基于VHDL的汽车尾灯控制电路设计

于明军，郭 跃，郝甜甜，何瑞强

（赤峰学院 物理与电子信息工程学院，内蒙古 赤峰 024000）

摘 要：本设计利用硬件描述语言（VHDL）对汽车尾灯控制电路进行描述并通过Altera公司Quartus II软件对源程序进行编译、仿真，调试后的程序下载到FPGA开发板FA280上，通过实验板上的发光二极管模拟汽车尾灯的工作状态.可以完成汽车行驶状态、左转状态、右转状态、刹车状态时的尾灯动态显示功能.

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关键词 ：EDA；VHDL；汽车尾灯控制电路

中图分类号：TN79文献标识码：A文章编号：1673-260X（2015）04-0058-03

1 实验开发板及VHDL介绍

本设计用到的实验板是FPGA开发板FA280，FA280板载有SDRAM，flash以及USB Blaster下载线电路，这里主要介绍关于HDL的程序开发.利用QuartusⅡ集成开发环境来完成前期设计，以FPGA实验开发板为运行载体，来完成VHDL、Verilog HDL等一些硬件语言的运行显示.

本文应用FPGA开发板FA280，其核心器件为Altera CycloneⅡ系列的EP2C8Q208，是包含192个引脚，其中I/O口有183个的，最新采用逻辑单元为单位来衡量内部资源的芯片.EP2C8的工作电压为1.2V，是运用Verilog硬件描述语言来实现对EEPROM进行读写操作.EPCS4为EP2C8的配置芯片，其成本低、外形封装小、灵活性高.

接口包括：PS2接口、VGA接口、RS232串口、USB下载接口.开发板具有USB Blaster下载线电路，插上USB线即可进行下载，通过拨动USB接口开关选择JTAG或AS下载方式.

显示设备包括6位7段红光数码管，8位绿色LED发光二极管，LCD1602和LCD12864显示屏接口插座.

复位电路由一个复位按键和一个复位芯片组成的，可以将电路恢复到起始状态（相当于清零按钮）.复位芯片为MAX811R，可将输出脉冲宽度为140ms、门限为2.63V的低电平有效复位脉冲信号提供给FA280.

电源部分包括1117-3.3和1117-1.2各一片，从功能板分别引入3.3V和1.2V的直流电源作为EP2C8的核心电源电压，并在核心板上加入滤波电容，以确保芯片和电源系统的稳定性.

其他还包括一个蜂鸣器、4位独立按键、电源插座和开关、SD卡座、扩展总线（GPIO）和有源晶振.其外观如图1所示.

VHDL高级硬件描述语言已成为IEEE标准，VHDL的描述能力最强，因此运用此结构进行复杂电路设计时，常采用“自顶向下”的结构化设计方法.适用于行为级和RTL级的描述，最适于描述电路行为，并在设计时可以不了解电路的结构细节.VHDL主要用于描述数字系统的结构、行为、功能和接口，其设计的基本点是将设计实体分成内、外部分.适用于电路高级建模，综合的效率和效果较好.而且采用的模块化、逐步细化的设计方法能够及早的发现各子系统及模块中的错误，而且有利于系统的分工合作，这就提高了系统设计的效率，特别适用于可编程逻辑器件的应用设计.完整的VHDL程序要包含库、程序包、实体、构造体和配置等部分，它的描述语句和常用语句都有其固定的格式，并且有自己的语法，不允许不同类型的数据在表达式中自由组合.

QuartusⅡ作为一个综合性的开发平台，可以完成多种功能的实现.QuartusⅡ的设计流程：首先输入HDL等形式的设计文本，接着根据设计要求进行编译，然后进行设计校验（仿真和定时分析），最后进行编程与验证（将编程文件配置到PLD中）.设计过程中，如果出现错误，则回到设计输入阶段改错，然后重复以上步骤.

设计输入：设计输入可以用HDL方式或原理图录入方式.一般可以使用原理图来设计最顶层，将整个设计的结构描述清楚，对于HDL方式的设计输入，可以采用Verilog和VHDL，我们这里采用VHDL语言来实现.

综合：综合工具将设计转换成包含逻辑单元和逻辑单元间连接的网络表.

功能仿真：对已经综合的电路的功能进行验证，功能仿真不涉及任何时序方面的内容.

配置：将综合产生的网络表中的逻辑单元映射到CPLD/FPGA器件中的LE，这里还包含器件中LE间连接和路由的选择.

时序分析和时序仿真：通过分析配置后的电路各个路径上的传输延时，获得电路的性能情况.这里的时序仿真将结合器件时间参数，与前面的功能仿真不同，功能仿真只关注源程序的逻辑是否正确.

编程：在CPLD/FPGA器件内实现设计，包括逻辑单元和逻辑单元间的连接.

2 功能设计及分析

对该汽车尾灯控制器的具体要求：（一）汽车左右两侧各有3只LED指示灯；（二）当汽车正常向前行驶时，6只LED指示灯为全部熄灭；（三）当汽车向左转弯时，左侧的LED指示灯循序从右到左闪亮，右侧的LED指示灯全部熄灭；（四）当汽车向右转弯时，右侧的LED指示灯循序从左到右闪亮，左侧的LED指示灯全部熄灭；（五）刹车时，6只LED指示灯全部点亮.FA280开发板硬件具有8位LED，为低电平驱动方式，即低电平点亮高电平熄灭.本设计中实现以提供低电平方式点亮8个LED中的某一个或多个，两次点亮的时间间隔为1s.

通过设置系统的输入信号：系统时钟信号CLK，汽车左转弯控制信号bleft，控制汽车左侧3盏指示灯LeftLight0、LeftLight1、LeftLight2，汽车右转弯控制信号bright，汽车右侧3盏指示灯RightLight0、RightLight1、RightLight2实现以上功能.

根据以上功能分析、汽车尾灯控制逻辑功能表可以编写汽车尾灯控制电路的VHDL程序.

3 程序调试及下载

3.1 程序编译

（1）建立工作库目录，以便设计工程项目的存储，打开Quartus II 9.0软件.

（2）在工具栏中选择“新建”按钮，选择“Text Editor”以进行文本输入.

（3）在文本输入界面内进行程序输入.

（4）输入完毕后，需要对程序进行保存.文件名和实体定义的符号必须保持一致，即文件名为carlight.因为是使用VHDL语言，所以文件文件类型为.vhd.

（5）在菜单栏下拉按钮里选择“Start Processing”，对程序进行编译，此时，Quartus II 9.0sp2软件会对程序进行纠错等处理.

（6）在编译完成以后，打开程序，选择“File”→“Edit Symbol”生成设计模块图.

3.2 程序仿真及下载

（1）编译完全通过后，新建波形编辑器进行设计仿真.通过“新建”按钮，选择“Waveform Editor”.

（2）新建波形编辑器后，对文件进行保存.同样是使用文件名carlight，后缀改为scf.

（3）在编辑器的Name栏点击鼠标右键，选择“Insert Node or bus…”，点击“Node finder”选中所有观察的节点信号.

（4）通过编辑器左侧的快捷键对所加节点中的输入信号进行相关的赋值，然后对程序进行仿真，观察输出信号.对编辑器（Edit）里面的赋值（Value）中的Clock进行设置.

（5）在进行仿真前，还需对仿真截止时间和最小单位时间进行一下调整.在“Edit”栏对截止时间“End Time”设置为“10.0us”.

（6）得初始仿真图，如图2所示：

（7）当汽车正常行驶时，左转信号bleft和右转信号bright都为0，所有的灯都熄灭，都为1，仿真图如图3，将程序写入开发板，显示如图4：

（8）当汽车向左转时，左转信号bleft为1，右转信号bright为0，此时右侧灯rightlight2、rightlight1、rightlight0全灭为111，而左侧灯leftright0、leftright1、leftlight2依次亮灭，状态为为110、101、011.仿真图如图5，将程序写入开发板，显示如图6：

（9）当汽车向右转时，左转信号bleft为0，右转信号bright为1，此时左侧灯leftright0、leftright1、leftlight2全灭为111，而右侧灯rightlight2、rightlight1、rightlight0依次亮灭，状态为110、101、011.仿真图如图7，将程序写入开发板，显示如图8：

（10）当汽车刹车时，左转信号bleft为1，右转信号bright也为1，此时左边灯leftright0、leftright1、leftlight2全亮为000，右边灯rightlight0、rightlight1、rightlight2全亮为000.仿真图如图9，将程序写入开发板，显示如图10：

4 结语

本设计依靠EDA教学开发板，QuartusⅡ软件环境，运用原理图和硬件描述语言进行输入并进行编译、仿真验证设计的正确性.对开发板的学习有一定的指导作用.

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参考文献：

（1）廖超平.EDA技术与VHDL实用教程[M].北京：高等教育出版社，2007.

（2）闫石.数字电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2006.

（3）华成英.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2006.

（4）侯伯亨.VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计[M].西安：西安电子科技大学出版社，2009.

（5）潘松，黄继业.EDA技术与VHDL[M].北京：清华大学出版社，2006.