（微电子学与固体电子学专业论文）无磁计量soc芯片数字模块设计与实现.pdf

摘要 由于传统的有磁计量容易受到磁场、水质、温度等因素的影响，本文设计了 一款用于流量仪表的无磁计量s o c 芯片，该芯片用于各类旋转运动的检测。该 芯片内部集成了无磁传感器激励电路、模拟信号提取处理电路、算法逻辑全定制 电路、八位低功耗嵌入式微控制器、随机存取存储器、可电擦写只读存储器、十 位低功模数转换器和通用l o 接口电路等模块。该芯片可以外接2 4 个无磁传感 器，探测到9 0 度的转动，并能将转动信息转化成数字信号。它具有计量方法先 进、精度高、功耗低、工作方式灵活、单片化等特点。 本文重点介绍了该流量仪表用s o c 芯片中数字模块的设计流程。系统设计中 采用了寄存器统一编址的技术，使得微控制器内核可以直接控制其他外设，提高 了系统性能。文中使用了一款8 位低功耗的微控制器软i p 开展s o c 芯片设计， 实现了微控制器与外部的通讯接口、无磁算法模块和模拟控制模块等的设计，同 时文中深入探讨了基于s y n 叩s y s 的m e m o r yb u i l d e r 的s r a m 宏单元设计方法。 在各单元模块完成后采用c h a 毗r e d0 3 5 “me e p r o mc m o sl o g i c 工艺进行了带 i p 的后端设计并流片。测试结果表明，该s o c 芯片数字模块工作正常。 关键词：无磁计量s o c 统一编址s r a m 宏单元 a b s t r a c t b e c a u s et r a d i t i o n a lm a g n e t i cm e a s u r e sa r es u s c e p t i b l et om a g n e t i c6 e l d ，w a t e r q u a i i t y ，t e m p e r a t u r ea n do t h e rf a c t o r s ，t h i sp a p e rd e s i g nan o n m a g n e t i cf l o wm e t e r s o cc h i pf o rv a r i o u st ) r p e so fr o t a t i o nm o v e m e n td e t e c t i o n t h ec h i p i n t e g r a t e s n o n 。m a g n e t i cs e n s o re x c i t a t i o nc i r c u i t ，a n a l o gs i g n a lp r o c e s s i n gc i r c u i t ，内l lc u s t o m c i r c u i to ft h e n o n m a g n e t i ca l g o r i t h ml o g i c ， 8 - b i t1 0 w p o w e r e m b e d d e d m i c r o c o n t r o l l e r ，r a n d o ma c c e s sm e m 0 9 ，e l e c t r o n i c a l l ye r a s a b l ep r o g r a m m a b l er e a d o n l ym e m o q ，1o - b i tl o w - p o w e ra d c a n dg e n e m lp u r p o s ei oi n t e r f a c em o d u l e t h e c h i pc a nc o n n e c t2t 04n o n - m a g n e t i cs e n s o r s ，d e t e c tt h e9 0 一d e 酽e er o t a t i o n ，a n dt u m r o t a t i o ni n f o 册a t i o ni n t o d i g i t a ls i g n a l s i t h a st h e a d v a n t a g e s o fa d v a n c e d m e a s u r e m e n tm e t h o d ，h i g ha c c u r a c y ，l o wp o w e r ，w o r k i n gm o d ef l e x i b i l i 够，m o n o l i t h i c a n ds oo n t h i sp a p e rp u t st 1 1 ee m p h a s i so nd i g i t a lu n i td e s i g no ft h e n o n m a g n e t i cf l o w m e t e rs o cc h i p b y a p p l y i n gt h er e g i s t e r u n i n e da d d r e s s i n g t e c h n o l o g y m i c r o c o n t r o l l e rc o r ec a nd i r e c t l yc o n t r o lo t h e rp e r i p h e r a l s ， s 0i tc a ni m p r o v es y s t e m p e 晌n n a n c e t h i sd e s i g nu s e ss o ri po fa8 - b i tl o wp o w e rm i c r o c o n t r o l l e r ，f o c u s i n g o nt h em i c r o c o n 仃o l l e ra n dt h ee x t e m a lc o m m u n i c a t i o ni n t e r 龟c e ，n o n m a g n e t i c s i m u l a t i o na l g o r i t h mm o d u l e 蛐dc o n t r o lm o d u l e ，a l s ot l l i sp a p e rd i s c u s s e st h em e t h o d o fg e n e r a t i n gs r a mm a c r oc e l l b ym e m o wb u i i d e r f i n a l 】yt h es o cc h i pi s f a b r i c a t e qu s i n gc h a n e r e d0 3 5 岬e e p r o mc m o s l o g i cp r o c e s s t e s tr e s u l t ss h o w t h a tt h ed i g i t a lm o d u l eo ft h es o c c h i pi sw o r k i n gc o r r e c t l y k e y w o r d s ：n o n - m a g n e t i c ，s o c ，u n i f i e da d d r e s s i n g ，s ra mm c a r oc e l l 第一章绪论 1 1 流量计量的意义 第一章绪论 当今社会，数据成了衡量一个物品好坏的重要标准，为了得到这个数据，计 量必不可少。可以说，计量在整个社会进程中起到了重大作用，并带动其他相关 产业的发展。而流量是与我们日常生活联系十分紧密的一个物理量，因此流量计 量显得尤为重要。 流量测量是研究物质量变的科学，即凡是需要知道流体流动的相关参数的地 方都要用到流量测量。其历史可追溯到1 0 0 0 年前的古埃及时代，人们运用堰法 测量方法测量尼罗河的流量，从而合理安排农作。但此阶段，人们只知道一些测 量流量的实用方法，没有完整的流量测量的理论。直到1 7 世纪，t o r r i c e l l i 奠定 压差式流量测量的理论基础，自那以后，用于流量测量的仪表逐渐形成。到了 2 0 世纪，科技迅速发展，使得人们对流量测量的需求急剧增长。科技的发展对 流量测量的需求体现在如下几个方面【l 】。 工业生产过程 为了保证工业生产的安全经济运行，流量测量必不可少。如在炼钢过程中， 对循环水和氧气的流量测量是保证产品质量的重要手段之一；在化工行业，流量 计量不准确会造成化学成分配比失调，无法保证产品质量，严重的还会发生生产 安全事故。 能源计量 能源是一个国家能否正常运作的核心，而当今社会，能源越来越紧张，为此 合理使用能源成了重点问题。对能源的计量不仅可以对能源的使用做一个整体规 划，还可以节约能源。工业三表的使用使得能源管理和经济核算都变得简单，而 工业三表都是以流量计量原理为核心设计的。 环境保护 科技的进步，使得人们对环境的污染日趋严重。工业三废的排放严重污染了 大气和水资源，甚至影响到人类的生存。因此对污染物的排放需限定在大自然能 够承受的范围内，各国对污染物的排放指标有一个定量的规定，而为了检测排放 物的浓度，流量计量至关重要。 第一章绪论 1 2 无磁计量的发展现状 目前，我国水、电、天然气等基本都是按流量计费，但热能还是按面积计费， 其主要原因在于我国热计量表的匮乏，而使用国外的，价格过于昂贵。热计量表 事业是我国新兴的一项产业，目前，国内有六十多家热能表生产企业，其产品主 要分为两类：磁力开关从水表上干簧管采样和磁电转换韦根传感器采 样。这两种方式采样都是用一块永久性磁铁作为媒介，统称“有磁热能表”。 “有磁热能表”存在的最大缺陷是供暖管道的水质含有大量氧化铁等杂质， 在流动过程中它吸附在磁铁上，从而造成叶轮的重量增加，使热计量的误差加大， 还有“有磁热能”表一般采用单流速流量计，在叶轮吸附铁杂质之后，重量增加， 在小流量的情况下叶轮转速降低，有时甚至出现无动作的情况，造成热能表处于 不工作状态1 2 j 。 无磁计量是当今流量计量技术的发展趋势，由于无磁传输有效克服了磁干 扰、高温失磁等问题，提高了测量的精度与可靠性，使之受到了广泛关注，并应 用于各类流量仪器仪表中。美、德等国在上世纪末相继研制出无磁型传感器，并 不断研发出相关的配套专用处理芯片。然而，目前我国在这方面的研究相对滞后， 基本上没有相关专用处理芯片，全部来自于进口。天津大学专用集成电路设计项 目组，自2 0 0 4 年开始跟踪无磁传感技术并开展无磁传感器原理和相关芯片的设 计研发，并于2 0 0 6 年完成了一款无磁计量芯片的设计。 随着技术的的发展和市场的竞争加剧，也是为适应市场的需求，国内大部分 仪表厂家都在向无磁型流量计转型。但是目前市场缺乏无磁计量的单芯片解决方 案，即将传感器信号处理电路、徼控制器电路、模数转换电路和接口电路等集成 到一个芯片上。而且由于其应用环境的特殊性，绝大部分仪表采用电池供电，对 无磁计量仪表的功耗有较大的限制。这些造成采用无磁计量方案成本过高，且功 耗无法满足应用环境的要求。因此针对计量仪表不同的应用环境，可以采用专用 芯片的方法对计量仪表进行优化设计，则会显著地提高计量仪表的性价比，同时 降低系统的功耗。国外大公司已于近年推出该类型芯片，如t i 公司的 m s p 4 3 0 f w 4 2 7 ，由于其技术的优势，造成在国内售价极不合理，因此我国迫切 需要设计一款具有自主知识产权的同类产品。 1 3 课题介绍及研究重点 鉴于上述现状，本文以无磁计量芯片设计为研究方向。本课题来源于天津市 科研项目流量仪表用s o c 芯片的研发。流量计量用s o c 芯片属于s o c 设计的范 2 第一章绪论 畴，同时也是一款数模混合信号芯片，在采用常规的大规模集成电路设计方法和 设计流程的基础上，重点展开以下技术攻关： 1 高精度、低噪声的模拟比较器以及低频起振电路的设计。 2 无磁传感器数据算法处理模块的设计：算法处理是计量a s l c 模块的核 心部分，在保证算法精度的前提下，降低功耗。 3 s o c 芯片内部总线的设计：由于s o c 芯片内部存在m c uc o r e 、计量 a s i c 模块、a d 转换器、r a m 等多个子模块，芯片工作时的各个模块 间的协同工作，数据交换都需要经过内部总线，因此设计一款高效、简 洁、适合本系统的总线体系也是工作的重点之一。 4 低功耗设计：考虑到本芯片系统的工作环境，因此在各模块的设计中， 都把对功耗的要求放在了首位，尤其是对于低功耗8 位微控制器和1 0 位a d 转换器的设计。 5 e e p r o m 的设计：对于e e p r o m 的设计工作，包括工作方式，写入和 编程方式，外围控制电路也是本次设计的难点之一。 6 s o c 系统的协同设计：在s o c 系统中，由于同时存在微控制器和a s i c 模块，两者之间的工作分配，时序配合以及协同仿真设计是本次设计中 需要仔细考虑的问题。 7 混合信号设计和仿真技术：在混合信号系统中，由于同时存在数字信号 与模拟信号，两者之间的噪声、隔离等问题是必须要考虑的。 1 4 论文结构 本论文以流量仪表用s o c 芯片中数字模块设计为重点，分为六个部分：第一 部分简单介绍了无磁计量技术的发展状况，提出了毕设课题的研究目的及研究重 点；第二部分介绍了流量仪表用s o c 芯片的总体指标、系统架构以及各组成部 分功能；第三部分详细描述了流量仪表用s o c 芯片中数字模块的r 1 r l 代码设计 及其仿真结果；第四部分介绍了流量仪表用s o c 芯片的电路综合和布局布线； 第五部分介绍了流量仪表用s o c 芯片的测试方案和对流片测试结果的分析；第 六部分为总结和展望。 第二章s o c 芯片的系统架构设计 第二章s o c 芯片的系统架构设计 2 1 无磁计量技术原理简介 无磁计量采用了由并联l c 电路组成的无磁传感器 3 1 。电路如图2 1 所示： t o n 卜t p 一卜 厂厂 l 图2 1无磁传感器电路图 c 图2 2 管道中的叶轮 当传感器采样时，芯片内部产生一个窄脉冲使n m o s 管导通，电源给电路 注入能量，之后l c 电路振荡，产生出衰减正弦波。 将2 个同样的传感器成一定角度装在一个半面涂有阻尼材料的旋轮上，如图 2 2 所示，这样，处于阻尼区和非阻尼区的l c 震荡电路就会产生出快慢不同的 衰减正弦波，如图2 3 所示。 第二章s o c 芯片的系统架构设计 图2 3阻尼区与非阻尼区产生的衰减波 由上述电路产生的振荡波形通过一个迟滞比较器输出矩形波。通过矩形波的 个数来判断传感器是否位于阻尼区。如图2 4 所示。 ( a ) 传感器a 位于阻尼区( b ) 传感器b 位于非阻尼区 图2 - 4 比较器输出 再通过适当的算法便可以得到流体的方向和旋转圈数。 2 2s o c 芯片的系统架构设计 本项目将研发一款用于各类旋转运动检测的计量s o c 芯片，该芯片主要包 括无磁传感器激励电路、模拟信号提取处理电路、算法逻辑全定制电路、八位低 功耗嵌入式微控制器( m c u ) 、随机存取存储器( r a m ) 、可电擦写只读存储器 ( e e p r o m ) 、十位低功耗数模转换器和通用i o 接口电路等模块。该电路可以外 接4 个无磁传感器，可探测到9 0 度的转动，并且将转动信息转化成数字信号， 进行处理和输出。该芯片可以通过通用i o 接口电路，由外界对芯片的工作状态 和工作模式进行设定，又可以将数据传送到外界，供l c d 进行显示或送入计算 机进行读取和处理。它具有计量方法先进、精度高、功耗低、工作方式灵活、单 片化等特点。具体芯片架构如图2 5 所示。 第二章s o c 芯片的系统架构设计 外接2 模 报信号输 入 图2 5s o c 系统架构 各模块主要实现功能如下文所述：无磁传感器激励产生和信号提取电路为外 接传感器提供激励信号并将传感器产生的模拟信号转化成数字量，最多可外接4 个传感器。信号处理和算法逻辑电路是对数字信号进行处理并通过算法电路对流 量数据进行测定和计量。低频起振电路为芯片内部的数字电路提供工作所需要的 时钟信号。加转换器是对外界传感器输入的模拟信号( 如温度、湿度等) 进行 提取和转换，并将数字量通过内部总线送至m c u 单元对计量结果进行补偿运算。 8 位m c u 采用具有两级流水线的精简指令集结构，与p i c l 6 系列指令集兼容， 供用户开发编程，读取流量计量信息，进行补偿和处理，最终送显。r a m 和 e e p r o m 在系统中分别作为数据存储器和程序存储器。通用接口电路是芯片整 体与其他芯片之间通信或者与p c 之间进行数据交换的电路，本s o c 芯片支持1 2 c 和u a r t 通信协议。 2 3s o c 芯片的性能指标 根据上文所述的s o c 芯片系统架构，在功耗、速度、面积折中的基础上， 得到本款s o c 芯片的性能指标，如表2 1 所示。 6 第二章s o c 芯片的系统架构设计 表2 1s o c 性能指标 电源电压范围2 9 v 一3 8 v 电路芯片面积 工作时电流值 休眠时电流值 片内集成a d c 精度 可外接传感器个数 芯片通信方式 内嵌存储器种类 2 5 m m 2 5 m m 5 m a 1 0 0 心 1o 位 2 4 个 1 2 c 、u a r t e e p r o m 、s r a m 2 4s o c 芯片的封装 为便丁芯片的广泛应用，我们将芯片封装形式设计成s s o p 2 8 ，管脚排列如 图2 6 所示。 l 一， 22 7 32 5z 2 3 72 2 d 02 l l l1 0 1 3l 各引脚功能如表2 2 所示 图2 6s o c 封装 表2 2s o c 芯片引脚定义 r t ， r b 3 n 2 r b “i 耵 m s d 第二章s o c 芯片的系统架构设计 2 5s o c 芯片主要子模块简介 2 5 13 2 k 低频起振电路 整个s o c 芯片需要稳定的3 2 k 时钟，本设计选择了晶体振荡器，外接一个 3 2 k 的无源晶振。晶体振荡器主要有三种不同的振荡器：皮尔斯振荡器、科尔皮 斯振荡器和桑托斯振荡器，后两种振荡器是单端振荡器，有一端要接地，与皮尔 斯振荡器相比，具有更大的并联的寄生电容。故本设计选择了皮尔斯振荡电路。 由于低功耗设计，在结构中加入了一个e n 端口，可以由m c u 控制关闭晶振。 电路原理图如图2 7 所示。晶振工作原理如下： 第二章s o c 芯片的系统架构设计 第一部分为起振电路的核心，是由p 1 、n 1 、n 5 、c 1 、c 2 、c 3 、r 1 、r 2 及 晶振x 组成，它们共同构成了皮尔斯振荡电路，其中p 1 为信号放大部分，n 5 为n m o s 管构成的反馈电阻，使得电路形成正反馈，c 1 、c 2 与晶振x 构成了起 振电路的选频网络。第二部分为由p 2 、p 4 、p 5 和n 2 、n 4 的构成偏置网络，为 整个模块提供偏置。由于s o c 整个芯片存在休眠模式，需要通过关闭和开启时 钟模块来实现，因此电路中设有使能控制端e n ，当e n 为低电平时，n 4 、p 2 和 p 3 截止，使输出o u t 始终为低。第三部分是由c 3 与p 3 、n 3 、r 3 、r 4 共同组成 的输出级，其将振荡电路输出的正弦波转化为矩形脉冲，同时提高电路的驱动能 力。 2 5 2 激励产生电路 图2 7 低频起振电路原理图 - 对于图2 1 所示的无磁传感器，开关管的栅极所接的激励信号受到无磁传感 器选通信号的控制。经仿真可知：t o n 应该取传感器输出衰减正弦波周期的一半。 为此设计原理图如图2 - 8 所示。 激励产生电路的基本思想是利用信号路径不同造成的时间延迟不同来产生 激励控制信号。传感器的选通控制信号由i n 端输入，o u t 端输出激励控制信号 v e x c i t 。当i n 为0 时，电路稳定后g 1 的输出为1 ，电容c 1 储存了电荷，m 2 关 闭，m 1 打开，g 2 的输出为1 ，o u t 输出为o 。当i n 由0 到l 跳变时，由于电容 c l 两端的电势差不能突变，故开始通过g l 中的n m o s 管放电，v c l 处的电位 下降，此刻电路的输出o u t 为1 ；当v c l 处的电位下降到某一值时使g 2 的输出 为1 ，此时电路的输出o u t 为0 ，同时由m 1 ，m 2 组成的对地通路导通，v c l 迅 速下降至0 。当i n 为1 时，电路稳定后g 1 的输出为o ，g 2 的输出为l ，o u t 为o ， 当i n 由1 到0 突变时，由于i n 直接通向g 2 时使其输出保持不变，o u t 为o ，不 第二章s o c 芯片的系统架构设计 会产生脉冲。 2 5 3 迟滞比较器 图2 8 激励产生电路 由上文无磁原理可知：由无磁传感器产生的衰减波形通过一个比较器输出矩 形波。由于此芯片工作环境较为恶劣，很容易受干扰，使得衰减波形有一定的毛 刺，为此我们选用了迟滞比较器【5 】。原理如图2 9 所示。工作原理如下： 由m c u 产生三路传感器信号输入的通道开关s l 、s 2 、s 3 ，以选择相应的 传感器信号进行比较。m 1 5 、m 1 6 为二极管连接的m o s 管，其作用是代替电阻 产生偏置电流，通过m 1 4 管镜像给两级放大器的尾电流源m 1 1 、m 1 2 、m 1 3 。 由于s o c 芯片的低功耗设计，比较器具有数字使能端e n ，在无磁感应部分 不工作时关闭比较器降低功耗。当e n 为高电平时，m 1 7 管导通，m 1 8 管截止， 比较器正常工作；当e n 为低电平时，m 18 管导通将比较器输出进行嵌位，使比 较器输出固定，同时m 1 7 管截止关闭偏置电流从而关闭整个比较器。 图2 9 迟滞比较器原理图 1 0 第二章s o c 芯片的系统架构设计 2 5 4 算法单元 算法单元用于计算旋转圈数和方向，相关原理如图2 1 0 所示。衰减波形通 过迟滞比较器形成一个脉冲串，在时序的控制下，通过计数得到各传感器的脉冲 个数。然后以对角线传感器的脉冲个数的中值作为基准，如果传感器的脉冲个数 大于中值，表明此传感器在非衰减区，如果小于中值，表明此传感器在衰减区。 并结合上次传感器的状态，通过一定算法，可以计算出传感器的方向和转动圈数。 并将相关数据送给m c u 处理。 图2 1 0 算法单元原理图 2 5 51 0 位低功耗s a r 模数转换器 模数转换器是流量仪表用s o c 芯片设计的关键模块，它实现对温度信号的 数字化及相关运算和控制，它的性能和功耗直接决定了整个s o c 芯片的性能和 功耗。本系统针对s o c 芯片的要求设计了一款低功耗逐次逼近a d c 。 逐次逼近型模数转换器在解决现代数字和数模混合系统中动态模数转换器 高精度、低功耗与低成本之间的矛盾方面具有独特的优势，得到广泛应用。与其 它结构的d 相比较，逐次逼近模数转换器具有中等转换精度和中等转换速度， 采用c m o s 工艺实现可以保证较小的芯片面积和低功耗，而且易于实现多路转 第二章s o c 芯片的系统架构设计 换，在精度、速度、功耗和成本方面具有综合优势，被广泛应用于工业控制、医 疗器械以及微控制器辅助模数转换接口等领域，具有广阔的市场前景【6 | 。 基于以上考虑，本系统设计一款应用于流量仪表用s o c 芯片中的低功耗逐 次逼近a d c 模块，它采用单端输入，在3 3 v 工作电源电压下实现了1 0 位的模 数转化功能，采样率为2 5 0 k s s ，功耗小于4 m w 。s t a i 玎信号为控制采样信号， 决定a d c 是否工作于休眠( s l e e p ) 模式。 本系统设计的逐次逼近型的结构如图2 11 所示，主要由d a c ( 包含采样 保持电路) 、比较器、s a r 电路组成。它的模数转换过程如下：首先利用采样保 持( s h ) 电路对输入模拟信号进行采样，将其与数模转换器的输出进行比较， 比较结果( 大于为l ，小于为0 ) 即作为一位输出，同时由其决定下一周期数摸 转换器的输出，每完成一次比较，s a r a d c 就由高到低完成一位数字量的转换， 利用类似牛顿二分法的算法，在n 个周期就可完成n 位精度的模数转换。 2 5 6 存储单元 图2 1 1s a r 模数转换器原理图 在本款s o c 芯片中内嵌了一款c p u ，为此需要有程序存储器和数据存储器。 1 数据存储器 数据存储器按功能可分为通用寄存器和特殊寄存器，通用寄存器是指没有特 殊含义，用于储存临时数据的；而特殊寄存器是指控制微控制器状态的一些寄存 器。本款芯片中设定数据存储器为2 5 6 位，分为两页。数据寄存器除了可以直接 寻址、位寻址，还可以进行间接寻址。在数据存储器设计时，设计d f 不是一 个物理寄存器，这个寄存器和文件选择寄存器f s r 配合，完成间接寻址p 】。 2 程序存储器 程序存储器容量较大，具备掉电保护功能。一般采用e e p r o m 或f l a s h 结构。本芯片中采用e e p r o m 结构，其中b i tc e l l 单元由工艺厂商提供，我们设 第二章s o c 芯片的系统架构设计 计外围控制电路。 e e p r o m 存储单元由一个选通晶体管和一个浮栅晶体管组成，如图2 1 2 所 示。浮栅e e p r o m 单元是两管单元，由n m o s 管n 1 和e e p r o m 单元管组成。 上面一个是选择栅管子，栅端接行译码输出；漏端是位线。下面一个是浮栅管子。 有两个栅，中间一个栅是浮栅，存电荷用，左边一个是控制栅。浮栅e e p r o m 的基本单元有读、擦、写入三种基本操作模式l 8 】： 二荨。 。“。与i 已e e 1 ) 擦除( e r a s e ) 当控制栅加足够高的正电压而漏极接地时，在“小窗口”内便可发生f - n 隧道效应，使浮栅充以负电。其物理过程是在隧道氧化层上产生了一个由浮栅指 向漏的强电场，此电场将漏端的电子经隧道氧化层吸引到多晶一浮栅。使浮栅中 充斥越来越多的电子，使自身带负电荷这些负电荷会吸引浮栅晶体管的p 型衬 底中的空穴聚集在沟道表面，使沟道呈积累状态而不易反型。这就使整个浮栅晶 体管的阈值电压变高。 2 ) 写入( w 砌t e ) 相反，将控制栅接地，在漏极加上足够高的正电压，则产生相反的过程，使 浮栅放电。其物理过程是在隧道氧化层上产生了一个由漏指向浮栅的强电场，此 电场将浮栅中的电子源源不断地经隧道氧化层排斥至漏端，这不仅包括浮栅中原 来充斥的多余电子，而且还有浮栅磷掺杂产生的自由电子，这就使得浮栅中有很 多固定正电荷( 失去1 个电子的磷原子) 。这些正电荷会排斥衬底中的空穴，在沟 道中感应出电子，使沟道反型。这就使整个浮栅晶体管的阈值电压变低。 3 ) 读出( i 迮a d ) 在浮栅晶体管的控制栅上加上一个读电压，使源极接地，在漏端灌入一电流 源。对于擦除状态，阈值电压高于读电压，浮栅晶体管处于关闭状态，读出为“1 ”； 对于写入状态，阈值电压低于读电压，浮栅晶体管处于开启状态，读出为“0 。 第二章s o c 芯片的系统架构设计 2 5 7 通讯接口 为了方便与其他外设相连，本款s o c 芯片设计了1 2 c 和u a r t 两种通讯协 议，现将这两种通讯协议简介如下。 1 1 2 c 协议简介 1 2 c 总线是菲利普公司提出的一种串行通讯协议，在物理连接上，只有时钟 线s c l 和数据线s d a ，但它具备完善的总线协议，能快速完成数据传送。由于 其硬件结构简单，现在很多芯片都具备此功能，使得其应用广泛，为此本芯片设 计了这种通讯协议。表2 3 定义了1 2 c 总线的部分术语。 表2 31 2 c 总线的术语 术语描述 器件节点 主机 从机 多主机 多从机 冲突 仲裁 同步 连接到1 2 c 总线上的设备，包括主机和从机 发送数据到1 2 c 总线上的设备 从1 2 c 总线上接收数据的设备 系统中有两个以上主机 系统中有两个以上从机 当有多个主机都想控制1 2 c 总线，形成冲突 发生冲突时，保证只有一个主机占有总线 使多个设备时钟同步 在1 2 c 总线上，所有设备都有一个固定地址，当总线上有数据传输时，首先 启动起始信号，完成起始信号后，所有设备都检测地址，如果与本身地址相同， 这个设备发出响应，之后完成数据传输功能。完整的数据传输如图2 1 3 所示， 在起始条件后，发送七位地址，和一位读写控制信号，待第九个时钟上产生了地 址响应位后，发送数据，同样在第九个时钟上产生响应后，发送下一个数据，直 到数据发送完毕，之后发送结束信号，完成一次数据传输1 9 j 。 靴二b 厄- 口厄：皿胡 娟同风风闩风风问风风行 ：j l 一l 一l jl 一t j l _ j l _ 一：j 图2 1 3 完整的数据传输 1 4 第二章s o c 芯片的系统架构设计 2 u a r t 协议简介 u a r t 协议是美国电子工业联合协会提出的一种串行通讯协议，一般用于低 速通讯。由于p c 一般都有r s 2 3 2 串口，为了将微控制器与p c 相连，故此s o c 芯片中设计了u a r t 协议。 u a r t 协议数据传输过程中字符格式如图2 1 4 所示，一帧数据包括起始位、 数据位、校验位和停止位。其中起始位为逻辑o ，占l 位；停止位为逻辑l ，占 1 位、1 5 位或2 位；数据位一般在5 位到8 位；校验位可定义为奇校验，偶校 验或没有校验位。如果数据线上没有数据传输，称为空闲状态，此时数据线上一 直为逻辑l i l o 】。 ，t1ll 丁1 、j l， ，i 丁1 v 空闲位启动字符数据奇偶棱停上d空闲位启动字符数据 1 1 1o工。i 0i oi 011 1 1 1工oi b 图2 1 4 字符格式 u a i 玎协议中，没有时钟线，只有两根数据线，即发送端和接收端不共享时 钟，故在数据发送之前，收发双方必须确定一个时钟频率，用于衡量传送速率， 即每秒钟传送的二进制位数，我们称这个传送速率为波特率，这样就可以保证收 发双方数据的准确性。 2 5 8 微控制器单元 本款微控制器单元采用精简指令集架构，同时使用了哈佛双总线技术及两级 指令流水线结构，指令集兼容p l c l 6 系列微控制器，具有高速，低功耗等特点。 本款微控制器优点如下】： 1 精简指令集( 砌s c ) 技术 本款微控制器是基于精简指令集的，总共3 5 条指令，并且指令单字节化， 指令字节为1 4 位。寻址方式简单，只有四种寻址方式，包括立即数寻址、直接 寻址、间接寻址和位寻址。相对于m c s 51 的1 11 条指令和7 种寻址方式，本设 计显得简单，同时使得设计的微控制器单元便于使用。 2 哈佛双总线结构 在微控制器设计中，有两种存储器结构，一种是普林斯顿体系结构，这种结 构中程序存储器和数据存储器统一编址，另一种是哈佛体系结构，即程序存储器 和数据存储器单独编址，但共用一条总线通路。 本文采用哈佛双总线结构，如图2 15 所示，不仅程序存储器和数据存储器 单独编址，而且数据总线和程序总线分离，这可以实现流水线结构，提高c p u 第二章s o c 芯片的系统架构设计 执行指令速度。 r o m 一| 一卜 c p u r a m 指寺总线 。i 图2 1 5 哈佛双总线结构 3 两级流水线结构 由于本款微控制器采用了哈佛双总线结构，使得流水线作业变得可行，但考 虑到深度流水带来的种种弊端，本文采用了两级流水线，即在执行指令的同时， 取址下一条指令。如图2 1 6 所示。 鹄_ j 0i il _ ! jjijljjjl iiiii ji 亘j 煎蔓ll ； 阿i 万。萄i 赢石 一_ 一；il i 刚l h 塔心4 | 商面面磊f l 。1 。一 气毒，酗巫 图2 - 1 6 两级流水线示意图 本款微控制器单元主要包括中央处理单元( c p u ) 、程序存储器( r o m ) 、 数据存储器( r a m ) 等部分，其总结构框图如图2 1 7 所示，根据系统架构设计， 具体划分为1 2 个子模块【1 2 】： 1 主时钟选择( c l o c k ) ：选择时钟源并产生片内工作所需的复位信号。 2 2 时基分频器( b a s c l k ) ：产生控制整个电路正常工作的时序信号。 3 指令译码器( i d e c ) ：将指令码编译成具体的3 5 条精简指令并按运算的 需要将其划分组别。 4 算术逻辑单元( a l u ) ：根据指令进行算术、逻辑以及位操作运算。 5 程序状态字( p s w r ) ：根据指令的执行存储电路的状态。 6 程序计数器( p c n t ) ：计数并处理某几个特殊指令的执行。 7 地址多址器( a d d r x ) ：根据指令码确定地址指向，实现直接和间接等 寻址功能。 第二章s o c 芯片的系统架构设计 8 看门狗电路( w d t d l v ) ：当系统非正常工作时，在规定时间内使微控 制器复位。 9 控制器( c o n t r o l ) ：产生读写以及其他模块的使能控制信号。 1 0 预分频器( i u m y ) ；将分频比分配给计数器或看门狗，并配合p c 实现 加1 操作。 1 1 数据存储器单元：存放数据，并可进行读写。 1 2 程序存储器单元：存储程序。 p f o g f m _ ： i !j l 。n i 。# 口“ ： j l m e m o h ”嚣。l !s 翥s if i i t r e 0 i t e r s l 札t 们c “。_ r 0 r l 尘d r m u x _ 一 l n d l f c t ； d dr d i t e c t d d r l p i tt j 。j mux i 。f u一 d d c j p t q 口t l m r c o n o l l u o ，c 川如r s t b f l - u dt 啦e r wr c t 。：。k = = 书 r t ”t i l w 1 l c hd o | 一1f 一 t i 血t f ， 一l i 苜； 图2 1 7 微控制器结构图 第三章数字电路的r t l 设计 第三章数字电路的r t l 设计 由s o c 系统架构可知，本数字系统包含模块有：一个内嵌微控制器核、与 外设的通讯模块、无磁计量算法模块和控制a d c 时序模块。本章将对相关模块 的设计做一个详细介绍。 3 1 数字系统架构设计 如图3 1 所示，本s o c 系统中数字主要由四部分组成：一部分为内嵌微控 制器，主要实现一款8 位r i s c 的微控制器，调度整个系统的工作：一部分为微 控制器与外部的通讯模块，包括u a i 玎和1 2 c 两种接口；一部分为无磁通路的 数字模块，实现无磁时序，以及无磁算法；最后一部分为a d c 的控制时序，以 及a d c 数据的读取。本设计中使用了寄存器统一编址技术1 1 3 j ，寄存器统一编址 是指将外设寄存器直接映射到微控制器内核的s r a m 中，内核通过指令操作该 寄存器可以控制相关外设。各部分具体功能见下文。 3 2 微控制器模块设计 图3 1 数字系统架构 本款s o c 芯片使用了一款p i c 的微控制器内核，此内核已由本实验室开发 完成。故在本设计中直接作为个软i p 使用【14 1 ，先将此款微控制器内核i p 简介 如下【15 1 。 本款微控制器i p 特点： 第三章数字电路的r t l 设计 3 5 条定长指令 支持三种中断模式 含有看门狗和定时器功能 支持低功耗休眠模式 含有独立可编程i o 口 本微控制器i p 工作原理如图3 2 所示，系统时钟经过时基分频器模块产生 s 0 s 3 四个节拍，微控制器在这四个节拍的驱动下工作，每个节拍完成对应功能。 由于本设计采用了哈佛双总线结构，使得在取址的同时，可以执行指令。每个节 拍完成功能如下所述。 ( 1 ) 在第一个节拍里，从指令总线获得指令，由指令译码器模块进行指令译 码操作；同时在程序计数器模块中将程序指针指向下一条指令； ( 2 ) 在第二个节拍里，由第一个节拍生产的译码信号，完成操作数的取址操 作。如果是立即数，直接在指令中取出，如果是寄存器取址，需在指令中分离出 地址，然后在对应寄存器中取出数据。 ( 3 ) 在第三个节拍里，由第一节拍的产生的译码信号和第二节拍取出的操作 数，在a l u 中完成相关运算； ( 4 ) 在第四个节拍里，将第三节拍中产生的运算结果回写，具体回写到数据 存储器、累加器还是内部堆栈中，由第一节拍的译码信号决定。同时将下一条指 令放到指令总线上。 图3 - 2 系统时钟 为了便于记忆和设计程序的简便，本款s o c 中微控制器只有3 5 条精简指令， 同时采用了统一的指令总线宽度，其指令总线宽度为1 4 位。由于使用了哈佛双 总线结构，使得每一条指令的执行时间平均是一个指令周期，故称之为单周期指 令。本文使用微控制器的指令格式和指令码与p i c l 6 完全相同，在此不再赘述。 本款微控制器i p 已经由本实验室完成，但我们仍需对其功能做一个验证， 为此，我们针对本i p 设计了完整的三十五条指令的验证程序，对微控制器进行 1 9 第三章数字电路的r t l 设计 了系统仿真。 如图3 3 所示，系统复位后，p c 起始地址为0 0 0 0 h 单元，之后开始执行指 令g o t o0 0 3 f h ，在图中可以看见p c 经o 0 0 1 h 跳转到0 0 3 f h ，这是因为取址地 址为下一条指令地址。 图3 3 微控制器系统仿真图1 考虑到低功耗应用，本指令中含有休眠指令，即系统时钟切换，由高频切到 低频，同时关闭一些外设。在设计指令时，将p c 为0 0 9 1 h 时定义为休眠指令， 如图3 4 所示，在p c 为0 0 9 1 h 处执行了休眠指令，在下一个时钟周期，系统进 入休眠状态。 图3 4 微控制器系统仿真图2 整体仿真如图3 5 所示。在图中仅能看到指令计数器停留在0 0 9 2 h ，程序计 数器停留在3 4 0 0 h ，这表示系统进入了休眠状态，而之后由于定时器溢出使得微 控制器退出休眠，返回到程序起始，接着执行代码。在指令设计时，使用了相关 标志位来判断指令执行是否正确，如果执行出错，程序不会正常执行，微控制器 不会跳转到休眠指令。然而仿真结果与预想相符，故设计正确无误。 经过上述仿真验证，证明此款l p 功能正确，可以在设计中直接使用。在后 文设计中，基于以上设计的微控制器软l p ，采用寄存器统一编址技术，完成了 第三章数字电路的i 汀l 设计 与其他模块的连接。 3 3 通信接口控制模块 图3 5 微控制器系统仿真图3 本款s o c 芯片设计了1 2 c 总线和u a r t 总线，以方便与外部其他设备连接。 分别介绍如下： 3 3 1i2 c 总线 1 总体方案设计 1 2 c 体系结构如图3 6 所示，整体由三大部分组成，一个是位控制模块，一个 字节控制模块，一个是接口模块，完成与微控制器的连接1 刚。 图3 6i ! c 体系结构 2 1 s c l s d a 第三章数字电路的r r l 设计 不。 本文设计的1 2 c 总线具有如下特点： 与菲利普1 2 c 标准兼容 支持多主机，多从机模式 通信波特率可以通过软件设定 支持中断，仲裁，时钟同步，总线忙检测 支持7 位和1 0 位地址模块 完全可综合 2 1 2 c 寄存器定义 由于使用了寄存器统一编址技术，我们对1 2 c 相关寄存器定义如表3 1 所 表3 11 2 c 寄存器 0 各寄存器含义具体如下： 。一t ( 1 ) p r e r l ：1 2 c 波特率低位 ( 2 ) p r e r h ：1 2 c 波特率高位 ( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) 喜乓中b a u d = m c l k ( 5 幸s c l ) 一1 t x r ：发送寄存器 r x r ：接收寄存器 c t r ：控制寄存器 i i eni en ctr 【5 ：o 】 l e n ： 1 2 c 内核有效位 i e n ；1 2 c 中断有效位 ( 6 ) c r ：命令寄存器 第三章数字电路的r t l 设计 s t a ：产生开始信号 s t o ：产生停止信号 r d ：从从器件中读 w r ：写到从器件中去 a c k ：当接收数据后，发送a c k i a c k ：中断应答 ( 7 ) s r ：状态寄存器 m c kb u s ya l保留n pi f a c k ：目标地址收到应答 b u s y ：1 2 c 总线忙 a l ：仲裁丢失 t i p ：传输进行中 i f ：中断标志 3 位命令控制模块 此模块用来产生对位的操作，包括起始信号、重复起始信号、停止信号、对 一位的读和写，其时序如图3 7 所示： 脚s t a f t ：a ：b ：c ：d ： s c l t _ l s d a ii ； s c l il 厂_ 冬i ：广叶k ： s 矾i 卜ll1 。r r 一 s c l i；l s d a 弋；j 厂卞 s c l ；j 厂入； - - 1 - - i 、_ 一 s d a 二耗= 敛 s c l：| ：i ： s d a 巫毯k = ) 逐区 图3 7 位命令控制模块产生信号 第三章数字电路的r t l 设计 1 ) 总线空闲状态 当1 2 c 总线的两条信号线都处于高电平时，定义为总线的空闲状态。由于1 2 c 总线是漏极开路的设计，故可知此时各器件处于释放总线状态，通过两条信号线 上接的上拉电阻把电平拉高。 2 1 起始