基于VHDL的汽車尾燈控制電路設(shè)計

于明軍，郭躍，郝甜甜，何瑞強(qiáng)

（赤峰學(xué)院物理與電子信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古赤峰 024000）

基于VHDL的汽車尾燈控制電路設(shè)計

于明軍，郭躍，郝甜甜，何瑞強(qiáng)

（赤峰學(xué)院物理與電子信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古赤峰 024000）

本設(shè)計利用硬件描述語言（VHDL）對汽車尾燈控制電路進(jìn)行描述并通過Altera公司Quartus II軟件對源程序進(jìn)行編譯、仿真，調(diào)試后的程序下載到FPGA開發(fā)板FA280上，通過實驗板上的發(fā)光二極管模擬汽車尾燈的工作狀態(tài).可以完成汽車行駛狀態(tài)、左轉(zhuǎn)狀態(tài)、右轉(zhuǎn)狀態(tài)、剎車狀態(tài)時的尾燈動態(tài)顯示功能.

EDA；VHDL；汽車尾燈控制電路

1 實驗開發(fā)板及VHDL介紹

本設(shè)計用到的實驗板是FPGA開發(fā)板FA280，F(xiàn)A280板載有SDRAM，F(xiàn)LASH以及USBBlaster下載線電路，這里主要介紹關(guān)于HDL的程序開發(fā).利用QuartusⅡ集成開發(fā)環(huán)境來完成前期設(shè)計，以FPGA實驗開發(fā)板為運(yùn)行載體，來完成VHDL、VerilogHDL等一些硬件語言的運(yùn)行顯示.

本文應(yīng)用FPGA開發(fā)板FA280，其核心器件為AlteraCycloneⅡ系列的EP2C8Q208，是包含192個引腳，其中I/O口有183個的，最新采用邏輯單元為單位來衡量內(nèi)部資源的芯片.EP2C8的工作電壓為1.2V，是運(yùn)用Verilog硬件描述語言來實現(xiàn)對EEPROM進(jìn)行讀寫操作.EPCS4為EP2C8的配置芯片,其成本低、外形封裝小、靈活性高.

接口包括：PS2接口、VGA接口、RS232串口、USB下載接口.開發(fā)板具有USBBlaster下載線電路，插上USB線即可進(jìn)行下載，通過撥動USB接口開關(guān)選擇JTAG或AS下載方式.

顯示設(shè)備包括6位7段紅光數(shù)碼管，8位綠色LED發(fā)光二極管，LCD1602和LCD12864顯示屏接口插座.

復(fù)位電路由一個復(fù)位按鍵和一個復(fù)位芯片組成的，可以將電路恢復(fù)到起始狀態(tài)（相當(dāng)于清零按鈕）.復(fù)位芯片為MAX811R，可將輸出脈沖寬度為140ms、門限為2.63V的低電平有效復(fù)位脈沖信號提供給FA280.

電源部分包括1117-3.3和1117-1.2各一片，從功能板分別引入3.3V和1.2V的直流電源作為EP2C8的核心電源電壓，并在核心板上加入濾波電容，以確保芯片和電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性.

其他還包括一個蜂鳴器、4位獨(dú)立按鍵、電源插座和開關(guān)、SD卡座、擴(kuò)展總線（GPIO）和有源晶振.其外觀如圖1所示.

圖1 實驗開發(fā)板FA280

VHDL高級硬件描述語言已成為IEEE標(biāo)準(zhǔn)，VHDL的描述能力最強(qiáng)，因此運(yùn)用此結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)雜電路設(shè)計時，常采用“自頂向下”的結(jié)構(gòu)化設(shè)計方法.適用于行為級和RTL級的描述，最適于描述電路行為，并在設(shè)計時可以不了解電路的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié). VHDL主要用于描述數(shù)字系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、行為、功能和接口，其設(shè)計的基本點(diǎn)是將設(shè)計實體分成內(nèi)、外部分.適用于電路高級建模，綜合的效率和效果較好.而且采用的模塊化、逐步細(xì)化的設(shè)計方法能夠及早的發(fā)現(xiàn)各子系統(tǒng)及模塊中的錯誤，而且有利于系統(tǒng)的分工合作，這就提高了系統(tǒng)設(shè)計的效率，特別適用于可編程邏輯器件的應(yīng)用設(shè)計.完整的VHDL程序要包含庫、程序包、實體、構(gòu)造體和配置等部分，它的描述語句和常用語句都有其固定的格式，并且有自己的語法，不允許不同類型的數(shù)據(jù)在表達(dá)式中自由組合.

QuartusⅡ作為一個綜合性的開發(fā)平臺，可以完成多種功能的實現(xiàn).QuartusⅡ的設(shè)計流程：首先輸入HDL等形式的設(shè)計文本，接著根據(jù)設(shè)計要求進(jìn)行編譯，然后進(jìn)行設(shè)計校驗（仿真和定時分析），最后進(jìn)行編程與驗證（將編程文件配置到PLD中）.設(shè)計過程中，如果出現(xiàn)錯誤，則回到設(shè)計輸入階段改錯，然后重復(fù)以上步驟.

設(shè)計輸入：設(shè)計輸入可以用HDL方式或原理圖錄入方式.一般可以使用原理圖來設(shè)計最頂層，將整個設(shè)計的結(jié)構(gòu)描述清楚，對于HDL方式的設(shè)計輸入，可以采用Verilog和VHDL，我們這里采用VHDL語言來實現(xiàn).

綜合：綜合工具將設(shè)計轉(zhuǎn)換成包含邏輯單元和邏輯單元間連接的網(wǎng)絡(luò)表.

功能仿真：對已經(jīng)綜合的電路的功能進(jìn)行驗證，功能仿真不涉及任何時序方面的內(nèi)容.

配置：將綜合產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)表中的邏輯單元映射到CPLD/FPGA器件中的LE，這里還包含器件中LE間連接和路由的選擇.

時序分析和時序仿真：通過分析配置后的電路各個路徑上的傳輸延時，獲得電路的性能情況.這里的時序仿真將結(jié)合器件時間參數(shù)，與前面的功能仿真不同，功能仿真只關(guān)注源程序的邏輯是否正確.

編程：在CPLD/FPGA器件內(nèi)實現(xiàn)設(shè)計，包括邏輯單元和邏輯單元間的連接.

2 功能設(shè)計及分析

對該汽車尾燈控制器的具體要求：(一)汽車左右兩側(cè)各有3只LED指示燈；（二）當(dāng)汽車正常向前行駛時，6只LED指示燈為全部熄滅；（三）當(dāng)汽車向左轉(zhuǎn)彎時，左側(cè)的LED指示燈循序從右到左閃亮，右側(cè)的LED指示燈全部熄滅；（四）當(dāng)汽車向右轉(zhuǎn)彎時，右側(cè)的LED指示燈循序從左到右閃亮，左側(cè)的LED指示燈全部熄滅；（五）剎車時，6只LED指示燈全部點(diǎn)亮.FA280開發(fā)板硬件具有8位LED，為低電平驅(qū)動方式，即低電平點(diǎn)亮高電平熄滅.本設(shè)計中實現(xiàn)以提供低電平方式點(diǎn)亮8個LED中的某一個或多個，兩次點(diǎn)亮的時間間隔為1s.

通過設(shè)置系統(tǒng)的輸入信號：系統(tǒng)時鐘信號CLK，汽車左轉(zhuǎn)彎控制信號bleft，控制汽車左側(cè)3盞指示燈LeftLight0、LeftLight1、LeftLight2，汽車右轉(zhuǎn)彎控制信號bright，汽車右側(cè)3盞指示燈Right-Light0、RightLight1、RightLight2實現(xiàn)以上功能.

根據(jù)以上功能分析、汽車尾燈控制邏輯功能表可以編寫汽車尾燈控制電路的VHDL程序.

3 程序調(diào)試及下載

3.1 程序編譯

（1）建立工作庫目錄，以便設(shè)計工程項目的存儲，打開Quartus II 9.0軟件.

（2）在工具欄中選擇“新建”按鈕，選擇“Text Editor”以進(jìn)行文本輸入.

（3）在文本輸入界面內(nèi)進(jìn)行程序輸入.

（4）輸入完畢后，需要對程序進(jìn)行保存.文件名和實體定義的符號必須保持一致，即文件名為carlight.因為是使用VHDL語言，所以文件文件類型為.vhd.

（5）在菜單欄下拉按鈕里選擇“Start Processing”，對程序進(jìn)行編譯，此時，Quartus II 9.0sp2軟件會對程序進(jìn)行糾錯等處理.

（6）在編譯完成以后，打開程序，選擇“File”→“EditSymbol”生成設(shè)計模塊圖. 3.2程序仿真及下載

（1）編譯完全通過后，新建波形編輯器進(jìn)行設(shè)計仿真.通過“新建”按鈕，選擇“WaveformEditor”.

（2）新建波形編輯器后，對文件進(jìn)行保存.同樣是使用文件名carlight，后綴改為scf.

（3）在編輯器的Name欄點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，選擇“InsertNode or bus…”,點(diǎn)擊“Node finder”選中所有觀察的節(jié)點(diǎn)信號.

（4）通過編輯器左側(cè)的快捷鍵對所加節(jié)點(diǎn)中的輸入信號進(jìn)行相關(guān)的賦值，然后對程序進(jìn)行仿真，觀察輸出信號.對編輯器（Edit）里面的賦值（Value）中的Clock進(jìn)行設(shè)置.

（5）在進(jìn)行仿真前，還需對仿真截止時間和最小單位時間進(jìn)行一下調(diào)整.在“Edit”欄對截止時間“EndTime”設(shè)置為“10.0us”.

（6）得初始仿真圖，如圖2所示：

圖2 初始仿真界面

（7）當(dāng)汽車正常行駛時，左轉(zhuǎn)信號bleft和右轉(zhuǎn)信號bright都為0，所有的燈都熄滅，都為1，仿真圖如圖3，將程序?qū)懭腴_發(fā)板，顯示如圖4：

圖3 正常行駛尾燈仿真圖

圖4

（8）當(dāng)汽車向左轉(zhuǎn)時，左轉(zhuǎn)信號bleft為1，右轉(zhuǎn)信號bright為0，此時右側(cè)燈rightlight2、rightlight1、rightlight0全滅為111，而左側(cè)燈leftright0、leftright1、leftlight2依次亮滅，狀態(tài)為為110、101、011.仿真圖如圖5，將程序?qū)懭腴_發(fā)板，顯示如圖6：

圖5 向左轉(zhuǎn)尾燈仿真圖

圖6

（9）當(dāng)汽車向右轉(zhuǎn)時，左轉(zhuǎn)信號bleft為0，右轉(zhuǎn)信號bright為1，此時左側(cè)燈leftright0、leftright1、leftlight2全滅為111，而右側(cè)燈rightlight2、rightlight1、rightlight0依次亮滅，狀態(tài)為110、101、011.仿真圖如圖7，將程序?qū)懭腴_發(fā)板，顯示如圖8：

圖7 向右轉(zhuǎn)尾燈仿真圖

（10）當(dāng)汽車剎車時，左轉(zhuǎn)信號bleft為1，右轉(zhuǎn)信號bright也為1，此時左邊燈leftright0、leftright1、leftlight2全亮為000，右邊燈rightlight0、rightlight1、 rightlight2全亮為000.仿真圖如圖9，將程序?qū)懭腴_發(fā)板，顯示如圖10：

圖8

圖9 剎車尾燈仿真圖

圖10

4 結(jié)語

本設(shè)計依靠EDA教學(xué)開發(fā)板，QuartusⅡ軟件環(huán)境，運(yùn)用原理圖和硬件描述語言進(jìn)行輸入并進(jìn)行編譯、仿真驗證設(shè)計的正確性.對開發(fā)板的學(xué)習(xí)有一定的指導(dǎo)作用.

〔1〕廖超平.EDA技術(shù)與VHDL實用教程［M］.北京：高等教育出版社，2007.

〔2〕閆石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京：高等教育出版社，2006.

〔3〕華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京：高等教育出版社，2006.

〔4〕侯伯亨.VHDL硬件描述語言與數(shù)字邏輯電路設(shè)計［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2009.

〔5〕潘松，黃繼業(yè).EDA技術(shù)與VHDL［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2006.

TN79

A

1673-260X（2015）04-0058-03