如何实现汽车尾灯的控制器设计？有哪些设计解决方案？

20世纪90年代以来，微电子技术以惊人的速度发展，其工艺水平达到了深亚微米级，此阶段主要出现了以高级语言描述、系统仿真和综合技术为特征的第三代EDA技术，不仅极大地提高了系统的设计效率，而且使设计人员摆脱了大量的辅助性及基础性工作，将精力集中于创造性的方案与概念的构思上。它的特征为：第一，高层综合的理论与方法取得较大进展，将EDA设计层次由RT级提高到了系统级(又称行为级)，并划分为逻辑综合和测试综合。第二，采用硬件描述语言HDL来描述10万门以上的设计，并形成了VHDL和VerilogHDL两种标准硬件描述语言。第三，采用平面规划技术对逻辑综合和物理版图设计进行联合管理，作到在逻辑综合早期设计阶段就考虑到物理设计信息的影响。第四，可测性设计。第五，为带有嵌入IP模块ASIC设计提供软硬件协同系统设计工具。 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。 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：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。 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。

3 / 19

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)

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。 VHDL语言的发展背景

硬件描述语言的发展至今已经有几十年的历史，并已成功应用到系统的仿真、验证和设计综合等方面。其中比较著名的的有VHDL语言、AHDL语言、Verilog HDL语言等。而在七八十年代初期VHDL语言是为美国国防部工作的。它是以ADA语言为根源，就像将被看到的整体结构的VHDL和其他的VHDL报表。

1986年，有人提议VHDL语言作为IEEE标准。它经历了一些修改意见和修改，直至1987年12月获得通过，成为IEEE 1076至1987标准。它的出现为电子设计自动化的普及和推广奠定了坚实的基础。之后IEEE对87版本进行了修订，于1933年推出了较为完善的93版本(被定为ANSI/IEEE std 1076-1993标准)，使得VHDL语言的编程更加灵活方便。此后，越来越多的人开始使用VHDL语言进行数字电路系统的设计。而VHDL

4 / 19

语言有不同于软件编程语言，在编程结构和规范上有自己的特点，在此，本文就从简单介绍VHDL语言基础开始。 VHDL语言的基本结构

一个完整的VHDL[3]语言程序通常包括实体(Entity)、构造体(Architecture)、配置(Configuration)、包集合(Package)和库(Library)5个部分。前4种是可以分别编译的源设计单元。下面分别介绍：

实体：实体是用于描述所设计电路系统的外部接口信号，系统的输入输出端口及属性都是在实体中定义的。一个实体是设计中最基本的。最上层水平的设计是最高层的实体。如果设计分层次，那么最高层的描述将有低层描述的说明附在它里面。

构造体：构造体用于描述系统内部的结构和行为，系统要实现的功能都是在构造体内用语言进行描述的。所有实体可以有一个构造体的说明来模拟。该构造体描述的行为实体。一个单一的实体可以有多个构造体。一个构造体可能是行为而另一个可能是一个结构描述的设计。

配置：配置用于从库中选取所需单元来组成系统设计的不同版本。配置声明是用来约束一个组件实例的一双实体架构。一个配置可以被视为像一个零件清单进行设计。它描述的使用的每一个实体的行为，就像零件列表说明哪一部分用于每一部分的设计。

包集合：包集合存放各种设计模块都能共享的数据类型、常数和子程序等。包集合是一个收集常用数据类型和子程序中使用的设计。想想包含使用的工具建立的设计的一个工具箱作为一个包。

库：库存放已经编译的实体、构造体、包集合和配置。库可由用户生成或者是由ASIC芯片制造商提供，以便在设计中为大家共享。这种功能可以通过特定语句来实现。

一、设计任务要求

1、汽车尾灯控制器内容

基本设计要求： 设计系统模拟汽车尾灯两侧信号，左右各有3个

指示灯(用发光二极管模拟)，具有如下模式：

(1)汽车正向行使时，指示灯全部处于熄灭状态。

(2)汽车右转弯行驶时，右侧的3个指示灯按右循环顺序点亮，

(3)汽车左转弯行驶时，左侧的3个指示灯按左循环顺序点亮

(4)汽车临时刹车时，指示灯同时处于闪烁状

整体电路要双面板布线，状态转换可用数码管显示(选做)

二、设计框图及整机概述

2.1汽车尾灯控制器

2.1.1设计框图

2.1.2整机概述

汽车尾灯控制电路中，汽车尾灯有正常运行、右转弯、左转弯和临时刹车4种不同状态。当正常行驶时，汽车的左右尾灯全灭;当汽车右转弯时，汽车的右尾灯按顺序依次从里向外循环点亮;当汽车左转弯时，汽车的左尾灯按顺序依次从里向外循环点亮;当汽车临时刹车是，所有的尾灯随着CP同时闪烁。

三、各单元电路的设计方案及原理说明

3.1汽车尾灯控制电路单元(五号字)(单元电路图，设计过程及原理说明)

3.1.1三进制计数器

三进制计数器由触发器74ls161构成。74ls161是4位初值可预置数的16进制同步计数器，如图3.1.1所示：

图3.1.1

采用同步置数法，预置数1101，当CLK产生上升沿时开始计数，计数到1111时返回预置数重新计数。从而由74ls161十六进制计数器实现三进制计数器功能，如图3.1.2：

图3.1.2

3.1.2译码电路

如图3.1.3，译码电路是由3-8译码器74ls138和6个与非门74ls00构成。74ls138的3个输入端A、B、C分别接S1、Q1、Q0，其中Q1、Q0是三进制计数器的输出端。当S1=0、使能信号A=E1=1，计数的状态为00、01、10时Y1、Y2、Y3依次输出低电平有效(Y5、Y6、Y7、输出高电平无效)，经过与非门后依次高电平输出;当S1=1、使能A=E1=1时Y5、Y6、Y7依次输出低电平有效(Y1、Y2、Y3输出高电平无效)，经过与非门后依次高电平输出;当E1=0、A=1时74ls138全部输出全为高电平，经过与非门后全为低电平;当G=0、A=CP时，与非门输出端随着CP脉冲的频率闪烁。

图3.1.3

3.3.3开关控制电路、开关S1、S0

列写开关、信号CP与使能信号E1、A的逻辑功能表

表3.1.1

开关控制CP使能信号

S1S0E1A

00×01

01×11

10×11

11CP0CP

将逻辑功能表整理后得

E1=S1异或S0、

A=((S1﹒S0)(S1﹒S0﹒CP)’)’

如图3.1.4画出开关控制电路与开关

图3.1.4

3.1.4 LED、数码管驱动显示电路

如图3.1.5、3.1.6所示，LED显示电路由LED接300欧电阻组成，数码管由74ls48驱动。当S1、S0都没有按下时，LED灯全灭，74ls48输入端为0000，数码管显示数字0。当按下S0时，D3、D2、D1前的与非门依次高电平输出，实现D3、D2、D1依次从里向外点亮;74ls48输入端为0001，数码管显示数字1;。当按下S1时，D4、D5、D6前的与非门依次高电平输出，实现D4、D5、D6依次从里向外点亮;74ls48输入端为0010，数码管显示数字2;。当S0、S1都按下时D1、D2、D3、D4、D5、D6随着CP的频率闪烁，74ls48输入端为0011，数码管显示数字3。

随着汽车智能化的不断发展，人们开始追求更好的驾驶体验，并对全面的汽车安全性能，提出了更高的要求，其中包括具有重要提示功能的汽车尾灯系统。

通常，汽车尾部的灯组是车辆灯光系统中非常重要的一部分，由刹车灯、倒车灯、转向灯、雾灯组成。尾灯的主要功能是提醒后方车辆，向其传达前车的行驶状态。

为了提高尾灯的显示效果和稳定性，其解决方案通常采用MCU+LED驱动芯片的组合。鉴于需要符合车辆的规格要求，所以需要满足AEC-Q100的可靠性认证，以提高系统的稳定性。

芯海科技CS32F116Q是一款基于ARM Cortex-M3内核的通用车规MCU，满足AEC-Q100认证的要求，可广泛应用于车灯控制、车用电机控制、车窗控制、汽车传感器检测等场景。

01CS32F116Q产品优势

高性能处理器：ARM Cortex-M3内核，72MHz工作频率，支持单周期乘法和硬件除法。

丰富的时钟源：具有8MHz的内部RC高速振荡器和40kHz的内部RC低速振荡器，同时支持4到16MHz的外部晶体振荡器，支持锁相环(PLL)倍频。

大容量存储：集成128KBytes的Flash存储器和20KBytes的SRAM，提供足够存储空间。

先进的定时器和PWM控制器：具有3个16位定时器，每个定时器有四个独立通道用于输入捕获/输出比较/PWM生成/单脉冲模式，同时支持增量编码器输入和霍尔传感器输入;1个16位带有死区控制和紧急刹车的PWM高级控制定时器。

高精度ADC：提供两路12-Bit高精度ADC，采样率高达1Msps，16个输入通道。

强大的通信接口：3个USART接口，通信速率可达4.5Mb/s;2个I2C接口，支持标准模式和快速模式;2个SPI接口;1个CAN 2.0B接口;1个USB 2.0接口。USART/I2C/SPI可通过7通道DMA实现数据的直接传输。

身份认证和安全特性：支持CRC和96-bit UID，提供身份认证功能。

丰富的GPIO：LQFP48:37个，LQFP64:51个，LQFP100: 80个，可实现多种外设连接。

CS32F116Q系统框图

02CS32F116Q的尾灯应用方案

该方案采用CS32F116Q作为主控芯片，搭配两颗9通道RGB LED驱动芯片和一颗36通道RGB LED驱动芯片，具有一流的应用特性。

首先，9V~16V的宽电压供电及防反接设计，确保足够电力支持的同时增强供电安全性。

其次，所有灯珠都可呈现出明暗交替的呼吸灯效果，营造出迷人的视觉效果，引领行车灯效的新潮流。灯控还可实现依次点亮、依次熄灭，演绎流水灯效果，炫酷且富有创意。

最后，该方案通过CAN/LIN接口与BCM通信，实现多样化的显示控制，满足不同用户针对汽车尾灯系统的个性化创新及稳定可靠的应用需求。

CS32F116Q尾灯方案系统框图

CS32F116Q具备2个I2C总线接口(I2C0, I2C1)，能够工作于多主模式或从模式，支持标准模式和快速模式以提供多样化的选项。I2C0总线上能同时挂载2颗9通道RGB LED驱动芯片，透过不同的设备地址完成数据的精准传输，进一步控制2组LED，控制18颗灯珠的光芒。而I2C1则与36通道RGB LED驱动芯片通信，控制36个LED，打造醒目的转向指示。

本解决方案中，采用400K的快速模式，与外部设备进行及时通信。

此外，CS32F116Q具备3个高效的USART接口，其中USART 1接口通信速率可达4.5Mb/s，其他接口(USART2，USART3)的通信速率可达2.25Mb/s，快速且稳定。USART接口具有硬件CTS和RTS信号管理、支持IrDA SIR ENDEC传输编解码、兼容ISO7816的智能卡并提供LIN主/从功能。所有USART接口都能使用DMA操作，极大地提升效率。