（通信与信息系统专业论文）基于gm8182芯片视频监控设备的硬件分析与设计.pdf

浙江工业大学硕士学位论文 基于g m 8 1 8 2 芯片视频监控设备的硬件分析与设计 摘要 随着社会经济的高速发展，人们的安防意识不断增强，特别是在公安、金融证券、银 行、商店等重要部门中，视频监控系统的应用越来越重要。随着科学技术的发展、图像处 理技术的提高，视频监控系统渗透到教育、政府、医疗、交通等其他领域，逐渐进入人们 的生活工作之中。本文在分析了e d a 技术和视频监控设备的发展概况的基础上，提出了 一种基于c a d e n c e 工具、以g m 8 1 8 2 芯片为处理器的视频监控的硬件设计构想。 文章首先分析了视频监控设备的功能要求，提出了以g m 8 1 8 2 芯片为核心微处理器的 视频监控设备的总体设计框架，介绍处理器g m 8 1 8 2 芯片和音视频处理电路芯片，介绍了 各硬件模块的电路功能，利用o r c a d 软件完成了各模块的硬件原理图设计，包括存储电 路、以太网电路、音视频处理电路、音视频数据存储电路、u s b 接口扩展电路、电源模块 电路和其他模块电路。 然后介绍了如何使用a l l e g r o 软件完成p c b 设计，本系统采用高速p c b 设计，文章重 点讨论高速电路板设计的布局和布线注意事项和措施等。并对高速电路板中的差分线和 d d r 等长布线，特别是g m 8 1 8 2 和d d r 芯片之间的高速信号布线，进行了详细的分析与 探讨。 本文还对监控系统中的g m 8 1 8 2 和d d r 芯片之间的高速信号关键网络进行了仿真， 通过对仿真结果的分析，确定了整个系统工作时序的正确性。采用功能强大的c a d e n c e 软 件进行高速电路的硬件设计和仿真，极大的缩短硬件设计周期，节约开发成本。 关键词：视频监控，c a d e n c e ，s p e c c t r a q u e s t ，高速电路，g m 8 18 2 a n a i y s i sa n dd e s i g no f t h e v i d e os i 帆i a n c ee q u w m e n t b a n s e d t h eg m 8 1 8 2c 皿 w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h es o c i a le c o n o m y ，p e o p l e ss a f e t ya w a r e n e s s a r eg r o w i n g t h ea p p l i c a t i o no fv i d e os u r v e i l l a n c es y s t e m si si n c r e a s i n g l yi m p o r t a n t ，e s p e c i a l l yi n t h e i m p o r t a n td e p a r t m e n t s ，s u c ha sp u b l i cs e c u r i t y ，f i n a n c ea n ds e c u r i t i e s ，b a n k s ，s h o p s w i t ht h e d e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g ya n dt h ei m p r o v e m e n to fi m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g y ， v i d e os u r v e i l l a n c es y s t e m sp e n e t r a t ei n t oo t h e ra r e a ss u c ha se d u c a t i o n ，g o v e r n m e n t ，h e a l t hc a r e ， t r a n s p o r t a t i o n ，a n dg r a d u a l l yi n t op e o p l e sl i v i n ga n dw o r k i n gp l a c e i nt h i s a r t i c l ep r o p o s e d a v i s i o nf o rv i d e os u r v e i l l a n c eh a r d w a r ed e s i g nw i t hg m 8 18 2c h i pa st h ep r o c e s s o ra n db a s e do n t h ec a d e n c es o f t w a r e ，b a s e do nt h ed e v e l o p m e n to fe d at e c h n o l o g i e sa n dv i d e os u r v e i l l a n c e e q u i p m e n t - t h ea r t i c l ef i r s ta n a l y z e st h ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t so fv i d e os u r v e i l l a n c ee q u i p m e n t ， p r o p o s e da no v e r a l ld e s i g nf r a m e w o r kf o rv i d e os u r v e i l l a n c ee q u i p m e n tw i t hg m 8 18 2c o r e m i c r o p r o c e s s o r ，a n di t i n t r o d u c e dt h em a i nc h i p ( s u c ha st h ep r o c e s s o rc h i po fg m 8 18 2 ，a u d i o a n dv i d e op r o c e s s i n gc h i p ) a n dd e s c r i b e dt h ef u n c t i o n so fe a c hh a r d w a r em o d u l ec i r c u i t ，a n d h o wt oc o m p l e t eh a r d w a r es c h e m a t i cd e s i g no fe a c hm o d u l e ，i n c l u d i n gm e m o r yc i r c u i t s ， e t h e m e tc i r c u i t s ，a u d i oa n dv i d e op r o c e s s i n gc i r c u i t s ，a u d i oa n dv i d e od a t as t o r a g ec i r c u i t s ， e x f i a n s i o no fu s bi n t e r f a c ec i r c u i t ，p o w e rc i r c u i ta n do t h e rm o d u l e sc i r c u i t s ，u s i n go r c a d s o f t w a r e t h e nw ec o m p l e t e dp c bd e s i g nu s i n gt h ea l l e g r os o l , r a r e ，a n df o c u s e do nt h ep r e c a u t i o n s a n dm e a s u r e so ft h eh i 曲s p e e dc i r c u i tb o a r dd e s i g nl a y o u ta n dw i r i n g w ed e t a i l e dt h e d i f f e r e n t i a ll i n er o u t i n ga n dd d r 2i s o m e t r i cr o u t i n g ，e s p e c i a l l yt h eh i g h - s p e e ds i g n a lr o u t i n g b e t w e e ng m 8 18 2a n dd d r 2c h i p f i n a l l y ，w es i m u l a t e dt h ek e yn e tw h i c hi st h ev i d e os u r v e i l l a n c ee q u i p m e n t sh i g h s p e e d s i g n a l sb e t w e e ng m 8 18 2a n dd d r 2c h i p s ，t h r o u g ha n a l y s i so fs i m u l a t i o nr e s u l t s ，u s i n gt h e c a d e n c es o f t w a r e ss p e c t r a q u e s ts i m u l a t i o ns o f t w a r e ，i td e t e r m i n e dt h ea c c u r a c yo ft h ew h o l e s y s t e mw o r k st i m i n g c a d e n c ei sap o w e r f u le d as o f t w a r e ，u s i n gi t t od e s i g nh a r d w a r ea n ds i m u l a t et h e h i g h s p e e dc i r c u i t ，n o to n l yr e d u c e dt h eh a r d w a r ed e s i g nc y c l e ，b u ta l s o s a v et h ed e v e l o p m e n t c o s t s k e yw o r d s ：v i d e os u r v e i l l a n c e ，c a d e n c e ，s p e c c t r a q u e s t ，h i g h - s p e e dc i r c u i t ，g m 8 18 2 浙江工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1引言 随着经济和科学技术的快速发展，社会进入信息化时代，多媒体信息在i n t e m e t 和移 动网络中的处理和传输技术成为了当前人们关注的热点。人们对自身安防意识越来越强， 希望能实现实时远程监控，特别是在公安、金融证券、银行、商店等重要部门中，视频监 控系统的应用越来越重要。视频监控系统渗透到教育、政府、医疗、交通等其他领域，进 入人们的生活工作之中。 随着网络通讯技术、数字图像处理以及多媒体技术和嵌入式技术的进一步发展，出现 了网络视频监控技术。网络化视频监控设备不需要额外的主机控制，可以自主采集音视频 数据、对音视频数据进行压缩，然后在网络上传输数据。它代替传统的模拟摄像机，直接 接入以太网，减少了复杂的视频电缆。网络化视频监控设备拥有独立的i p 地址，用户在电 脑上通过浏览器对视频监控设备访问和控制，实时监控目标现场的情况。数字视频监控系 统是将音视频数据直接上传到网络上的，保证音频和视频的质量和稳定性。数字存储和音 视频编解码技术减少了存储空间，便于保存和查询；监控系统使用现有网络，布线方便， 节约了人力成本。设备可靠性好、稳定性好，可以无人值守和远程设置，实现基于网络的 集中管理；扩展性好，通过现有网络增加一台视频监控设备即可增加一个监控点，不用更 改现有的布线系统。 本课题研究的视频监控设备采用g m 8 18 2 芯片作为处理器，t w 2 8 6 5 芯片采集处理音 频和视频。视频监控设备主要功能是对视音频信号进行采集、解码、存储、压缩、发射。 视频监控设备的处理器是一个高速处理器，设计该设备时要采用高速电路设计技术，在进 行p c b 设计时要选择合适的p c b 设计软件。c a d e n c e 软件是功能强大的e d a 工具，是目 前企业最流行的e d a 工具之一，为视频监控设备的设计提供了一个很好的平台。利用 c a d e n c e 软件进行硬件系统的高速设计和仿真已经成为目前硬件设计领域的一个研究热 点。 浙江工业大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状及发展趋势 1 2 1e d a 软件发展概述 e d a 即电子设计自动化，是现代电子信息工程领域的新技术，涉及面广，内容丰富， 使用软件方式对系统进行硬件设计，设计过程可以使用相关软件进行仿真，整个系统可以 集成在一个芯片上，体积小、功耗低、可靠性高，而且设计的移植性好，适合分工设计和 团体协作，可以缩短设计周期、降低设计成本，提高设计质量【l 】。e d a 涉及的领域很广泛， 包括网络、通信、计算机、航天航空等。产品则涉及系统板级设计、系统数字中频模拟 数模混合射频仿真设计，系统i c a s i c c p l d f p g a 的设计仿真验证、软硬件协调设计 等。 e d a 软件是个庞大的系统，包括p c b 设计、m c m 设计、嵌入式设计、p l d f p g a 设 计、a s i c 设计、a s s p 设计、标准i c 设计和系统设计。p c b 设计的常用软件主要包括p r o t e l 软件、m e n t o r 软件和c a d e n c e 软件。 p r o t e l 软件是国内较早使用的c a d 软件，是一个全方位的电路设计软件，主要功能有 绘制原理图、信号仿真、多层印制电路板设计、图标生成、电路表格生成等，同时还兼容 其他一些设计软件格式。 m e n t o r 软件是高端e d a 软件中涵盖面较广的软件，包含e n 、w g 和p a d s 三大产品 它是复杂的p c b 设计解决方案，比较适合个人独立设计和小型团队设计。 c a d e n c e 软件是目前高端p c b 设计领域的最流行e d a 工具之一，其卓越的性能使得 该软件受到众多大企业的欢迎，可以完成a s i c 设计、f p g a 设计和p c b 板设计，几乎包 含了所有的电子设计。c a d e n c e 软件的优势在自动布线、仿真电路设计、版图设计验证这 几个方面，并且拥有自己的编程语言s k i l l 语言。c a d e n c e 软件主要包括a l l e g r o 系列和收购 来的o r c a d 系列软件，c a d e n c e 公司将这两部分的强项结合起来组成“c a d e n c ep s d ”，即 “s p b ”软件。c a d e n c ea l l e g r o 系统互连设计平台支持协同设计，可以高性能的互连集成电 路、封装、p c b 。这种独特的协同设计方法优化i o 缓冲器之间和跨集成电路、封装以及 印制电路板的系统互连，避免硬件返工、降低成本、缩短设计周期【2 】。 c a d e n c es p b l 6 3 是c a d e n c e 公司推出的一款高性能电路设计软件包，包括电路原理图 设计、p c b 设计及电路仿真等整个设计流程中所需功能。特别在高速设计方面，该系统提 供了一整套包括分析控制s i 、p i 、e m c e m i 等问题于一体的高速设计工具，并在传统的 物理约束基础上扩充了电气约束功能，解决在设计环节中存在的与电气性能相关的问题【3 】。 浙江工业大学硕士学位论文 1 2 2 视频监控设备的发展与趋势 视频监控系统综合了通信技术、数字视频技术和计算机技术，它以其直观、方便、信 息内容丰富等特性而被广泛应用于工业生产、交通、电力、银行、智能办公大楼等场所【4 】【5 1 。 随着计算机技术、图像处理技术的发展，视频监控系统可分为三个阶段，如图1 1 所示。 1 9 6 9 1 9 9 02 0 0 9 图1 1 视频监控系统发展历程 ( 1 ) 第一代视频监控系统 第一代视频监控系统在上世纪6 0 年代问世，也就是传统的模拟闭路视频监控系统， 它曾在保安、生产管理等场合被广泛的使用。系统由摄像机、录像机和监视器等组成，通 过模拟输入并模拟传输。采用同轴电缆传输，传输距离受到限制，只支持本地监控。存储 介质采用模拟盒式磁带录像机，录像容量有限、质量较差，并且磁带会因为环境因素而难 于保存【6 1 。模拟监控系统设备多，维护成本高，要专用的视频电缆，只能在监控中心查看 图像，系统扩充能力差，重新布线麻烦，难以形成有效的报警联动。这些缺点使得模拟视 频监控已经逐渐被市场淘汰。 ( 2 ) 第二代视频监控系统 模拟视频监控系统的核心是模拟视频矩阵和磁带式录像设备v c r ，到2 0 世纪9 0 年代， 数字视频矩阵代替的原来的模拟视频矩阵，以数字硬盘录像机d v r 替代原来的模拟录像 机，磁带式存储变成了数字录像存储，由此产生了第二代视频监控系统数字视频监控。 这一代的视频监控主要是基于p c 机的，也可以是嵌入式设备构成监控系统。一般采 用远端监控现场，由多个摄像机和检测设备组成，通过通信接口将视频压缩卡连接到通信 网络，然后将信息传到监控中心【7 1 。这一代系统传输距离远，图像质量好，可进行实时监 控，提高监控效率和灵活性，并且数据的保存成本低。但系统安装复杂，采用集中式布线 系统，维护成本高，功耗高，需要有人值守。 ( 3 ) 第三代视频监控系统 随着科学技术的发展，人们不再希望局限本地视频监控，希望能实现远程监控。网络 3 浙江工业大学硕士学位论文 技术的发展，使得这一愿望得以实现，产生了网络数字视频监控。这一代视频监控依赖于 网络，核心是数字视频压缩、传输，特色是采用了智能的图象分析，引起了监控行业的又 一次革命例。 这一代视频监控基于嵌入式实时操作系统的网络视频服务器，采用实时多任务操作系 统，将视频压缩和处理集成在芯片上，具有分布性、实时性和同步性。芯片能高效压缩数 字化的视频数据，然后将压缩后的数据上传到服务器，用户可通过浏览器查看音视频，可 以对系统进行配置以控制摄像机转动以及摄像头的焦距和亮度。第三代视频监控是在体积 很小的设备内完成视频压缩和处理，直接接入以太网，无需电缆传输，安装方便，用户可 直接用浏览器观看。 监控系统大型化、网络化、集成化是一种必不可挡的趋势，第三代的网络数字监控系 统有很好的研究应用前景，主要在于其处理速度快、存储方便。特别是随着我国3 g 网络 技术的普及，网络数字监控系统的应用规模也将越来越大。 1 3 课题研究目的和意义 网络和多媒体技术的发展，国内宽带业务产业迅速发展，3 g 网络技术也开始普及，网 络视频监控系统成为一种趋势。网络数字视频监控系统可以远程集中控制监控信息，增强 系统整合能力，减少了监控人员，节省人力成本，避免了各子系统单独设计造成的资源浪 费1 9 1 。 本文设计的视频监控设备是基于网络的，设备捕获模拟视频信号，信号经h 2 6 4 压缩 处理，模拟音频信号经过压缩处理，然后通过3 g 无线网络模块或者有线网络发送到服务 器上，客户端通过网络连接到到服务器上，即可看到视频和听到声音了。 本课题设计的是基于网络的数字视频监控设备，供电系统稳定可靠，成本低，产品体 积小，易于安装，存储容量大，存储介质好，可采用硬盘存储，也可采用s d 卡；能实时 视频监控和音频监听，可以向客户端发送报警信息，支持视频回看，操作界面简单；设备 内置充电系统，在断电时可保证监控系统正常工作半个小时。 本课题的视频监控设备采用a r m 9 微处理器，c p u 时钟频率达到5 3 3 m h z ，在进行 设计时需要采用高速电路设计技术。为了保证系统时序的正确，需要对c p u 和s d r a m 之间的信号进行信号完整性设计，以便确保c p u 能正确读写s d r a m 中的数据，设备能 正常工作；反之，设备将产生一些问题，如反射、振铃、近端串扰、开关噪声、非单调性、 地弹、电源反弹、衰减等问题。所以在进行p c b 设计中，按要求完成布局和布线只是第 浙江工业大学硕士学位论文 一步，还需要借助仿真工具验证关键网络信号的时序，从而保证系统能正常稳定工作。本 课题完成一个基于a r m 9 微处理器的视频监控设备的硬件平台，并进行仿真。 在信号完整性分析应用方面，国内研究方向是借助信号完整性分析工具分析高速数字 系统中关键网络拓扑的信号质量【l o l i l l l 【1 2 1 。本课题在使用c a d e n c e 软件建立视频监控设备 的硬盘平台时，深入学习视频监控设备的硬件原理，同时较好的学习如何进行高速电路设 计。 1 4 论文主要内容和结构安捧 本文在基于c a d e n c e 软件和p c b 设计的理论基础上，研究了视频监控系统的硬件实 现，提出了设备硬件的总体设计框架，对设备硬件模块功能和电路做了详细的分析，利用 o r a c d 、a l l e g r o 软件完成了视频监控设备的原理图和p c b 设计，结合自己在硬件设计中 的实践经验，总结了关于原理图设计和p c b 设计中的一些注意事项，并采用c a d e n c e 软 件中的信号完整性仿真设计工具s p e c c t r aq u e s t 对系统中的关键信号进行仿真。 本文组织如下： 第一章：绪论，简单介绍了视频监控设备和e d a 的发展及现状以及本课题研究的背 景、现状和目的意义。 第二章：介绍了高速电路设计理论、c a d e n c e 设计与仿真工具以及高速电路设计与仿 真流程。 第三章：分析了视频监控设备的设计方案和性能指标，根据本设备的具体要求提出了 硬件设计方案，并对主要芯片作介绍。 第四章：查阅大量文献资料和芯片的数据手册，详细介绍各个硬件模块的功能，设计 硬件电路原理图，并做具体分析； 第五章：使用c a d e n c e 软件平台中o r c a d 软件和a l l e g r o 设计工具完成了视频监控 设备的电路原理图设计和p c b 设计的过程，提出了关于信号完整性和电磁干扰和电源完 整性的应对措施，并应用到实际设计中，如差分布线和等长布线方式。最后通过仿真器对 p c b 设计中的关键信号进行仿真，验证设计的合理性和正确性。 第六章：结论与展望，总结全文内容，并对以后的研究工作进行展望。 浙江工业大学硕士学位论文 第2 章高速电路设计 信息化的今天，随着半导体技术的发展、数字集成电路系统的速度和密度的提高、数 字信号处理速率的提高，涌现了新型工艺和封装技术，如b g a 、l q f p 、p l c c 等封装， 这种小型化和高密度封装被大量使用，产品体积越来越。芯片工作频率越来越高，高速p c b 设计将成为重点，复杂度也将提高。信号完整性、电磁兼容性、电源完整性等方面的问题 成为高速电路设计的重中之重。 2 1 高速电路设计概述 如果一个数字系统的时钟频率达到或者超过5 0 m h z ，而且工作在这个频率的电路占整 个电路的一定分量( 比如说1 3 ) ，这就是高速电路【1 3 】【1 4 1 。另一种定义是如果信号线中传播 延迟比数字信号驱动端上升时间的1 2 还要大，那么该信号就是高速信号并产生传输线效 应，这类电路被认为是高速电路【1 5 】。还有按传输线上信号上升沿时间来定义高速电路的。 目前大约有一半以上的设计时钟频率超过了5 0 m h z ，主频超过1 2 0 m h z 的设计约占 1 5 。如果工作频率在5 0 m h z ，将产生信号完整性问题；如果频率超过1 2 0 m h z ，传统设计 方法产生的p c b 是无法正常工作的，必须采用高速电路设计方法【1 4 1 。 高速数字电路设计面临的问题主要包括信号完整性、电磁兼容性和电源完整性。在进 行p c b 设计时要将高速电路设计理论知识应用到p c b 设计中，借助功能强大的e d a 软件， 认真研究具体情况，才能更好的解决信号完整性、电磁兼容性和电源完整性等问题。 2 1 1 信号完整性 信号完整性指信号在电路中以正确的时序和电压做出响应的能力，如果信号能按照要 求的时序、持续时间和电压幅度到达接收器，则电路具有较好的信号完整性【1 3 】。广义的信 号完整性指的是高速设计中互连线引起的问题，主要研究互连线与数字信号的电压电流波 形相互作用时其电气特性参数如何影响产品的性能。它的影响表现形式较多，主要有时序、 噪声、电磁干扰这三种。我们知道的许多信号完整性问题都是因为互连线的电气特性影响 信号引起的，如反射、近端串扰、振铃、开关噪声、电源和地反弹、衰减等【1 6 】【1 7 1 。 反射是信号在传输线上的回波，由于数字元器件的互联线的不连续引起的信号波形失 6 浙江工业大学硕士学位论文 真。入射信号的一部分会沿着传输线继续传播，另一部将沿着与原来相反的传播方向反射 到发射端。如果能保证源端和负载端的阻抗匹配，则不会发生反射，但在现实中是无法做 到的，通常我们采用阻抗匹配的方法来减少和消除反射，阻抗匹配方法很多，主要有并联 终端匹配、串联终端匹配、戴维南并行端接、主动并行端接、并行a c 端接等【l 引。 串扰是两个信号线的耦合、互感和互容引起线上的噪声，电磁耦合对相邻传输线产生 不期望的影响，串扰过大引起电路误触发，导致系统无法正常工作【1 9 】。串扰发生在互联线 为均匀传输线和互联线为非均匀传输线这两种不同情况中，引起串扰的因素包括接收端和 驱动端的电气特性、信号线之间距离、p c b 板层的参数和端接方式，拓扑结构不合理也会 引起串扰。串扰普遍存在于高速p c b 设计中，给系统带来不利影响，虽然无法避免高密度 p c b 中的串扰产生，但可以通过措施减少串扰。减小串扰的基本规则主要有：使用宽的走 线；走线的布置尽量接近参考平面；增加走线之间的间距；匹配传输线；减小耦合长度； 对其他走线进行屏蔽；避免将关键的走线接近p c b 的边沿；保证地平面没有切槽【2 州。 振铃是因为传输线上过度的电容电感引起接收端与发送端阻抗不匹配产生的，可以通 过改变p c b 参数或者端接减小，但是不能完全消除。 2 1 2 电磁兼容性 电磁兼容性( e m c ) 是指设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中的任 何事物构成不能承受的电磁干扰的能力。e m c 有两个要求：一是指设备不能对所在环境产 生超过标准的电磁干扰；二是指对于环境中的电磁干扰，设备要能正常工作，有一定程度 的抗扰能力，即电磁敏感性。电磁兼容的重要意义首先体现在军事上，在民用领域，电子 产品的电磁泄漏、人身危害等问题也逐渐得到重视，现在电子产品进入市场之前都要通过 电磁兼容性认证。 电磁干扰来源一般为微处理器、传送器、静电放电和瞬时功率元件，如时钟电路有很 大的宽带噪声，这个噪声被扩散到整个频谱。高速半导体器件边沿跳变速率很快，这种电 路将产生高达3 0 0 m h z 的谐波干扰1 3 1 。 在设计电子产品时一定要在初期就考虑到电磁兼容性问题，电磁兼容性设计主要包括 器件及p c b 级设计、接地、滤波和电磁屏蔽四个层次。 ( 1 ) 器件及p c b 级设计 设计电路和p c b 布线时，选择合适的符合e m c 要求的元件很重要，特别是时钟元件、 开关逻辑元件、p c b 接插件、被动元件( 包括电阻、电容和电感) 。尽可能选择具有较好 信号集成和e m c 特性的元件，比如有相邻的或多个引脚为电源和地的芯片，低地弹的i c 7 浙江工业大学硕士学位论文 通常也具有较好的e m c 性能，低输入电容的元器件低输入电容器有助于降低逻辑器 件状态变化时引起的电流峰值，从而减小磁场辐射和地返回电流。对于时钟信号器件最好 选用直接表面安装( s m t ) 元件，而安装在i c 插座上时常常会恶化系统的e m c 。 p c b 的叠层设计是由成本、制造技术、需要的布线通道数决定的，具有多层的p c b 常用于高速高性能的系统。四层板常用于低成本的系统，包含两个信号层和两个参考平面 层。布线通道数量的优化很重要，去耦电容必须放在过孔附件，以便提供一个通路返回电 流，连接电容的焊盘和过孔的走线要尽可能宽尽可能短，从而使电感阻抗最小。 ( 2 ) 接地技术 电子设备中的许多电磁兼容问题是由于不合理的地线设计引起的，所以设计阶段要充 分考虑接地设计。良好的地线设计可以减小电路的电磁辐射和对外界电磁的敏感度。接地 方式可分为单点接地、多点接地和混合接地三种。 当工作频率较低时可考虑单点接地，可以防止多点接地产生的公共地阻抗的电路耦 合。多点接地是指电子系统或设备中的各个单元电路的接地点都直接接到距它最进的接地 平面上，以使接地引线长度最短。工作频率高的设备一般采用多点接地，因为接地引线的 感抗和频率、长度成正比，工作频率高会增加公共地阻抗，增加电磁干扰【2 。如果实际电 路中包括高频电路和低频电路，则采用混合接地。数字地与模拟地要分别与各自的电源地 端相连接，加粗接地线可以提高抗噪声性能 ( 3 ) 滤波技术 抑制干扰源、消除耦合或提高敏感电路的抗干扰能力都可以采用滤波技术。滤波器可 以使频率范围在通带内的能量传输无衰减或衰减很小；可以使频率范围在阻带内的能量传 输衰减很大。常用阻容和感容去耦网络隔离电路与电源，消除电路之间耦合。 差模干扰和共模干扰是电源线上存在的两种干扰。减小差模干扰的方法是在电源线上 串联差模扼流圈、并联电容或用电容和电感组成低通滤波器，来减小高频干扰：减小共模 传导干扰的方法是在电源线中串联共模扼流圈、组成l c 滤波器进行滤波，滤去共模传导 噪声【2 2 1 。 ( 4 ) 电磁屏蔽 电磁屏蔽是控制电磁干扰由一个区域向另一个区域辐射传播的方法，主要目的是切断 传输的空间耦合途径，从而达到抑制电磁干扰的作用。 2 1 3 电源完整性 高速电路电源完整性的基础在于信号完整性，两者产生的根源都是电路开关速度的提 8 浙江工业大学硕士学位论文 高。系统正常工作需要有稳定可靠的电源，电路中电源引起的噪声明显影响着高速信号， 电源完整性影响p c b 的信号完整性和电磁兼容性。以往的e d a 仿真工具在进行信号完整 性仿真时，都是假设电源处于稳定状态。电源完整性的研究已经成为高速p c b 研究的重要 方向之一。 电源完整性问题的准确描述：在高速系统中，电源分配网络在不同频率时，存在不同 的输入阻抗，导致p c b 电源地平面上出现由噪声电流j 和瞬态负载电流引起的噪声电压 造成供电不连续，产生电磁干扰，严重影响高速系统的正常工作【1 3 1 。 理想电源的阻抗为零，在平面上任意点的电压都保持恒定；但现实中通常存在很大的 噪声干扰，有可能影响到系统的正常工作。回路中的电感和高速开关器件的过大瞬时交变 电流都会引起电源不稳定，谐振、边缘效应、非理想电源阻抗和同步开关噪声( s s n ) 是 电源不稳定的表现形式【2 3 1 。 器件开关噪声的影响很大，平面和地线的寄生电阻和电感使得开关电流引起电压波动 和参考地非零。芯片封装与电源平面的电感电阻都会引起电源噪声，导致同步开关噪声增 大。减小同步开关噪声应做到以下几点：在安排芯片的电源时，要合理布局电源地引脚， 应当将同一类型的电源和地等价对待；使用差分信号线传送信号也要抑制寄生参数器件的 电流；选择较近的平面将信号线上的电流从末端回到源端。 电源层的阻抗会引起电源的波动，减小电源层的阻抗可以采用以下措施，包括减小电 源层与地层的间距，增加电源总线层之间的介电常数和介质损耗。另外去耦电容滤波是减 少电源阻抗的重要方法。去耦电容包括本地去耦电容和整体去耦电容，本地去耦电容可以 补偿器件的工作电源电压突变。整体去耦电容又称旁路电容，是整个系统的电流源，提供 本地去耦电容需要的电荷，一般是本地去耦电容的1 0 倍。使用旁路电容要尽量减小电容 的引线长度，增加连接线宽度，电容尽量直接和器件电源管脚相连，电容之间不共用过孔， 且过孔尽量接近焊盘【2 4 1 。 2 2c a d e n c e 软件简介 c a d e n c e 软件分为四个平台：i n c i s i v e 功能验证平台、e n c o u n t e r 数字i c 设计平台、 v i r t u o s o 定制设计平台和a l l e g r o 系统互连设计平台。 i n c i s i v e 功能验证平台是为大型复杂芯片提供高效快速的功能验证，可以有效验证数字 电路、片上系统和混合信号集成电路。e n c o u n t e r 数字i c 设计平台是数字集成电路设计平 台，可以验证高性能复杂的芯片，缩短芯片设计时间。v i r t u o s o 定制设计平台是为了加速 浙江工业大学硕士学位论文 定制i c 的精确设计，可以精确迅速定制模拟、射频和混合信号i c 。a l l e g r o 系统互连设计 平台能协同设计高性能集成电路、封装和印制电路板，系统互连是一个信号逻辑、物理和 电气连接及其相应回路以及功率配送的系统。 2 2 1 a l l e g r o 软件介绍 c a d e n c es p b l 6 3 是一款高性能电路设计软件包，主要包含两大模块：o r c a d 软件模 块和c a d e n c e 公司自有软件模块( 即趾l e g r o 软件模块) 。在c a d e n c es p b l 6 3 中这两大模 块整合在一起，形成功能强大的系统互连设计平台。 c a d e n c es p b l 6 3 软件包含多个功能模块，下面做简单介绍【3 】【2 5 】： ( 1 ) d e s i g ne n t r yc i s ：该模块以o r c a d 为基础的原理图设计工具，其核心部分是原 o r c a d 的原理图设计工具。 ( 2 ) d e s i g ne n t r yh d l ：该模块是c a d e n c e 自有的原理图输入工具，提供了一个原理图 输入和分析环境。它和数字模拟电路及电路版图设计集成在一起，是作为所有与系统和高 速设计流程相关的c a e 要求的任务中心。 ( 3 ) d e s i g ne n t r yh d l r u l e sc h e c k e r ：是d e s i g ne n t r yh d l 的规则检查工具。 ( 4 ) l a y o u tp l u s - 该模块是原o r c a d 公司的p c b 设计工具，集成到c a d e n c e 软件中后 在高速板设计中很少使用。 ( 5 ) l a y o u tp l u ss m a r t r o u t ec a l i b r a t e ：该模块是原o r c a d 公司l a y o u tp l u s 的布线工具。 ( 6 ) l i b r a r ye x p l o r e r ：是数字设计库管理软件，可以调用d e s i g ne n t r yh d l 、p c b l i b r a r i a n 、p c bd e s i g n e r 和a l l e g r os y s t e ma r c h i t e c t 等工具建立的元件符号和模型。 ( 7 ) m o d e li n t e g r i t y ：是器件i b i s 及s p i c e 模型的编辑验证工具，为仿真前进行模型管 理的必要工具。 ( 8 ) o n l i n ed o c u m e n t a t i o n ：是在线帮助文件，集成软件各个模块的所有帮助文件。 ( 9 ) p a c k a g ed e s i g n e r ：芯片和封装设计分析软件，把芯片级的i o 可行性和规划功能与 业界内领先的集成电路封装设计工具组合到一起。对于电气与物理设计要求这两者之间， 允许设计者在满足成本和性能目标基础上作出折中选择。 ( 1 0 ) p c be d i t o r ：是p c b 设计中最主要的设计工具，是强大的印制电路板设计软件， 对布局布线中集合每一个细节都提供强大的控制能力，在高速度、高密度的电路板设计中 优势更加明显。提供了约束驱动布局、约束驱动布线能力，对设计中关键信号的信号完整 性问题提供便捷的方法。 ( 1 1 ) p c bl i b r a r i a n ：是a l l e g r o 库开发管理工具，包括焊盘、自定义焊盘形状、封装符 浙江工业大学硕士学位论文 号、机械符号、f o r m a t 和f l a s h 符号的开发。 ( 1 2 ) p c br o u t e r 是a l l e g r o 的布线工具，是强大的自动布线引擎。 ( 1 3 ) p c bs h 是a l l e g r o 的自有仿真工具，提供一个互交式集成高速设计与分析环境， 方便关键信号的提取和仿真，能对信号完整性、电源完整性和e m i 等进行仿真。 ( 1 4 ) p h y s i c a lv i e w e r ：是a l l e g r o 的浏览模块。 ( 1 5 ) p r o j e c tm a n a g e r ：是d e s i g ne n t r yh d l 的项目管理工具。 ( 1 6 ) s i g x p l o r e r ：是网络拓扑结构提取、编辑和仿真模块，是仿真过程中常用模块。 ( 1 7 ) p c be d i t o ru t i l i t i e s ：包含了很多小工具，如p a dd e s i g n e r 、d bd o c t o r 和b a t c hd r c 等工具。 在一次设计中，不会全部用到以上模块，一般使用d e s i g ne n t r yh d 或者d e s i g ne n t r y c i s 设计电路原理图，使用p c be d i t o r 进行电路板约束设置、布局和布线，如果想自动布 线则采用p c br o u t e r 工具，需要仿真时采用m o d e li n t e g r i t y 、p c bs i 和s i g x p l o r e r 。 在p c b 设计的流程可分为3 个主要部分：前处理、中处理和后处理。 前处理：是p c b 前的准备工作。先根据要求设计原理图，然后创建网络表( 包括 p s t x n e t d a t 、p s t x p r t d a t 和p s t c h i p d a t 三个文件) ，在创建网络表之前要先建立元器件的封装 库。最后创建机械设计图，设置p c b 外框及高度限制等相关信息，生成机械图文件。 中处理：首先将创建好的网络表导入a l l e g r o 软件，然后摆放机械图和元器件，同时 对于多层p c b 要先设置p c b 的层面，最重要的是进行布线，包括手工布线和自动布线。 手工布线可以考虑到整个p c b 布局，使布线最优，但布线时间较长；自动布线虽然可以加 快布线速度，但一般过孔较多且布线路径不一定最好。布线完成后还要放置测试点，以便 检查该p c b 能否正常工作。 后处理：是输出p c b 的最后工作，包括文字面处理( 如元器件的序号分布) 、底片处 理、报表处理。要将底片内容输出至文件，将这些文件送到p c b 生产车间制作电路板。 2 2 2s p e c c t r aq u e s t 简介 对于高速信号的p c b 设计，一个电阻的位置、信号线长度匹配等小问题都可能影响整 个p c b 的设计，因此信号的仿真是必不可少的。s p e c c t r q u e s t 是信号仿真工具，控制与 p c b l a y o u t 相关的条件。 s p e c c t r q u e s t 的参数设置可以同时定义不同的约束条件，以对应不同的设计要求规 定，能将这些约束条件分配给电路板上特定区域或信号组( g r o u p ) 。电气性能和物理参数 都是约束条件，如常见的p c b 线宽、过孔的数目、阻抗大小，还有峰值串扰、过冲特性、 1 1 浙江工业大学硕士学位论文 信号延时和阻抗匹配等口6 】【2 7 1 。s p e c c t r q u e s t 的工具主要有2 8 】- ( 1 ) s i g x p l o r e r 编辑走线的拓扑结构，定义特性阻抗、驱动和负载的数量和类型、终端 负载类型等，可以对互连线进行仿真，把仿真结果成为拓扑结构模板。 ( 2 ) d f s i g n o i s e 是信噪分析系统，设置i b i s 模型库，分析负载的信号延时和畸变情况。 s i g n o i s e 可以对串扰、反射仿真，同时能对e m i 、s s n 、源同步及系统级仿真。 ( 3 ) e m c o n t r o l 是电磁兼容设计工具，能随时进行规则检查，通过连续地进行e m c 分 析和微调，大大减少了e m c 设计相关的开销。 ( 4 ) d f t h e r m a x 热分析控制工具。 2 3 i b i s 仿真模型 i b i s 最初由一个被称为i b i s 开放论坛的工业组织编写，它是为适应板级仿真和系统 仿真需求而提出的一种行为级模型标准。行为级模型不从内部的具体结构和物理机制考虑 建模问题，而是从电路外部在一定条件下测得的直流伏安和瞬时特性的数据表格，建立i o 缓冲器对外接布线网的宏模型。在i b i s 出现之前，人们采用s p i c e 模型进行仿真，但s p i c e 模型适合器件和网络较小的系统仿真，而且需要器件厂商提供包含内部电路设计、制造工 艺的信息，这使得s p i c e 模型的获取不容易。人们希望有一种能被普遍接受且不涉及器件 制造专有技术的“黑盒”式仿真模型，i b i s 就是在这种情况下产生的。 i b i s 模型是基于电湔电压和电压时间的查找表，不包括电路细节和芯片内部的设计 信息，对于互连级设计者来说该模型不泄露设计技术和底层布线过程中的敏感信息，保护 设计者的知识产权【2 引。而且仿真速度快，是s p i c e 模型的2 5 倍。 以元件为中心的i b i s 模型文件允许模拟整个元件，文件中包含了器件缓冲器的电