（微电子学与固体电子学专业论文）远程抄表系统中抄表电路的fpga实现.pdf

鱼塑兰查竺! 圭竺查竺兰 摘要 远程抄表系统是利用现代通讯网络实现远程表计数据管理的一种新兴管理 一一 、一 系统。可广泛的应用于电、水、气等公用事业部门，是现代管理的发展趋势之一。l 7 ， 抄表器是目前构建远程抄表系统的一个核心部件，承担了抄读数据、时段管理、 通讯接口、显示控制等功能。 本文在分析比较现有产品的基础上，结合本专业的优势，提出了用a s i c 技 术实现抄表电路的思想。 文章介绍了用专用集成电路方法设计抄表器电路的优点，并对专用集成电路 的各种设计方法作了比较，结合本课题的时间紧、费用低、需要取得阶段性成果 的特点，提出了用f p g a 方式来实现抄表器的a s i c 设计。 根据抄表器所需实现的表计脉冲数据采集、计量数据的分时段管理、显示控 制、数据存储及通讯管理、远程控制的管理等功能，结合现有的一些技术规范， 用v e r i l o gh d l 实现抄表器的硬件电路描述。在模拟测试中，先利用f o u n d a t i o n 软件模拟功能完成对各功能模块的模拟，然后利用单片机模拟远程控制中心完成 系统功能验证。 最后结合相关领域的一些新兴技术，利用本课题完成中积累的经验，展望了 今后抄表芯片发展的光明前景。 通过芯片设计的思想来实现抄表器电路，是对推广远程抄表系统的有益探索。通 过此次设计，用f p g a 方式实现了现有抄表器产品的基本功能，为将来进一步开 发研制抄表芯片积累了经验，奠定了基础。1 加 浙江大掌硕士论文a b s t r a c t a b s t r a c t a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n gs y s t e m ( a m r s ) i sam o d e ma d m i n i s t r a t i o ns y s t e m w h i c hc o l l e c t sa n dr e a d sr e m o t ec o n s u m p t i o nd a t at h r o u g hm o d e mc o m m u n i c a t i o n n e t w o r k a m r sc a nb eu s e di nt h ew a t e rs u p p l yd e p a r t m e n t ，e l e c t r i cp o w e rs y s t e m ， g a ss u p p l yn e t w o r ka n ds u c hp u b l i cd e p a r t m e n t s d a t a - c o l l e c t i n gd e v i c ei so n eo f t h e m o s t i m p o r t a n tp a r t so f t h i ss y s t e m i nt h i st h e s i s ，w ea d v a n c ean e wm e t h o db a s e do rt h ea s i c t e c h n o l o g y t or e a l i z e t h em a i nf u n c t i o no f t h ed a t a - c o u e c f i n gd e v i c ei nt h em a r k e tn o w a tf i r s t ，w ei n t r o d u c et h ea d v a n t a g eo fd e s i g n i n gt h ed e v i c et h r o u g ha s i c t e c h n o l o g y c o m p a r i n g t h ed i f f e r e n td e s i g nm e t h o do ft h ea s i c ，w ed e c i d et or e a l i z e o u rd e s i g nt h r o u g hf p g a t h e n ，w ea n a l y z et h em a i nf u n c t i o no f t h ed a t a c o l l e c t i n gd e v i c ew h i c hi n c l u d e p u l s es i g n a lc o l l e c t i n g ，c o u n t i n gt h ep u l s ea c c o r d i n g t od i f f e r e n t t i m e ，d i s p l a y , s t o r a g e ， c o m m u n i c a t i n g ，r e m o t ec o n t r o la n ds oo n a c c o r d i n gt os o m et e c h n o l o g yr u l e s ，w e d e s i g nt h ea s i ct h r o u g hv e r i l o gh d l d u r i n gd e s i g n i n g ，w ec o m p l e t ef u n c t i o n s i m u l a t i o na n d t i m i n gs i m u l a t i o nb a s e d o nt h ef o u n d a t i o ns o f t w a r e i no r d e rt ov e r i f y t h ew h o l ef u n c t i o n ，w eb u i l das m a l ls i m u l a t i v es y s t e mi nw h i c ht h em c ua c ta sa r e m o t ec o n t r o lc e n t e r i nt h ee n d ，w es u m m a r i z ee x p e r i e n c ei nt h i sd e s i g na n ds h o wt h ep r o m i s i n g f u t u r eo f d e v e l o p m e n to f t h e a m r s u s i n gt h e a s i ct e c h n o l o g y t h r o u g h t h i si c d e s i g np r o j e c t ，w e r e a l i z et h em a i nf u n c t i o n o ft h e d a t a - c o l l e c t i n gd e v i c ea n d w i l lb r i n gg r e a ta d v a n t a g et op r o d u c et h ed a t a c o l l e c t i n gi c b a s e do ns u c hr e s e a r c h ，w ew i l ls p e e dt h ed e v e l o p m e n to f t h ea m r s y s t e m i i 浙江大学磺士论文 第一章绪论 1 1 远程抄表系统的国内外概况 远程抄表系统又称自动抄表系统，国外称为a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n g s y s t e m ，常缩写为a m r s 。它是将终端用户电度表单元的数据采集后，通过现代 传输通讯技术送到远端管理部门进行数据处理的系统。采用远程抄表技术，不仅 能节约人力资源，更重要的是可提高抄表的准确性，减少因估计或誊写而造成帐 单出错，使供管理部门能及时准确获得数据信息。由于用户因此不再需要与抄表 者预约上门抄表时间，还能迅速查询帐单，这种技术越来越受到用户欢迎。 远程抄表系统广泛应用于电力部门。随着公用事业部门的现代化管理需要， 智能化住宅概念的推广，此项技术在近年来在国内外取得了迅猛发展。对该项技 术的研究也从各个角度展开，从国内外相关技术拓展报道看，市场前景广阔。 8 0 年代中期以来，美国在a m r 技术的开发和应用上取得了长足的进步。据 “1 9 9 8s c o t tr e p o r to na m rd e p l o y m e n t s ”资料披露；美国在1 9 8 8 年度，共 有7 9 1 项a m r 应用项目，其中约有5 5 0 万台电表实现了自动抄表：而这一时期采 用的主要是e m r ( r e a d i n ga n de n t e r i n gd a t a o nah a n d h e l d c o m p u t e r k e y b o a r d ) 采用手持计算机的人工抄表：随后开发了o m r ( o f f s i t em e t e r r e a d i n g ) 无线方式的户外抄表。是指通过车载无线电自动抄表。九十年代以来， 随着电子及通信技术的发展，出现了以电力载波、电话网、有限电视网，无限通 信为媒介的a m r 技术，并在以美国为代表的西方发达国家取得广泛的推广应用。 随着我国的城市公用事业和人民居住状况的不断的改善和提高，人工抄表方 式己远远不能适应这一发展的需要。9 0 年代后期，在太原、常州、合肥、上海 等地相继开发出一些具有a m r 特征的产品，标志着国内已有“远程自动抄表”的 需求和a m r 技术已开始起步。近两年来，我国电力系统的用电部门也已经在一些 小的范围内进行了应用实践，取得了不少宝贵的经验。从目前国内a m r s 试点 的情况看，其主要区别是通讯方式不同。 一般来说，几乎所有a m r s 系统的整体都采用分布式体系结构。这种体系结 构分上下两层：上层( 用电管理中心与集中器之间) 通信的采用星型结构：底层 ( 集中器与采集器之间) 的通信采用总线型结构。 ( 一) 上层星型通信方案 星型通信系统是以安装在供电局管理中心的系统工作站为中心点，以发散的 形式分别通过通信信道与分散于各台变区域的集中器连接，形成1 对n 的连接形 式。在这种方式下，信道的通信数据量较大，要求有一定的传输速率和带宽。根 据信道的介质可分为光纤、电话线和无线三种模式。 ( 1 ) 光纤通信网 光纤通信具有带宽、传输速率高、传输距离远以及高抗干扰性等特点，非常 适合上层通信网的要求。因为光纤本身难以实现t 形连接，不能实现总线结构( 除 非采用光纤环网技术) ，因此特别适合于星型连接。由于目前星型连接节点造价 高，安装费用也比较高，在a r m s 系统中无法采用。随着光纤技术和网络的发展， 不久以后在a r m s 系统中使用光纤通信网进行上层通信将是一种很好的选择。 ( 2 ) 电话线网 由于电话网在城镇的迅速普及，利用现有的电话网进行数据通信也是一个经 济有效的方案。利用电话通信，只需在数据集中器和管理中心主机各加装调制解 调器( m o d e m ) 即可，其通信速率可达2 4 k b p s 、9 6 k b p s 甚至5 6 k b p s 。主机对 集中器的呼叫主要通过拨号由交换机自动完成。 ( 3 ) 无线通信网 利用无线电波进行无线通信，对于范围广、布局分散的集中器进行数据通信， 是一种较好的选择。其特点是传输频带较宽，通信容量较大( 可达几千台) ，通 信距离长( 一般几十公里，还可通过中继站延伸到更远) 。在进行通信时，管理 中心主机控制无线电台发出呼叫命令，各集中器收到命令后进行地址对比，如正 确则发出应答信号，完成数据链路的建立，然后进行数据通信。使用这种通信方 式，安装调试方便，主要缺点是需申请频点使用权，如果频点选择不合理，相邻 两个信道会产生相互干扰。一般情况下，小型无线电台的通信速率较低，常用 6 0 0 b p s 或1 2 0 0b p s ，且设备及安装成本较高，所以这种通信方式的使用场合有 一定的限制，多用于大用户电力负荷的无线电监控及用电管理系统中。 - 2 鱼竺兰查竺! ! ：堡查 ( 二) 底层总线型通信方案 总线型通信系统是为克服星型连接的不足而采用的，这种方式以一条串行 总线连接各分散的采集器或电度表，实现各节点的互连。这种方式下，信道上节 点较多，传输速率不很高( 与通信介质有关) ，传输距离短，不超过2 0 0 0m ，因 此一般用于底层电能数据的采集。常用的模式有低压电力线载波通信、r s 一4 8 5 网等。 ( 1 ) r s - 4 8 5 网 e i ar s - 4 8 5 是c c i t t 标准化v 11 x 2 7 兼容的平衡式电气特性标准。该标 准采用集成电路，在一对平衡的互连电缆上传送差分信号，在接收端用差分接收 器进行信号判决。这种接口是具有抑制共模干扰的能力，因此抗干扰性能很好， 信号发送频率最高可达1 0 e 4 z 。在使用双绞线，信号速率小于1 0 0 k b p s 时，传输 距离可达1 2 0 0 m 。r s 一4 8 5 接口在一个通道上可进行半双工通信，所以只需两根线 便可双向通信，并可方便地构成一点对多点或多点之间的相互通信网络，一般使 用双绞线作为网络总线。总线上挂接的节点个数因选用的接口驱动芯片而异，最 多可接1 2 8 个节点。对要求较高的系统可考虑选用带光电隔离的、抗雷电及抗静 电放电的冲击的收发器，在进行系统设计时应综合考虑这些因素。 ( 2 ) 低压电力线载波通信 利用低压电力线作为a m r 系统的底层数据通道运行成本低，无疑是非常经济 的方案。在发送数据时，发送器先将数据调制到一高频载波上，再经过功率放大 后通过耦合电路耦合到电力线上。信号频带一般为5 0 3 0 0 k h z ，峰峰值电压不超 过1 0 v ，因此不会对电力线路造成不良影响。此高频信号经线路传输到接收方， 接收机通过耦合电路将高频信号分离出来，滤去干扰信号后放大，再经解调电路 还原成二进制数字信号。低压电力线载波通信网的系统结构同r s 一4 8 5 系统结构， 采用总线结构。在同一变压器区域下，一个集中器采集若干个采集器或电度表的 数据，构成一个总线型图。但是，利用低压电力线作为传输信道还存在许多问题。 首先，电力线上的干扰非常大，特别是在用户线路上。例如：用户家用电器、 开关电源等产生的高次谐波，各种用电设备的通断产生的瞬时脉冲干扰，各种大 功率开关器件的开关产生的宽频谱的驻波干扰等等。因此，如何抑制干扰，提高 第一 n 鲁 通信的可靠性是首要考虑的。 其次，不同地方的线路特性可能完全不同，使用线路的种类及线路上的负荷 情况都会对高频信号在电力线上的传输特性产生很大的影响。即使是同一段电力 线路，其传输特性也会随各种电力负荷的投切而改变，所以通信设备的稳定性和 适应不同线路的能力也很重要。当前市场上应用于电力线上的调制解调器一般是 基于移频键控( f s k ) 调制方式的，由于传输速率低( 一般不超过2 4 0 0 b p s ) ，而 且抗干扰性能差、传输距离短，所以基本上已经被淘汰，而被广泛使用的是扩频 调制解调器。扩频系统分发端和收端两部分，收端可简化为调制和扩频两个模块。 在发送端，信号首先对某个载频进行调制，调制器输出的窄带已调信号再送及扩 频器进行二次调制，输出的信号为宽带已调信号。由于扩频器是利用一高速伪随 机码( p n ) 序列对发射信号调制，因此获得的输出信号的谱密度大大地降低了。 接收端由解扩和解调器构成，在接收端，利用与发端相同的伪码序列对收到的扩 频信号进行解扩( 扩频的反变换) 处理，还原成窄带已调信号，窄带已调信号再 经过解调器后原始信号就解调出来。由于扩频信号带宽与窄带滤波器带宽之比越 大，信噪比就越大，所以扩频通信是以宽带宽换取高信噪比，并提高通信的抗干 扰能力、增强通信的隐蔽性的。因此这种调制方式将是低压电力线载波通信的发 展方向。 1 2 远程抄表系统的基本结构及工作原理 远程抄表系统基本结构如图1 1 所示，主要由电表，抄表器，集中器，信 息传输网络，远程控制中心( 终于信息处理机) 组成。 鱼竺兰查竺竺竺丝查 图1 一i 远程抄表系统结构图 根据a m r 的结构，电能表、抄表器、集中器、中央信息处理机等部分的基 本功能如下： 1 ) 电能表 是最基本的，也是最末端的设备，将模拟的电压电流量转换为电度量，完 成电量数据的读取。现在国外已有带有自动抄表功能的电子式电能表投入实际应 用，它本身具备抄表功能，且带有通讯模块，可完成数据传送功能，但这样的电 表价格昂贵，大面积的应用费用太高。我国的电力用户中存在着大量的感应式( 转 盘) 电能表，需要将这种电能表加上光电转换装置，得到电脉冲后才可以在该系 统中应用。近年来，我国大部分地区完成了两网改造，脉冲式电子电能表取代感 应式电表成为我国电力用户应用的主流。但由于这些电表普遍没有通讯模块，所 以必须加装抄表器才能用于a m r 系统。 2 ) 抄表器( 也称数据采集器) 抄表器的作用是将电能表输出的电量值进行采集! 存储、处理，并通过通讯 模块送到集中器，以便各个集中器将收集到的数据通过公共电话网或其他方式发 送给中央信息处理机。在自动抄表系统中的抄表器还可以实现一些远程监控功 能，将用户的电表运行状态上传，或对用户的电费支付情况予以提示。 ，分一| 卜 夸 3 ) 集中器 集中器一般在一幢或几幢楼中安装一台。集中器的作用是将多台抄表器连接 起来，一般为十几台或几十台，集中器具有将抄表器传来的数据集中存储并以某 种通讯方式向上一级发送的功能。 集中器一般都有较大容量的e e p r o m ，以保证存储器在掉电的情况下保持原 有的存贮数据不丢失，同时，还具备红外或其它方式的通信功能，以便在集中器 与外界联系中断时使用，或采用半自动的方式进行抄表。 4 ) 中央信息处理机 该部分是a m r s 的中枢和大脑，由计算机或服务器组成，是主控方实施管理 的平台。在这里，管理人员可以通过计算机随时观察到各用户的电量数据，并可 显示、打印各种所需的数据报表。通常，中央信息处理机可以方便地与银行系统 的计算机联网，实现电费的自动划拨和管理。计算机随时观察到各用户的电量数 据，并可显示、打印各种所需的数据报表。通常，中央信息处理机可以方便地与 银行系统的计算机联网，实现电费的自动划拨和管理。 1 3 终端抄表器的现状及课题的提出 a a r 技术代表了融合先进科学技术的一种管理模式，9 0 年代末以来，国内 有不少企业开展了这方面的研究，但市场推广并不顺利。目前，只是在部分地区 进行了试验性的应用。究其原因，一方面是信号传输方式不同，各有利弊，尚没 有统一的标准。更主要的在于构建一个完整的系统规模庞大，费用相当高。因此， 研制一种高性能低成本的远程抄表系统成为推广运用a m r 技术的关键。 在上述目前应用的a m r 技术方案中，大多采用了电力载波作为上级数据传送 的通道，这是因为目前在城市中，不需额外增加数据传输网络。所以这部分费用 并不会太高。从整个网络结构来看，分布在各个用户端的数据采集部分由于数目 大，在整个工程费用中所占的比重较高，所以降低这部分设备的费用可以产生较 好的经济效益。我国目前大部分电力用户采用了电子电表，但这些电表仍不具备 通讯功能，要加入自动抄表系统就必须安装抄表器( 或称数据采集器) 。 从远程抄表系统结构图中可知，抄表器是系统的核心电路之一。它承担了抄 读、处理电表数据，并具有传送数据和控制指令的功能，在远程抄表系统中起到 鱼堂兰查竺! 查竺查 非常关键的作用。 目前国内许多公司开发的抄表器主要通过单片机控制，典型的有山东信友电 器有限公司的d d d 0 1 电力线载波抄表采集终端，四川鸿迅数据有限公司的 h x 2 0 0 1 系列等等。虽然用单片机可以实现数据采集、存储、定时、通讯等功能， 但单片机必须配备一定的外围回路，体积较大，电路比较复杂，成本较高，且可 靠性不够理想。此外，采用通用单片机还存在一定的资源浪费。因此采用新的设 计思路，设计新一代的抄表器不仅很有必要，而且具有良好的经济效益和广阔的 应用前景。 怎样降低成本，设计体积小功能强大可靠性高的抄表器电路成为众多研究单 位和企业的下一阶段的重要课题。 随着近年来集成电路技术、特别是s o c ( 片上系统，s y s t e mo nac h i p ) 技 术和a s i c ( 专用集成电路，a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t s ) 技 术的发展，为开发成本低、功能强、可靠性高以及专利性与保密性好的专有集成 电路仓造了必要而充分的发展条件。如果在远程抄表系统中引入a s i c 和s o c 技 术，就有可能开发出低成本、高性能、低功耗、高可靠的更有竞争能力和更高性 价比的a m r s 产品。本课题的就是在分析国内抄表器产品现状的基础上，结合集 成电路技术的优势，提出用a s i c 技术来设计远程抄表系统的终端抄表器。 ，- 浙江大学司l - 啼分文 第二章抄表器芯片实现的技术路径和方法 2 0 世纪集成电路技术的巨大发展，可以制造出低成本、低功耗、体积小、 功能强大的电子产品。尤其是专用集成电路a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i c i n t e g r a t e dc i r c u i t s ) 技术的发展，为我们实现抄表器电路提供了一种切实可行 的方法。 2 1a s i c 技术及设计方法 专用集成电路a s i c ，是指根据特定用户要求或特定电子系统的需要而设计、 制造的集成电路。它可以根据用户提出的功能要求专门进行集成电路的设计，也 可以对已经成熟的电路和系统进行集成化设计。 进入八十年代后，半导体集成电路的工艺技术、支持技术、设计技术及测试 评价技术的规范化水平和集成度不断提高，电子整机、电子系统高速更新换代的 竞争态势不断加强，为开发周期短、成本低、功能强、可靠性高以及专利性与保 密性好的专有集成电路创造了必要而充分的发展条件，并很快形成了用专用集成 电路取代中小规模集成电路组成电子整机或系统的技术进步热潮。 在整个九十年代中，国际a s i c 产品增长了5 倍，目前a s i c 在总的i c 市场 中的占有率已发展到近四分之一，在整个逻辑电路市场中的占有率已超过一半。 a s i c 作为集成电路( i c ) 技术与特定用户的整机或系统技术紧密结合的产 物，在构成电子系统时具有以下几个方面的优越性： ( 1 ) 缩小体积、减轻重量、降低功耗： ( 2 ) 提高可靠性，用a s i c 芯片进行系统集成后，外部连线减少，因而可靠性明 显提高： ( 3 ) 易于获得高性能：a s i c 是针对专门应用特别设计的：系统设计、电路设计、 工艺设计之间紧密结合，一体化的设计有利于获得前所未有的高性能系统 ( 4 ) 可增强保密性，电子产品中的a s i c 芯片对用户来说相当于一个“黑匣子”， 难于仿造! 容易形成统一的技术标准； ( 5 ) 在大批量应用的产品时，通过先进生产线的大规模生产，可降低单位芯片 的成本，并可显著降低系统成本。 显然，现代集成电路的发展为设计先进的电子产品提供了有利的技术条件。 第二幸抄裹肆芯片奥毫的技术路径和方法 尤其是a s i c 技术可以结合各用户的需要灵活的设计各种用途的专用芯片电路， 对一些数量大用途广的电子应用系统或电路而言，可以通过a s i c 设计技术实现 专用集成电路芯片的规模生产，不仅使系统或电路体积更小、性能更好，也可以 使单片芯片的成本大大降低。 基于上述的特点，在考虑到目前国内的大部分远程抄表系统多是采用单片机 控制，单片机控制的抄表器具有设计简单，用软件实现逻辑控制灵活。且设计费用 低等优点。但是专用集成电路技术可以根据用户的需要设计电路，尤其是抄表芯 片市场广阔，大规模生产后带来的优越性将会非常明显。从相关领域的发展看， 用专用集成电路取代大型电子系统设计成为新的发展趋势。 根据集成电路产品的用途，性能和价格上的不同要求，因而可以采用不同的 设计方法和手段设计专用集成电路。a s i c 的设计方法一般可以分为三类： ( 1 ) 全定制i c ( f u l lc u s t o mi c ) 是指自顶向下直至晶体管电路级和版图级的全部设计。适用于批量大的通 用集成电路芯片或者对于设计周期要求不高、对初期开发成本不苛求、芯 片资源利用率较高的大批量产品。该方法可以获得最高速度、最低功耗和 最省面积的芯片设计。缺点是设计周期长，初期开发成本较高。 ( 2 ) 半定制i c ( s e m i c u s t o mi c ) 是以厂家预先设计并验证的单元为基础，从事具体电路的有关设计。适用 于要求设计成本低、设计周期短而生产批量小的芯片设计。但存在门阵列 利用率低，芯片面积大的缺点。 ( 3 ) 可编程逻辑器件( p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 是生产厂家提供的通用芯片，用户可以根据实际应用，对器件进行编程。 从而产生特定的功能。具有设计灵活，周期短等特点。 由于我们是在实验室条件下将抄表电路的a s i c 设计作为自己的硕士论文 研究方向。我们希望能在有限时间内能够得到结论性的研究结果，而且也没有大 量的资金支持；所以采用f p g a 方法设计抄表器专用集成电路是一种比较切实可 行的选择途径。此外，在芯片设计过程中难免要通过反复修改以达到较为成熟的 设计，而利用f p g a 可反复编程修改和容易转入到版图设计的特点，不仅能降低 研发成本，同时也为进一步开发用半导体芯片工艺实现的a s i c 芯片做好前期设 - 9 浙江大学习i 静文 计工作。随着我们设计的产品更趋成熟，将来瞄准的是国内几千万台电表，以及 其他众多远程表计( 水，气等) 的巨大市场，市场需求会非常大，那时掩膜设计 制作的a s i c 芯片生产就会成为必然。而从f p g a 产品转为掩膜a i s c 产品，本身 就是一种连贯的设计途径，有现成的设计软件和手段，转换起来较为方便。 2 2 可编程器件及可编程a s i c 2 2 1 可编程器件分类 8 0 年代出现的可编程逻辑器件p l d ，在一定的程度上为数字系统设计工程师 的快捷、灵活设计提供了可能性。p l d 器件的应用，使一系列功能强，速度高， 灵活性大的积木式系统设计得以成功。可编程逻辑器件按逻辑功能而言，主要可 分为： p l d ( p r o g r a m m a b l el o g i c a ld e v i c e ) ，可编程逻辑器件 e p l d ( e r a s a b l ep r o g r a m m a b i el o g i cd e v i c e ) ，可擦除的可编程逻辑器件 f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l e - - g a t e - - a r r a y ) 现场可编程逻辑器件 随着数字系统设计的规模容量不断提高，功能日趋复杂，基于s s i m s i 基 础之上的p l d 不能满足系统设计要求。于是，编程的灵活性更强，规模容量更大， 速度更高的f p g a 应运而生。f p g a 芯片不仅仅在单片集成容量上，从几十门几 百门上升到几千门几万门级，更重要在于可编程特性上以逻辑块级跃至为逻辑 门级，编程的灵活性大大强于p l d 器件。 2 2 2 现场可编程逻辑器件( f p g a ) f p g a 用户现场可编程门阵列器件，顾名思义，是一种可由用户根据所设 计的数字系统的要求，在现场由自己配置，定义的高密度专用数字集成电路。 f p g a 将现代的v l s i 逻辑集成的优点和可编程器件设计灵活的长处相结合，使设 计者f p g a 开发系统软件的支持下，现场直接根据系统要求定义和修改其逻辑功 能，使一个包含数千个逻辑门的数字系统设计实现，采用f p g a 技术，即可几天 内完成。将以前由许多个t t l ，p l d ，e p l d 逻辑器件执行的逻辑功能，集成到单 片的f p g a 器件中。通常，可将f p g a 主要优点归纳如下： ( 1 ) f p g a 的用户现场可编程的特性大大缩短了设计实现周期，可以在很短 - 1 0 - 第= 章抄毫- 芯片蜜巩的技术l 径和方法 的时间内，由设计工程师现场提供样机，使产品的上市时间大大缩短，适于现代 的市场竞争需求。 ( 2 ) f p g a 可以提供比p l d 和e p l d 器件足够大的有效逻辑容量密度，不仅 大大减少印刷电路板的空间，大大降低系统功耗。同时大大提高了系统设计的工 艺可实现性和产品的可靠性。 ( 3 ) f p g a 可以反复编程，重复使用，前期投资风险小，且可以在开发系统 中直接进行系统仿真，也可在小批量的产品应用场合。 但是，在考虑采用可编程a s i c 设计的前提下，设计者还要根据实际要求， 决定采用何种类型的可编程a s i c 器件，以获得最佳的性能价格比。图2 1 给出 了f p g a 和普通门阵列器件的设计实现成本与生产需求量的关系。 骓 初期 固定费用 计划生产数量( 片) 圈2 一if p g a 和门阵列设计实现成本和生产需求量之关系 从图可见，一般门阵列器件设计制作的一个初始投资风险，而只有到达一定 的需求量，其总体成本才低于f p g a 的设计实现。而f p g a 的应用则特别有利于 小批量，试产品的应用领域。一旦生产需求量大时，则可以考虑将f p g a 的设计 实现转化为普通门阵列来实现，以降低成本。这个转换过程并不复杂。 图2 2 所示是几种a s i c 设计的容量密度和生产需求量的关系分析。 浙江大掌司e 士论文 设计密度( 门片) 喘篇三，弋 甩户班扬可辅程 、。， 门陴列ff p g ) 、 、 苛缡程迎辑器件fp l i ) i0 01 ，0 0 0la ，0 0 010 0 , 0 0 0 生产数盈 圈2 2设计的革片密度与生产胥求量之关系 从图中可见，p l d 一般只能用于小规模容量密度的场合对需求量大小的均 可应用。而f p g a 适合于小批量需求，大规模容量密度的场合。门阵列适用于大 批量需求，大规模容量密度的应用中，以求降低成本。而标准单元和用户全定制 i c 将只有用于更大需要量时，才有希望获得较低的设计实现成本。 同样，以产品设计实现的周期而言，一般用户总是希望以最低的价格，最快 的速度得到最好的产品。但是，门阵列、标准单元，全定制电路在设计实现的时 间周期来讲，均远远大于f p g a 器件的设计实现周期。 2 3f p g a 的技术特点及产品的选择： 2 3 1f p g a 的主流产品 f p g a 器件起源于美国x i l i n x 公司的创造。在国际上，f p g a 技术至今仍主要 以x i l i n x 公司为代表。x i l i n x 公司基于创新的概念于1 9 8 4 年成立，其开发的 目标一开始就很明确，即要将l s i v l s i 的门阵列技术的高逻辑密度和通用性 与用户现场可编程部件的设计灵活，上市快捷以及成品的有效性结合起来，从而 于1 9 8 5 年推出世界上第一个现场用编程门阵列( f p g a ) 器件。以后几年中，x i l i n x 连续推出一系列f p g a 新品种，保持着市场领先的地位，在短短的时间内，使f p g a 的单片密度增加了近1 0 倍，大大改进了f p g a 的速度。大大有利于f p g a 器件向 通讯技术的数字系统中推广应用。与此同时，使f p g a 的价格降低到原来的1 4 1 8 之多。x i l i n x 公司拥有f p g a 结构和技术的专利，是世界上f p g a 最大的 供应商。多年来，x 订i n x 推动f p g a 技术发展的策略是将其资源集中到创造新的 f p g a 器件和开发系统的软件上，集中到市场开发和建立广泛的跨地区范围和应 ，1 2 - o 0 0 0 0 o 叩 旧 加 ， 鱼! 苎! ：竺曼竺苎! 竺苎竺苎查竺苎竺查兰 用市场环节的各种用户支持基地。这是f p g a 应用得以短期内在全世界普及重要 因素。 x i l i n x 公司f p g a 应用开发系统f o u n d a t i o n 软件都有良好的用户界面，使 用方便，因此在本次设计中使用x i l i n x 公司的产品作为设计实现的平台 2 3 2f p g a 的结构 就f p g a 的结构而言，主要由三个部分所组成： 可编程逻辑块c l b ( c o n f i g u r a b l el o g i cb l o c k s ) ：提供构造用户逻辑功能单元。 可编程输入输出模块i o b ( i n p u t o u t p u tb l o c k ) ：提供封装引腿和内部信 号引线的接口。 可编程内部连线p i c ( p r o g r a m m a b l ei n t e r c o n n e c t ) ：提供布线通道连接这些 可配置元件的输入和输出到相应的网络。 通过编程控制p i 连接各c l b 单元，可以形成具有特定功能的电路。每个电 路块的功能是配置期间通过对内部静态存储器单元迸行编程来确定的。这些存储 器单元的数值决定f p g a 中实现的逻辑功能和相互连接。 图2 3 所示为f p g a 平面结构示意图。 l o g i cb l o c k s 图2 3f p g a 结构示意图 x i l i n x 的f p g a 结构主要有两个方面的创新概念。 一是所谓的逻辑单元阵列( l c a ) 结构。正是由于这个l c a 分布结构，使之 1 3 - 浙江大掌习l 士论文 具有门阵列和可编程逻辑器件的双重特征。l c a 象一个门阵列。通过内部的可编 程布线通道的内部互连网络。把逻辑晶体( 这里按组称为可编程逻辑块c l b ) 按 设计要求连接在一起以综合阵列中的逻辑功能。其用户的可编程特性，使得l c a 具有一个极其强的逻辑解来实现一个优化的门阵列的密度水平。 其次，另一个创新的概念在于，其芯片的逻辑功能的配置基于内部阵列分布 的s r a m 原理，即通过对分布的s r a m 的不同的加电配置，来决定各个部分的逻辑 定义，同样，并允许f p g a 靠简单的加载新的数据进行配置s r a m 单元，从而实现 芯片的新的逻辑配置，也就是说，加载不同的配置数据，芯片可以不断更新且反 复使用。所以，对于f p g a 器件编程实现，实际上就是由加载于s r a m 上的配置数 据决定和控制各个c l b 、l o b 及内部连线p i 的逻辑功能和它们之间的相互连接关 系。通常这个规划格式的数据可存放于外附的p r o m 或e p r o m 中，在系统开机或 需要时自动载入f p g a 中的s r a m ，或者直接由微处理器控制当成系统的起始动作 来处理。f p g a 中的s r a m 的查找表结构，为设计的灵活实现提供了可能。 2 3 3s r a m 查找表结构的基本原理 查找表( l o o k u p t a b l e ) 简称为l u t ，l u t 本质上就是一个r a m 。目前f p g a 中多使用4 输入的l u t ，所以每一个l u t 可以看成一个有4 位地址线的1 6 x i 的 r a m 。当用户通过原理图或h d l 语言描述了一个逻辑电路以后，p l d f p g a 开发软 件会自动计算逻辑电路的所有可能的结果，并把结果事先写入r a m ，这样，每输 入一个信号进行逻辑运算就等于输入一个地址进行查表，找出地址对应的内容， 然后输出即可。 由此输出状态控制传输门或多路开关信号的通断，实现与其他功能块的可编 程连接。查找表结构的优点是其呈现高的功能性，m 输入的查找表可以实现高达 m 个输人任意函数，只要用相应于函数真值表的位模式预先加载存储器。下面是 一个4 输入与门的例子 实际逻辑电路 l u t 的实现方式 ：地址瞄fl 输出 ! i 1 6 x i 瑚f c 量1l一m 一 i l o t r r ) l d = ) 一 li a ，b ，c 。d 输入 逻辑输出地址r a m 巾存储的内抟 鱼苎惫! ：! ! 整苎苎苎恐兰竺苎坐竺竺竺世 0 0 0 0o0 0 0 00 0 0 0 lo0 0 0 l o o0 lll l l ll 查找表结构的f p g a 逻辑实现原理 。稚 a 日 c 0 c l k 图2 4 查找表结构原理图 a ，8 ，e ，d 鑫f p g a 芯片憨繁脚羧入爱进入缡疆逡线，然磐捧蔑逮涎线连戮爨l u t ， l u t 中已经事先写入了所有可能的逻辑结果，通过地址套找到相应的数据然后输 爨，这梯缓舍逻辑裁实蠛了。该毫路孛参簸茇器是壹接稳霜l u t 薏瑟矜继发嚣 来实现。时钟信母c l k 由i o 脚输入后进入芯片内部的时钟专用通道，蠢接连接 翻齄发嚣酌对锌端。融麓器豹输斑与i 内瓣稆连，把结祭输出到芯片管脚。这样 p l d 就完成了图2 4 所示电路的功能。( 以上这魑步骤都是由软l 牛自动完成的， 不需要人为干预) 这个电路是一个很简单的剑予，只鬻要一个l u t 加上一个触发器戴露 三l 竞 成。对于一个l u t 无法完成的的电路，就需要通过进位逻辑将多个单元相连，这 榉f p g a 弑可鞋炙瑷复杂赡逻辑。 目前有多家公司生产c p l d f p g a ，畿大的两家是：a l t e r a ，x i l i n x 。它们都 窍各塞翡基于查找表类登豹嚣 串；主要鸯x i li n x 静x c 2 0 0 0 ，x c 3 0 0 0 ，x c 4 0 0 0 ， x c 5 0 0 0 ，和a l t e r a 的f l e x 8 0 0 0 系列。比较上述五种类型的器件，x c 4 0 0 0 系列 的c l b ( 可配置逆辑块) 每个函数发生器有独立的输入，允许完全独立的函数在 相同的功能块内实现，圆此与其他几种功能块相比，它提供了逻辑功能块输人和 输出更灵活和更肖效的方案，最商可实现九个输入变量的任何函数。这也是我们 在设计中选择x c 4 0 0 0 系列的产鑫作为实现帮验溅设计憝器饽鲍璞由之一。 浙辽夫掌硪士论文 2 3 4f p g a 设计流程： f p g a 的设计开发流程主要包括四个步骤：设计输入( d e s i g ne n t r y ) 、功能 仿真( f u n c t i o ns i m u l a t i o n ) 、综合( s y n t h e s i s ) 、布局布线( p l a c e r o u t e ) 时序仿真( t i m i n gs i m u l a t i o n ) 等一系列过程。 设计输入：常用的设计输人手段有以下两种： 原理图方式和硬件描述语言方式。原理图编辑器能够在原理图文件中使用常 规门电路及宏单元来进行逻辑设计。当f p g a 设计的密度和复杂性增加到超过上 万门时，门级输人工具变得过于繁琐，利用硬件描述语言，如v h d l 或v e r i l o g 等，可以提高设计者的生产率。 设计输人阶段的目的是产生一个x n f ( x i l i n xn e t l i s tf o r m a t ) 文件，以便进行设 计实现。 仿真：仿真包括功能仿真和时序仿真。其中，功能仿真在布局布线之前： 时序仿真在布局布线之后。 综合：逻辑综合就是将较高抽象层次的描述自动地转换到较低抽象层次 描述的方法。即将r t l 级的描述转换成门级网表的过程。逻辑综合过程要求的输 入为：r t l 级描述程序，约束条件，支持工艺库等，输出是门级网表。 在实现过程中，综合工具可以在传递到装配工具的输出文件中详细地指出所 需的各种逻辑资源，装配工具和综合工具要有良好的配合、协作，保证由综合工 具传递到装配工具的信息，可以用来产生最佳的实现结果。 利用高级描述语言要求有能对目标结构有效地编辑设计的综合工具，x i l i n x 提供对综合工具的e x p r e s s 。e x p r e s s 是一个完善的f p g a 逻辑分析、综合及优化 工具。它从v h d l ，v e r i l o gh d l 和末优化的网表中产生优化的网表文件。e x p r e s s 包括分析、综合和优化三个步骤。分析时采用s y n o p s y s 标准的h d l 语法规则对 h d l 源文件迸行分析并纠正语法错误：综合时，以选定的f p g a 结构和器件为目标， 对v h d l 、v e r i l o g 和f p g a 网表文件迸行逻辑综合：优化时根据用户的设计约束对 速度和面积进行逻辑优化，产生一个优化的f p g a 网表文件，以供f p g a 布局和布 线工具使用。 布局布线：把设计映射到构成l c a 的逻辑功能块( c l b ) 、i o b 和其他资源 中。用户可选最优密度映射或最优性能映射，前者利用最少的c l b 映射，后者的 1 第黼幸抄麟肆慈片粕巍的技术路悒和奔法 映射使临界通邋的逻辑级数最小，有时映射算法也重视布通率的考虑。 农局包揍扶映射步骤取凌定义豹逻辑鼹l 内块，势把宅钠分配戮f 麓矗痰熬耱遴 位置。并试图使厢积最小或延时最小化。 鑫动毒线较释雳蠢线资源戳全稽矮短蠡冬路径试警完成所有韵逶瓣连接。掰户胃懿 用约束条件来操纵自动布线软件。布局布线后生成网表文件提供绘时序仿真用。 器释配鬣：设计缩采是经过布蜀布线产垒一个配鬻位流文件。通过下载电 缆完成对f p g a 芯片的配鼹。通过外围电路的设鬣可以完成硬件验证。 对予s r a m 缀f p g a 稿片，由于摔电稻配置即失效。所以对予应用中的f p g a 芯片将饿流文件霹入e p r o m ，然殿可以邋进e p r o m 完成慰f p g a 芯冀鲍上奄配置。 加电时，f p g