCESS(CLK)

BEGIN

IF CLK'EVENT AND CLK='1'THEN

COUNT<=COUNT+1;

END IF;

END PROCESS;

CP<=COUNT(3);

END ARCHITECTURE ART;

3.2.3右侧尾灯控制模块RC

数据入口：

CLK：时钟控制信号；

RP：右侧灯控制信号；

LR：错误控制信号；

BRAKE：刹车控制信号；

NIGHT：夜间行驶控制信号；

数据出口：

LEDR：右侧RD1灯控制信号；

LEDB：右侧RD2灯控制信号；

LEDN：右侧RD3灯控制信号；

程序功能描述：

本描述用于控制右侧灯的亮、灭和闪烁情况，当时钟上升沿信号和右侧灯控制信号或刹车控制信号或夜间行驶信号同时出现时，右侧相应的灯亮或出现闪烁。当错误控制信号出现时，RD1灯不亮。

具体操作:

LIBRARY IEEE;

USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

ENTITY RC IS

PORT(CLK,RP,LR,BRAKE,NIGHT:IN STD_LOGIC;

LEDR,LEDB,LEDN:OUT STD_LOGIC);

END ENTITY RC;

ARCHITECTURE ART OF RC IS

BEGIN

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;

END IF;

END PROCESS;

END ARCHITECTURE ART;

3.2.4左侧尾灯控制模块LC

数据入口：

CLK：时钟控制信号；

LP：左侧灯控制信号；

LR：错误控制信号；

BRAKE：刹车控制信号；

NIGHT：夜间行驶控制信号；

数据出口：

LEDL：左侧LD1灯控制信号；

LEDB：左侧LD2灯控制信号；

LEDN：左侧LD3灯控制信号；

程序功能描述：

本程序用于控制左侧灯的亮、灭和闪烁情况，当时钟上升沿信号和左侧灯控制信号或刹车控制信号或夜间行驶信号同时出现时，左侧相应的灯亮或出现闪烁。当错误控制信号出现时，LD1灯不亮。

具体操作：

LIBRARY IEEE;

USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

ENTITY LC IS

PORT(CLK,LP,LR,BRAKE,NIGHT:IN STD_LOGIC;

LEDL,LEDB,LEDN:OUT STD_LOGIC);

END ENTITY LC;

ARCHITECTURE ART OF LC IS

BEGIN

LEDB<=BRAKE;

LEDN<=NIGHT;

PROCESS(CLK,LP,LR)

BEGIN

IF 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 ARCHITECTURE ART;

3.2.5顶层文件VHDL程序（tp.VHD）

Library ieee;

Use ieee.std_logic_1164.all;

Use ieee.std_logic_unsigned.all;

Entity tp is

Port(clk:in std_logic;

Left:in std_logic;

Right:in std_logic;

Brake:in std_logic;

Night:in std_logic;

Ld1,ld2,ld3:out std_logic;

Rd1,rd2,rd3:out std_logic);

End;

Architecture bh of tp is

Component sz is

Port(clk:in std_logic;

Cp:out std_logic);

End component;

Component ctrl is

Port(left,right,brake,night:in std_logic;

Lp,rp,lr,brake_led,night_led:out std_logic); End component;

Component lc is

Port(clk,lp,lr,brake,night:in std_logic;

Ledl,ledb,ledn:out std_logic);

End component;

Component rc is

Port(clk,rp,lr,brake,night:in std_logic;

Ledr,ledb,ledn:out std_logic);

End component;

Signal tmp0,tmp1,tmp2,tmp3,tmp4:std_logic;

Signal err0,err1,err2,err3,err4,err5:std_logic;

signal bm:std_logic;

Begin

U1:sz port map(clk,bm);

U2:ctrl port map(left,right,brake,night,tmp0,tmp1,tmp2,tmp3,tmp4); U3:lc port map(clk,tmp0,tmp2,tmp3,tmp4,err0,err1,err2);

U4:rc port map(clk,tmp1,tmp2,tmp3,tmp4,err3,err4,err5);

Ld1<=err0and bm;

Ld2<=err1;

Ld3<=err2;

Rd1<=err3and bm;

Rd2<=err4;

Rd3<=err5;

End

3.3仿真图及块

3.3.1各模块的仿真波形图

图3-2汽车尾灯主控制模块CTRL

图3-3汽车尾灯控制部件模块

图3-4时钟分频模块SZ

图3-5时钟分频部件模块

图3-6右侧尾灯控制模块RC

图3-7右侧尾灯控制部件模块

图3-8左侧尾灯控制模块LC

图3-9左侧尾灯控制部件模块