汽车类专业论文

1、摘 要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。QUARTUSII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。关键词：可编程逻辑器件 汽车尾灯控制器 QUARTUSII VHDL目 录摘 要II目 录III第1章 绪 论11.1 尾灯的国内外发展现状1第2章 简介72.1 EDA技术72.1.1 EDA技术的概念72.1.2 EDA技术的特点72.1.3 EDA设计流程72.2 硬件描述语言（VHDL）82.2.1 VH

2、DL简介82.2.2 VHDL语言的特点8第3章 设计实现103.1 汽车尾灯控制器总体结构图103.2 时钟分频模块103.3 汽车尾灯主控模块11第4章 系统仿真144.1 分频模块仿真及分析144.2 汽车尾灯主控模块仿真及分析144.3 汽车尾灯控制器总体电路的仿真及分析154.4硬件验证15参考文献1917第1章 绪 论1.1 尾灯的发展现状在汽车领域中，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

3、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。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

4、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 器件的发展一般的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

5、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

6、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

7、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。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

8、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。1.4 设计内容和目标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QUARTUS开发平台对各

9、模块进行仿真验证。汽车尾灯控制器的设计分为2个模块：时钟分频模块、汽车尾灯主控模块。把各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。1）汽车正常行驶（任何开关都没按）时，所有等都不亮。2）汽车左转（按下左转开关）时，左转灯（左侧LED灯）闪烁的亮。3）汽车右转（按下右转开关）时，右转灯（右侧LED灯）闪烁的亮。4）汽车刹车（按下刹车开关）时，刹车灯（两个灯泡）一直亮。5）汽车晚上行驶（按下晚上行驶开关）时，晚上照明灯（两个LED灯）一直亮。6）汽车倒车（按下倒车开关）时，蜂鸣器有规律的鸣叫（本次设计扩展功能）。1.5 方案论

10、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

11、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

12、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。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

13、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

14、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。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

15、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。2.1.2 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

16、.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

17、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。2.2 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

18、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。2.2.2 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

19、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 汽车尾灯控制器总体结构图系统的整体组装设计原理如图3-1所示。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时钟分频模块时钟分频模块由VHDL程序来实现，下面是VHDL代码：PROCESS (clkslow)BEGIN if (clkslow'event and clkslow = '1') then clkdiv <= clkdiv + '

20、;1' end if; clr<=clkdiv(7); END PROCESS;END a;其中clkslow是时钟信号输入频率为1000HZ，clr是时钟信号输出频率为2HZ。clkdiv <= clkdiv + '1'是计算语句，clr<=clkdiv(7)是将clkdiv(7)的值赋给clr，实现500分频的功能。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汽车控制主模块汽车控制主模块由VHDL程序来实现，下面是VHDL代码：PROCESSBEGIN wait until clk'event and clk=&

21、#39;1' case current_state is when QA=> if L='1'and R='0'THEN current_state<=QB; ELSIF L='0'AND R='1'THEN current_state<=QC; ELSIF L='0'AND R='0'THEN current_state<=QA; LL<='0'RR<='0' END IF; WHEN QB=> /左转 IF L=&

22、#39;1'AND R='0'THEN current_state<=QB; RR<='0'LL<=clr; ELSE current_state<=QA; end if; when QC=> /右转 IF L='0'AND R='1'THEN current_state<=QC; RR<=clr;LL<='0' ELSE current_state<=QA; END IF; end case;IF W='1'THEN /夜间行驶WW&l

23、t;='1'else WW<='0'END IF;if S='1'THEN /刹车SS<='1'ELSE SS<='0'END IF;if D='1'THEN /倒车（本次设计的扩展功能）DD<=clr;ELSE DD<='0'END IF; end PROCESS;END CX;L，R，S，W，D分别代表左转，右转，刹车，夜间行驶，倒车的输入都为高电平有效。LL，RR，SS，WW，DD分别代表左转，右转，刹车，夜间行驶，倒车的输输出。其中L和R的控制原

24、理是利用计算机的状态机原理来实现的。当现在状态current_state为QA时，如果L=1，R=0即按下左转有效右转无效时，状态QB就赋给现在状态current_state。现在状态current_state为QB情况下，如果L=1，R=0那么时钟信号clr的值就赋给LL，也就是说LL以频率为2HZ输出，而RR书出为0。其他情况下LL和RR输出都为0。同样的道理，现在状态current_state在QC的情况下，如果L=0，R=1那么clr的值就赋给RR，LL输出为O。S，W，D则是利用简单的IF语句对相应的SS，WW，DD输出进行控制。因此汽车才能同时出现倒车，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。（其中倒车语句为本次设计的扩展功能）第4章 系统仿真4.1 分频模块仿真及分析图4-1 分频模块仿真波形如图4-1所示输入时钟脉冲信号clkslow的频率为1000HZ经过分频电路后得到输出频率为2H