fpga-eda课程设计--汽车尾灯

SOPC/EDA综合课程设计指导书王忠锋设计者：郑天林班级:电气082学号：05号实践设计时间:2011/1/6江西理工大学应用科学学院机电工程系二0一一年一月课程设计课题：基于fpga用vhdl语言设计汽车尾灯的仿真1.1设计目的假设汽车尾灯两侧各有3盏指示灯，设计其控制功能如下：1.汽车正常行驶时指示灯都不亮；2.汽车右转弯时，右侧一盏指示灯亮；3.汽车左转弯时，左侧一盏指示灯亮；4.汽车刹车时，左右两侧其中一盏指示灯亮；5.汽车夜间行驶时，左右两侧的一盏指示灯同时亮，以供照明。1.2设计思路根据系统设计要求，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，如下所示：1.3功能要求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。2.1设计方案应用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：由于VHDL设计的可移植性、EDA平台的通用性以及与具体硬件结构的无关性，使得前期的设计可以容易的应用于新的设计项目，而且项目设计的周期可以显著缩短。另外本方案还具有简单易行的特性。3.1汽车尾灯主控制模块3.2刹车功能控制模块3.3时钟分频模块3.4左侧尾灯功能模块刹车控制信号汽车尾灯主控模块左侧灯选择控制模块LD2RD2右侧灯选择控制模块汽车尾灯主控模块左侧灯选择控制模块左转弯控制信号LD1时钟模块时钟信号时钟信号分频模块RD1LD1（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）门级时序仿真汽车尾灯主控模块左侧灯选择控制模块输入信号右侧灯选择控制模块LD1LD2RD1RD2LD3RD33.5右侧尾灯功能模块3.6夜间行驶功能控制模块4.编写应用程序并仿真4.1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。*程序编辑：LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITYCTRLISPORT(LEFT,RIGHT,BRAKE,NIGHT:INSTD_LOGIC;LP,RP,LR,BRAKE_LED,NIGHT_LED:OUTSTD_LOGIC);ENDENTITYCTRL;ARCHITECTUREARTOFCTRLISBEGINNIGHT_LED=NIGHT;BRAKE_LED=BRAKE;PROCESS(LEFT,RIGHT)VARIABLETEMP:STD_LOGIC_VECTOR(1DOWNTO0);BEGINTEMP:=LEFT&RIGHT;CASETEMPISWHEN00=LP='0';RP='0';LR='0';夜间行驶控制信号汽车尾灯主控模块左侧灯选择控制模块右侧灯选择控制模块LD3RD3汽车尾灯主控模块右侧灯选择控制模块RD1时钟模块时钟信号右转弯控制信号WHEN01=LP='0';RP='1';LR='0';WHEN10=LP='1';RP='0';LR='0';WHENOTHERS=LP='0';RP='0';LR='1';ENDCASE;ENDPROCESS;ENDARCHITECTUREART;仿真波形图如下：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：本模块用于尾灯的闪烁控制，首先定义一个八位的标准逻辑位矢量数据类型，用于时钟上升沿的累加，将八位的标准逻辑位矢量数据的第五位作为尾灯闪烁触发信号输出。*具体操作：LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITYSZISPORT(CLK:INSTD_LOGIC;CP:OUTSTD_LOGIC);ENDENTITYSZ;ARCHITECTUREARTOFSZISSIGNALCOUNT:STD_LOGIC_VECTOR(7DOWNTO0);BEGINPROCESS(CLK)BEGINIFCLK'EVENTANDCLK='1'THENCOUNT=COUNT+1;ENDIF;ENDPROCESS;CP=COUNT(3);ENDARCHITECTUREART;*仿真波形图：4.3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。*程序编辑：LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITYRCISPORT(CLK,RP,LR,BRAKE,NIGHT:INSTD_LOGIC;LEDR,LEDB,LEDN:OUTSTD_LOGIC);ENDENTITYRC;ARCHITECTUREARTOFRCISBEGINLEDB=BRAKE;LEDN=NIGHT;PROCESS(CLK,RP,LR)BEGINIFCLK'EVENTANDCLK='1'THENIF(LR='0')THENIF(RP='0')THENLEDR='0';ELSELEDR='1';ENDIF;ELSELEDR='0';ENDIF;ENDIF;ENDPROCESS;ENDARCHITECTUREART;*波形仿真图：2.3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。*程序编辑：LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITYLCISPORT(CLK,LP,LR,BRAKE,NIGHT:INSTD_LOGIC;LEDL,LEDB,LEDN:OUTSTD_LOGIC);ENDENTITYLC;ARCHITECTUREARTOFLCISBEGINLEDB=BRAKE;LEDN=NIGHT;PROCESS(CLK,LP,LR)BEGINIFCLK'EVENTANDCLK='1'THENIF(LR='0')THENIF(LP='0')THENLEDL='0';ELSELEDL='1';ENDIF;ELSELEDL='0';ENDIF;ENDIF;ENDPROCESS;ENDARCHITECTUREART;*波形仿真图：3全系统联调5.1顶层原理图VCCCLKINPUTVCCLEFTINPUTVCCBRAKEINPUTVCCNIGHTINPUTVCCRIGHTINPUTLD1OUTPUTLD2OUTPUTLD3OUTPUTRD1OUTPUTRD2OUTPUTRD3OUTPUTAND2instAND2inst1LEFTRIGHTBRAKENIGHTLPRPLRBRAKE_LEDNIGHT_LEDCTRLinst12CLKCPSZinst13CLKRPLRBRAKENIGHTLEDRLEDBLEDNRCinst14CLKLPLRBRAKENIGHTLEDLLEDBLEDNLCinst155.2仿真结果5.3仿真波形分析输入刹车信号一直为高电平，输出LD2灯和RD2灯也为长亮；左转信号为高电平时，LD1灯闪烁，右转信号为高电平时，RD1灯闪烁；当左转信号和右转信号同时为高电平时，LD1灯和RD1灯都不亮；夜间行驶信号为高电平时，LD3灯和RD3灯同时亮。波形仿真结果满足预期的功能。6硬件测试及说明6.1引脚锁定选用模式5进行硬件测试，时钟CLK接CLOCK2，通过短路帽选择8HZ信号；键1—键4分别控制输入LEFT、RIGHT、BRAKE、NIGHT；D1—D6分别为输出LD1、LD2、LD3、RD1、RD2、RD3。6.2信号名与引脚对照表输入信号按键信号脚引脚号CLKCLOCK2CLOCK217LEFT键1PIO01RIGHT键2PIO12BRAKE键3PIO23NIGHT键4PIO34输出灯信号脚引脚号LD1D1PIO811LD2D2PIO932LD3D3PIO1033RD1D4PIO1134RD2D5PIO1235RD3D6PIO13366.3硬件测试1、按亮键1，D1灯闪亮，表示车辆左转。2、按亮键2，D4灯闪亮，表示车辆右转。3、同时按亮键1和键2，所有的灯都不亮，表示出现错误的输入信号。4、在3的基础上，按灭键1，D4灯闪亮，表示车辆右转；按灭键2，D1灯闪亮，表示车辆左转。5、按亮键3，D2和D5灯长亮，表示车辆刹车。6、按亮键4，D3和D6灯长亮，表示车辆夜间行驶。7、同时按亮键3和键4，D2、D3、D5、D6都长亮，表示车辆在夜间行驶时刹车。8、同时按亮键3、键4、键1，D2、D3、D5、D6长亮，D1灯闪烁，表示车辆夜间行驶并在左转时刹车。9、同时按亮键3、键4、键2，D2、D3、D5、D6长亮，D4灯闪烁，表示车辆夜间行驶并在右转时刹车。10、同时按亮键3、键1，D2和D5灯长亮，D1灯闪烁，表示车辆左转时刹车。11、同时按亮键3、键2，D2和D5灯长亮，D4灯闪烁，表示车辆左转时刹车。12、同时按亮键4、键1，D3和D6灯长亮，D1灯闪烁，表示车辆夜间行驶时左转。13、同时按亮键4、键2，D3和D6灯长亮，D4灯闪烁，表示车辆夜间行驶时左转。综上，硬件测试结果满足方案中的功能要求。6.4结论经过波形仿真和硬件测试知，该设计方案完全符合预期的功能。7课程总结经过七周的上机实验，我熟练掌握了QuartusII软件的使用方法和设计流程，掌握了图形输入法和利用VHDL语言进行自顶向下设计的流程。也能够将编译和仿真成功的程序下载到康芯公司的Cyclone芯片EP1C3T144C8中在GW48教学试验系统中进行硬件仿真。VHDL语言是目前超大规模集成电路设计中不可缺少的工具之一，其在电子信息、通信、自动控制及计算机应用等领域的重要性日益突出。作为一名自动化专业的本科生，应该系统的掌握这门课并且能够在模仿别人的设计思路的基础上有所创新。EDA课程实践给了我一个将理论与实践相结合的机会。在前六周的上机课中，我一直在弄懂实验指导书上已经给出的实验原理和验证已经给出源程序中度过，虽然只是在验证别人的设计思路，每一次的硬件仿真成功还是给了我莫大的成功的喜悦。每一次的试验过程中都会出现一些错误，有人为原因也有硬件的原因，但大部分情况下，我都能找出原