（电工理论与新技术专业论文）采用fpga的步进电机控制系统研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l i 页 a b s t r a c t 1 1 l i st h e s i si sb a s e do nt h ep 玎o j e c t ，t h ep u r ed i g i t a lc o n t r o l l i n g s y s t e mo fv rs t e pm o t o rb yt h ea d v a i l o e dd e s i g n m gt e c h n i q u eo f f p c h v c p l d a tf i r s t ，t h ee s s a yp a s s e st h ep r o g a m m et e s t i l l gp a r to n s i m u l a t i o n 、s y n t h e s i sa n dd o w n l o a d i i l g 1 h e ni ti sa p p l i e di i lp r a c t i c e b ya n a l y z i n gm ew o f i 【i n gp r i i l c i p l ea i l dc o n t m l l m gw a yo ft h es t e p m o t o r ，a n dm ed e s i g i l i n gp 血c i p l eo ff p g an e nm el 【i l o w l e d g e a b o u tv e r n o gh d l 赳la b o u tt h i sp r o v i d e sc h es c i e n t i f o u n d a t i o n f o r t h e p 印e r i no r d e rt oa c h i e v et h ea i ma tc o n t r 0 1 l i n gm es t 印m o t o r ，w e d e s i g nak i l l do fd 蹲tb i tp u l s ew h 自c hc a nb ec o n t i r m o u s l ya d j u s t e d n e s i g n a li sm a d eu po f 觚ob i g g e rm o “l e 、砌c hi sl i i l k e db yt h e m a i nm o d u l e ，a n de v e r ym o d u l ep a s s e st h es i m u l a t i o n t h eh a r d w a r e i s d e s i g n e dmm o d l l l e s t n l 咖r ew h i c ho 任e r sc o n v e n i e n c et o m a i n t c n a n c eo ft h es y s t e ma n de n h a n c e st h ee x p a n s i b i l i 锣o f 也e s y s t e m t h ev b r i l o gh d l w h i c hi su n d e r s t o o de a s i l yi sa d o p t e df o rt h e p 印e r - w 色a d 叩ts e v e r a lk i i l do fp o p u l a rs o f 细a r en o w - f i n a l l yw e o b t a ma n t i c i p a n te f c e c ti l l d e s i g n e de x p e r i m e n t ，w h i c hi m p r o v e st h e c o r r e c 缸1 e s so ft h ed e s 蛔1 1 1 i st l l e s i se x p l a 缸t h et e c h i q u eo ft h e v b r i l o gh d l i 1 1p r a c t i c e w eb r m gf o 删r ds e v e r a lm e t h o dt os e t t l em e m a t t e rw h i c hw eo f 色nf i n d 蛐gt h ep r o g r a m m i n g w ea l s on a a t e t h em e t h o dt oc h o o s em ef p g a c h i pa o c u r a t e l y f p g a + v 锄o g 眦 i + e d ai s t h ec o r eo ft h i s p 印e r t h i s t e c h n o l o g yi s n v e n i e n t 、e x t e n s i v ea i l do e c u i n e n i c a l i np r a c t i c ew l l i c h w i l la c c e l e 阳t et h e d e v e l o p m e n t o ft 量l e i n t e g r a t e c i 砌l i t i 1 1 i s t e c h n 0 1 0 9 y h a sm eh e a r t yl 订i ea n dt h ee x p a i l s i v ef o r e 舀o u n d t h e s y s t e mi s m o r ec o m p a c ta n dl o g i c a lf o ft h er e a s o no fp l l r ed i g i t a l c o n 仃o l l i l l gw a y w ec a nd c b u gt h es y s t e me x p e d i e n t l yf o fm er e a s o no f 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 ll 页 p u r ed 谤t a lc o n t r o l l i n gw a y t h ee s s a yi sa l s oa t t e m p tt ou t i l i z eak i i l d o fn e wt e c l l l l o l o g y ， k e yw o r d s ：v rs t 叩m o t o r ，f n dp r o 伊a m m a b l eg a t ea r r a y ， e l e c t r o n i cd e s i 印a u t o m a t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章步进电机概述 1 1 步进电机及其发展 步进电动机又称脉冲电动机或阶跃电动机，国外一般称为s t e pm o t o r 或 s 1 1 翠p j i l gm o t o r 、p l u sm o t o r 、s t e p p c rs e r v o 、s t 印p c r ，等等。 目前，随着电予技术、控制技术以及电动机本体的发展和变化，传统电 机分类间的界面越来越模糊。就传统的步进电动机来说、步进电动机可以简 单地定义为，根据输入的脉冲信号，每改变一次励磁状态就前进一定角度( 或 长度) ，若不改变励磁状态则保持一定位置而静止的电动机。从广义上讲，步 进电动机是一种受电脉冲信号控制的无刷式直流电动机，也可看作是在一定 频率范围内转速与控制脉冲频率同步的同步电动机【“。 步进电动机的机理是基于最基本的电磁铁作用，其原始模型起源于1 8 3 0 年至1 8 6 0 年间。1 8 7 0 年前后开始以控制为目的的尝试，应用于氩弧灯的电极 输送机构中。这被认为是最初的步进电动机。此后、在电话自动交换机中广 泛使用了步进电动机。不久又在缺乏交流电源的船舶和飞机等独立系统中广 泛使用。 2 0 世纪6 0 年代后期，在步进电动机本体方面随着永磁材料的发展，各 种实用性步进电动机也应运而生，而半导体技术的发展则推进了步进电动机 在众多领域的应用。在近3 0 年间，步进电动机迅速地发展并成熟起来。从发 展趋向来讲，步进电动机已经能与直流电动机、异步电动机、以及同步电动 机并列，从而成为电动机的一种基本类型。 我国步进电动机的研究及制造起始于本世纪5 0 年代后期。从5 0 年代后 期到6 0 年代后期，主要是高等院校和科研机构为研究一些装置而使用或开发 少量产品。这些产品以多段结构三相反应式步进电动机为主。7 0 年代初期， 步进电动机的生产和研究有所突破。除反映在驱动器设计方面的长足进步外， 对反应式步进电动机本体的设计研究发展到一个较高水平。7 0 年代中期至8 0 年代中期为成品发展阶段，新品种高性能电动机不断被开发。自8 0 年代中期 以来，由于对步进电动机精确模型做了大量研究工作，各种混合式步进电动 机及驱动器作为产品广泛利用。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2步进电机特点及其应用 步进电动机是较早实用的典型的机电一体化元件组件。步进电动机本体、 步进电动机驱动器和控制器构成步进电动机系统不可分割的三大部分。其系 统框图如图1 1 所示。 图1 1 步进电机系统框图 1 2 1 步进电机的特色 步进电动机具有自身的特色归纳起来有： ( 1 ) 可以用数字信号直接进行开环控制，整个系统简单廉价。 但啦移与输入脉冲信号数相对应步距误差不长期积累、可以组成结构 较为简单而又具有一定精度的开环控制系统，也可在要求更高精度时组成闭 环控制系统。 ( 3 ) 无刷，电动机本体部件少，可靠性高。 ( 钔易于起动、停止、正反转及变速，响应性也好。 ( 5 1 停止时可有自锁能力。 1 2 2 步进电机的常用术语 ( 1 ) 步距角 定义为每给一个电脉冲信号电动机转子所应转过的角度的理论值。步距角 以。型 ( 1 1 ) 。 m 一， 式中：z 转于齿数： m 运行拍数。通常等于相数或相数的整数倍。即脚，= k m m 电动机相数。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 ( 2 ) 齿距角 定义为相邻两齿中心线间的夹角，通常定子和转子具有相同的齿距角。卤 距角 只：型( 1 2 ) z ， ( 3 ) 矩角特性 矩角特性是指不改变各相绕组的通电状态，即一相或几相绕组同时通以直 流电流时，电磁转矩与失调角的关系，即t = f ( 一) ，如图1 2 所示： 皂礁 ，励磋对曩太静转建 转矩 ，不稳定点 厂， 一 、 失调角 、一 稳定点 图1 2 矩角特性 ( 4 ) 失调角 失调角是指转子偏离零位的角度。 ( 5 ) 零位或初始稳定平衡位置 指不改变绕组通电状态，转子在理想空载状态下的平衡位覆。 f 碘最大静转矩 矩角特性上转矩最大值t 。称为最大静转矩。 ( 7 ) 最大静转矩特性 绕组电流改变时，最大静转矩与相应电流的关系t 。= f 为最大静转矩特 性，如图1 - 3 所示。 一 、 ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 图1 - 3 最大静转矩特性 ( 8 ) 精度 步进电动机的精度有二种表示方法，一种用步距误差最大值来表示，另一 种用步距累计误差最大值来表示。最大步距误差是指电机旋转一周内相邻两 步之间最大步距角和理想步距角的差值，用理想步距的百分数表示。最大累 计误差是指任意位置开始经过任意步之间，角垃移误差的最大值，如图l 一4 所示。 图1 - 4 角度误差 ( 9 ) 响应频率 在某一频率范围内步进电动机可以任意运行而不会丢失一步，则这一最大 频率称为响应频率。通常用起动频率 来作为衡量的指标。它是指在一定负 载下直接起动而不失步的极限频率，称为极限起动频率或突跳频率。 ( 1 0 ) 运行频率 指拖动一定负载使频率连续上升时，步进电动机能不失步运行的极限频 率。 ( l n 起动矩频特性 在给定的驱动条件下，负载惯量一定时，起动频率与负载转矩之间的关 系称为起动矩频特性，又称牵入特性。 f 1 2 ) 运行矩频特性 在负载惯量不变时，运行频率与负载转矩之间的关系称为运行矩频特性。 又称牵出特性。矩频特性如图1 5 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 艘 浆 o 自 图1 - 5 矩频特性 ( 1 3 ) 惯频特性 在负载力矩一定时，频率和负载惯量之间的关系，称为惯频特性。惯频特 性分为起动惯频特性和运行惯频特性。如图1 6 所示。 ( 1 4 ) 单步响应 单步响应是指步进电动机在带电不动的情况下，改变一次脉冲电压，转子 由起动到停止的运动轨迹，如图1 7 所示。 卓j 一加速时间 t l 整定时间一 图1 7 单步响应 自本世纪中叶，步进电动机的应用渗透到数字控制的各个领域，尤其在 n c ( 数控) 机械中广泛利用其开环控制的特点”。近十几年来，步进电动机在 办公自动化( o 蠢j c ca u t o m a t i o n ) 、工厂自动化( f a c t o r yo u t o m a t i o n ) 和计算机外 亘壹奎望奎堂塑主堕窒竺兰焦笙窒篁! 页 部设各等领域作为控制用电动机和驱动用电动机而被广泛使用。图1 8 是一 份精密小型电动机生产量的统计图表，从中可以看出步进电动机在精密小型 电动机中是一种应用最为广泛的机种。 ( 年) 图1 ，8 精密小型电动机生产量表 步进电动机典型的应用见表1 1 。 表1 - 1 典型应用 电机 尼式微电机 磁盘驱动h bp m 打印机外设 磁头驱动 h bp m 直线 打印机h bp m 直线 x y 绘图仪h bp m 事务机器复印机 h bp m 传真机 工业计测仪器记录仪h bp m l 工作机械数控机车髓v r 机器人 步进电动机的性能主要由静转矩、动转矩和角度精度来评价。但应用场 合不同则对其性能要求各异。比如，用于打印机和传真机主要重视步进电机 转矩，而软盘驱动( n o p p yd i s kd r i v c ) 和硬盘驱动( h a r dd i s kd r i v e ) 中则更重视 步进电机角度精度。 印如蚰趵o 姐r恼v裁姐钆划 一 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 1 2 4 步进电机的类型 一j。_。_-_一 从广义上讲，步迸电动机可机械式、电磁式和组合式三大类型。本论文 采用的被控对象为电磁式步进电机，从结构特点进行分类，一般常使用的电 磁式步进电动机主要有表1 2 所示的类型。在小型电动机中，一般多段结构 型式较少采用，绕组形式多为四周分布型和轴向环形线圈型。如上所述，步 进电动机种类繁多。本节就其中典型的几种电动机结构。即v r 型、p m 型、 h r 型和直线p m 型加以说明。 表1 - 2 电磁式步进电机类型 反应式步进电机( v r 型) 旋转电机 永磁式步进电机( p m 型) 混合式步进电机( 髓型) v r 型 直线电机p m 型 h b 型 1 3 步进电机的工作原理 步进电动机是一种将电的脉冲信号转换成相应的角位移( 或线位移) 的机 电元件i ”。通俗地讲，就是外加一个脉冲信号于这种电动机时。它就运行一 步。本论文所研究的对象为三相反应式步进电机，以下便具体说明其工作原 理和方式。 1 3 1 三相反应式步进电机工作原理 三相反应式步进电动机它的定子上有三对磁极，每一对磁极上绕着一相 绕组，绕组通电时、这两个磁极的极性相反，三相绕组接成星形。转子铁心 及定子极靴上有小齿，定转子齿距通常相等。转子铁心上没有绕组，图中所 示的转子齿数为z ，= 4 0 ，每一个齿距对应的空间角度为3 6 0 0 4 0 = 9 0 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 r 一 图1 9 三相反应式步进电机的横截面图 当某一相绕组通电，例如a 相绕组通电时，电动机内建立以a a7 为轴线 的磁场，如图1 1 0 ( a ) 。由于定转子上有齿和槽，所以当定转子齿的相对位置 不同时，磁路的磁导也不同，定转子齿对齿处的每个磁导为最大，定转子齿 对槽处的每个极磁导为最小。转子的稳定平衡位置是使通电相磁路的磁导为 最大的位置，所以a 相通电时转子处于a 相极下定转子齿对齿的位置，如图 1 。9 所示的情况。 i t 1j 柏毽屯 l b ) 一棚遵电 l c ) c 。相通电 图1 1 0 一相通电时的的磁场情况 b 相绕组的轴线，与a 相绕组轴线的夹角为1 2 0o 。中间包含的齿距数为 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 1 2 0 0 9 0 = 1 3 + 1 3 ，即当a 相极下定转子齿对齿时，b 相磁极上定子齿的轴线， 沿a b c 方向超前转子齿的轴线1 乃齿距；c 相磁极上定子齿的轴线，则沿 a b c 方向超前转子齿的轴线2 倍齿距。 在a 相断电的同时，给b 相通电，则建立以b b7 为轴线的磁场，如图 1 1 0 m ) ，即磁场沿a b c 方向转过了1 2 0 0 空问角。此时，转子齿的轴线将力 求与b 相磁极上定于齿的轴线对齐，以达到图1 1 1 所示的稳定平衡位置。很 显然比起a 相通电时即比起图1 9 所示的位置来，转子沿a b c 方向转过 1 3 齿距。 相似地，在b 相断电的同时，给c 相通电，则建立磁场的轴线如图1 1 0 ( c ) 所示的c c ，方向，转子又沿a b c 方向转过1 3 齿距，以求使c 相极下定转子 齿对齿，如图1 1 2 。 可见，在连续不断地按a b c a 的顺序分别给各相绕组通电时，电动机 内磁场的轴线沿a b c 方向不断转动，且每改变通电状态一次时，转过的角度 为二相磁极轴线问的夹角1 2 0 0 。而转子则每次转过1 3 齿距，即3o 空间角， 转子的转动，可以清楚地从图1 1 0 、及1 1 1 中转子第一、第1 4 或第2 7 个齿 的位置的变动看出。当定子各相轮流通电完成一个循环时，磁场沿a b c 方向 转过3 6 0 0 空间角，转子沿b c 方向转过个齿距。 磁场转速与转子转速的速比等于转子齿数。 同理，如果按a c b a - 的顺序轮流通电，则磁场沿a c b 方向断续转动、 转子也沿a c b 方向以较慢的速度断续转动。也就是说，改变轮流通电的顺序， 可以改变电动机的转向。这两种通电方式都是三相单三拍运行方式。 图1 1 1 b 相通电时，转子的 载) 图1 1 2c 相通电时，转子的稳稳定平衡位置( 宅 定平衡位置( 空载) 三相反应式步进电动机也可以按三相双三拍( a b b c - c a - a b ) 方式运行。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 0 页 当a b 二相同时通电时，建立的磁场大致如图1 1 3 ( a ) 所示，合成磁场的轴线 在c c7 方向，转子的稳定平衡位置也是使通电相极下总的磁导为最大，即a b 二相磁极上的齿分别与转子齿的轴线错开1 6 齿距，如图1 1 4 ( a ) ，图中画出 了电动机的相邻半数极下定转子齿的相对位置。此时，a 和b b ，两个极下定 转子相互作用的电磁转矩大小相等，方向相反，使转子处于平衡状态。另外 一种位置，如图1 1 5 所示，看起来好象是平衡位置、但由于通电相磁路的总 磁导不是最大，所以它是不稳定平衡点。 ( a ) a b 相通电( b ) b c 相通电( c ) c a 相通电 图1 1 3 二相通电时的磁场情况 当a b 二相通电变换成b c 二相通电时，电动机内合成磁场的轴线转过 1 2 0 0 ，大致在a7 a 方向，如图1 1 3 佃) 所示。转子的稳定平衡位置则如图1 1 4 ( b ) 所示，转子齿与b c 二相极上的齿分别错开1 6 齿距。从b 相极下看，转 子齿轴线与定子齿轴线的相对位置，从相距为1 6 齿距变为+ l 6 齿距，可见 转子转过1 3 齿距。b c 通电变换成c a 通电时，磁场和 转子的运动情况也相似。 可以看出，双三拍运行方式作用原理与单三拍运行相似，每改变一次通 电状态，磁场轴线转过1 2 0 0 ，转子转过1 ，3 齿距。但由于通电方式不同，运 行性能有些差别。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 1 页 图1 - 1 4 二相通电时转子的稳定平衡位置 图1 - 1 5a b 二相通电时转子的不稳定平衡点 轴线转过1 2 0 0 ，转子转过1 3 齿距。但由于通电方式不同，运行性能有 些差别。 三相反应式步进电动机也可以采用三相六拍( a 衄b b c c c a - a ) 的通 电方式，每改变一次通电状态，转子转过1 6 齿距，为三拍时的一半。 从前面的分析可以知道，同一台电动机。可以有不同的通电方式和不同 的运行拍数。 若用m ，表示运行拍数，z ，表示转子齿数，则每改变一次通电状态时转子 转过角度的平均值称为步距角，用晚表示，则 吃。型 强0 从式中可以看出，拍数和转子齿数不同时，步距角不同，且步距角与拍 数或转子齿数成反比。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 1 3 2 步进电机的驱动器构成 1 。_ _ - 。_ - 。_ _ - 。_ 。_ _ _ - ”。_ - 。- 。_ - _ 。_ - - 。 。_ _ 。_ - _ 。_ _ - 。_ - _ 。- - _ h 。_ - 。一 步迸电动机不能直接接到交直流电源上工作，而必须使用专用设备步 进电动机驱动器 2 】。步进电动机驱动系统的性能，除与电动机自身的性能有 关外。也在很大程度上取决于驱动器的优劣。因此，对步进电动机驱动器的 研究与对步进电动机的研究同步进行的。 步进电动机驱动器的主要构成如图1 1 6 所示，一般由环形分配器、信号 处理级、推动级、驱动级等各部分组成，用于功率步进电动机的驱动器还要 有多种保护线路。 豳1 1 6 步进电动机驱动器的主要构成 环形分配器用来接受来自控制器的c p 控制脉冲，并按步进电动机状态 转换表要求的状态顺序产生各相导通或截止的信号。每来个c p 控制脉冲， 环形分配器的输出转换一次。因此，步进电动机转速的高低、升速或降速、 起动或停止都完全取决于c p 控制脉冲的有无和脉冲的频率。同时，环形分 配器还必须接受控制器的方向信号，从而决定其输出的状态转换是按正序或 者按反序转换，于是就决定了步进电动机的转向。接受c p 控靠4 脉冲和方向 电平是环形分配器的最基本功能。 从环形分配器输出的各相导通或截止的信号送入信号放大与处理级。信 号放大的作用是将环形分配器输出信号进行整形和放大，这中间一般既需电 压放大，也需电流放大。信号处理是实现信号的某些转换、合成等功能，产 生斩波、抑制等特殊功能的信号，从而产生特殊功能的驱动。本级还经常与 各种保护电路、各种控制电路组合在一起。 推动级的作用是将较小的信号加以放大，变成足以推动驱动级输入的较 大信号。有时，推动级还承担电平转换的作用。 保护级的作用是保护驱动级的安全。一般可根据需要设置过电流保护、 过热保护、过压保护、欠压保护等。有时还需要对输入信号进行监护，发现 输入异常也提供保护动作。信号处理级、推动级、保护级，不同的线路差别 很大。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第13 页 驱动级直接与步进电动机各相绕组连接，它接受来自推动级的信号，控 制电动机各相绕组的导通与截止。同时也对绕组承受的电压和电流进行控制。 各种电子设备的末级一般需要功率放大步进电动机驱动也是这样。为使步 进电动机满足各种需要的输出，驱动级必须对电动机绕组提供足够的电压和 电流。但步进电动机驱动与一般电子设备( 如影视音响等) 的驱动有不同的特 点，主要体现在： 首先各相绕组都是开关工作。多数电动机绕组都是连续的交流或直流， 而步进电动机各相绕组都是脉冲式供电，所以绕组电流不是连续的而是断续 的。本论文所要涉及的三相反应式步进电动机在三相六拍状态工作时各相 掩加电压的波形如图1 1 7 所示。 ：! ! 口口口。 塑口一口 。 ! ： 口口 图1 1 7 三相六拍工作时各相绕组电压波形 其次电动机各相绕组都是绕在铁心上的线圈，所以都有比较大的电感。 绕组通电时电流上升率受到限制，因此影响电动机绕组电流的大小。 再次绕组断电时，电感中磁场的储能将维持绕组中已有的电流不能突 变，结果使应该电流截止的相不能立即截止。为使电流尽快衰减，必须设计 适当的续流回路。绕组导通和截止过程中都会产生较大的反电势，而截止时 的反电势将对驱动级器件的安全产生十分有害的影响。 最后电动机运转时在各相绕组中产生旋转电势这些电势的大小和方向 将对绕组电流产生很大的影响。由于旋转电势基本上与电动机转速成正比， 转速越商，电势越大，绕组电流越小，从而使电动机输出转矩也随着转速升 高而下降。 以上各个设备的选择及其对应的布线取决于电机的具体的工作要求，本 论文的工作是要设计出前面所提的c p 脉冲，输入给环形分配器，从而达到 所要求的电机工作性能。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 第2 章f p g a 及v e r i lo gh di 语言 本章首先介绍f p g a 的基本知识，以及所要涉及的芯片；在此基础上介 绍设计中需要应用的硬件语言v e r i l o g d l ，以便使下面的设计更加完整，并 方便阅读。 2 1 数字系统集成的基本概念 数字系统单片化的具体体现是专用集成电路。过去，我们常用定制电路 和半定制电路来分类。其中半定制电路又可以分为门阵列、标准单元和现场 可编程i c 。随着现场可编程i c 技术的不断成熟，现场可编程l c 的设计和 应用成本不断降低，器件规模和品种不断增加，在越来越多的领域和产品中， 特别是生产批量小，转型更新更快的数字化传统产品中，直接采用f p g a 、 c p u i 为代表的现场可编程i c 来实现硬件单片集成已成为时尚。 现代集成电路设计与实现主要可分为工艺集成技术和现场集成技术。 21 1 工艺集成技术 数字系统的工艺集成技术就是指采用半导体掩膜工艺的方法来实现数字 系统的单片物理结构”。其中，主要的加工工艺技术为c m o s ( 互补金属氧 化物硅1 工艺。而主要电路的设计方式，可以分为门阵列设计、标准单元设计 和全定制电路设计等。不同的设计方式和不同的加工工艺流程互为规范和制 约。为了实现不同的电路性能成本指标，需要不同的电路设计规范和工艺设 计规范，并要制定合理的加工工艺流程。 对于占i 电路，电路的最终行为特征只有在它的几何结构、互连关系 确定之后才能确定。v l s i 设计是行为级、电路级和几何级反复迭代的设计过 程。因此，作为数字系统的设计者，有必要了解芯片设计中的工艺基础知识， 才能根据工艺技术的特点优化电路设计方案。对于电路和系统设计者来说， 设计中更多关注的是：工艺的制造能力而不是工艺的具体实施过程。 下面将简单介绍c m o s 工艺。 所谓c m 0 s 电路，由于其具有静态功耗低、工艺较简单、易于高度集成 等优点，在当今乃至未来v l s i 硅电路系统中，占据着主要地位。c m o s 工 等优点，在当今乃至未来v l s i 硅电路系统中，占据着主要地位。c m o s 工 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 艺则是指c m o s 电路的加工工艺。c m o s 工艺基础是常规的半导体平面工艺， 由氧化工艺，扩散工艺( 热扩散和离子注入) ，光刻工艺，金属化工艺等构成。 c m o s 工艺有多种形式，它们是p 阱工艺、n 阱工艺、双阱工艺和绝缘村底 上的硅( s 0 d 工艺。 2 1 2 现场集成技术 所谓现场集成技术，是指一个数字系统的单片化设计和实现可以在实验 室现场进行，是指采用f p g a 、c p l d 为代表的可编程逻辑器件作为数字系统 实现的目标载体来进行的数字系统单片的现场设计、现场仿真、现场实现的 技术， 对于利用现场集成技术来实现数字系统的单片化，其基本要素是： ( 1 ) 现场集成的目标载体觋场可编程器件： ( 2 ) 现场集成的设计工具及口库资源； ( 3 ) 针对具体目标器件的不同编程方式。 2 1 2 1 现场集成的目标载体现场可编程逻辑器件 本研究课题所采用的现场可编程逻辑器件是a l t e r a 公司的即g a ，所以 现场可编程逻辑器件以舢t e r a 公司的器件为代表重点论述。 在现场可编程逻辑器件领域，目前主要的产品分为3 大类。 ( 1 ) 基于s r a m 编程的f p g a 所谓s 黜m 即g a ，从结构上而言，主要由3 个部分组成：可编程逻辑 块( c l b ) 、可编程输入输出模块i o b 和可编程内部连线p l 。 舢t e r a 的s r 触幔f p g a 结构主要有两个方面的创新概念。其一是所谓的 逻辑单元阵列( h 1 a ) 结构。正是由于这个u 、a 分布结构，使之具有门阵列 和可编程逻辑器件的双重特性。m 象一个门阵列，通过内部的可编程布线 通道的内部布线网络，把逻辑晶体管( 这里称可编程逻辑块c l b ) 按设计要 求连接在一起以综合阵列中的逻辑功能。 图2 1 所示舢t e mf p g a 中s r a m 的基本单元结构，它是由两个 c m 0 s 反相器和一个用来控制读写的m 0 s 传输开关构成的。f p g a 中点阵 排布的这些单元，在配置时写入，而在回读( r e a db a c k 是一种验证配置是 否正确的操作) 时读出。在一般情况下，m o s 传输开关处于断开状态，它 西南交通大学硕士研究生学位论文 第16 页 并不影响单元的稳定性，且能耗极低。由于s r a m 的结构原理上的特点，一_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ - _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ - - _ _ - _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ - _ _ - ，一 使之可以不受电源剧烈变化或a 粒子辐射的影响。在可靠性实验中，即使存 在很高剂量的a 辐射也不会产生软错误。 读写 数据 卜。k 卜t ，l l j 图2 1s r a m 基本单元结构 配置控制 ( 2 ) 基于p r o m 或e 2p r o m 编程的c p l d 基于e p r o m 或e 2 p r o m 编程的c p l d ，主要由可编程i ，0 模块、 可编程逻辑单元模块( l b ) 、可编程布线池( p 璩) 组成。其特点在于：芯片 功能的定义由阵列分布e p r o m 或e 2 p r o m 型的下拉m o s 开关来控制； 其l b 的逻辑资源要比s r m 江1 1 p g a 的c l b 大得多，也就是说，单个 c l b 能够实现更为复杂的逻辑功能。 ( 3 ) 基于一次性编程的反熔丝职g a 反熔丝1 1 p g a 的主要特点是功耗低，布线通路丰富，逻辑元胞粒度小。 另一方面，众所周知，采用反熔丝技术的f p g a 尽管具有许多优点，但是却 有一个致命的弱点，即只能进行一次性编程，这就为大规模f p g a 产品的开 发带来了许多不便。为了弥补这一不足，近年来，一种新型的集高密度、低 功耗、非易失性和可重新编程于一身的非易失性、可重新编程的门阵列已经 推向市场。 ( 4 ) n 崛a 未来发展方向 以f p g a 、c p l d 为代表的现场可编程逻辑电路的主要发展方向为【”】： 为了迎接系统级芯片时代，向密度更高、速度更快、频带更宽的数百 万门超大规模的方向发展。 为了方便用户设计和特殊功能应用，向嵌入通用或标准功能模块方向 发展。 为了适应全球环保潮流，向低压、低功耗的绿色元件方向发展。 同时，模拟可编程阵列、数模混合可编程阵列，动态可重构阵列器件等 _ 亘童奎堕查兰堕主堡窒竺兰堡垒奎篁! ! 夏 新概念也正在涌现。归纳起来有以下几点： 深亚微米技术的发展正在推动片上系统( s o p c ) 的发展。越来越多的 复杂i c 需要s 0 p c 技术来制造。而s o p c 要利用深亚微米技术才能实现。 随着深亚微米技术的发展，使s o p c 的实现成为可能。与以往的芯片设计不 同，s o p c 需要对i c 和产品中实现的方法进行根本的重新评估。新的s 0 p c 实现要求一种着重于快速投放市场的、具有可重构性、高效自动化的设计方 法。 。芯片朝着高密度、低压、低功耗的方向挺进。采用深亚微米技术的半 导体工艺后，器件在性能提高的同时，价格也在逐步降低。由于便携式应用 产品的发展，对现场可编程器件的低压、低功耗的要求日益迫切。因此，无 论哪个厂家、哪种类型的产品，都在瞄准这个方向而努力。低压、低功耗芯 片的推陈出新，使得器件的静态功耗大大降低。 + i i l 库的发展及应用。为了更好地满足设计人员的需求，扩大市场， 各大现场可编程逻辑器件厂商都在不断地扩充其知识产权( 口) 库内核。这 些内核库都有预先定义的、经过测试和验证的、优化的和可保证正确的功能。 设计人员可以利用这些现成的口库资源，高效率准确地完成复杂的片上系 统的设计。典型的口内核库有m t e r a 公司提供的i j 0 西cc o r e 和铷l i a n c e c o r e 。 2 1 2 2 现场集成的设计工具及l p 库资源 用于数字系统现场集成的) a 工具，主要包括设计输入( d e s i 酗e n t r y ) ， 设计实现( d e s i 留h p l e m e n t a t i o n ) ，设计仿真工具( d e s i 盟s i i n u l a l i o n ) 。在 设计过程中，根据设计的需要，基于可用的元件库和口库资源，设计者可 反复调用工具，交错进行电路的设计、实现和仿真。舢t e r a 目前主要推荐的 应用设计工具是f 0 u n d a t i o n 开发系统，a il i a n c e 开发系统，f 0 u n d a t i o n i s e 开发系统，这些开发工具的特征如表2 1 所示。 堕里奎塑奎堂堕主堕窒生堂堡垒窒篁! ! 耍 表2 - 1 开发工具的特征 产晶支持 舡j j c e 转停 f o 瓣d 毒t i o 矗j 辨】s e 软件 x c 9 5 0 0 系列c p l d x c 3 0 0 0 系列f p g af o u n d a l i o nb a s oi s b a s e x c 4 0 0 0 系歹0 f p g a 儿i a n c e 标 最大为x c 4 0 2 5 型号 准 f o u n d a t i o nb a s oe x d r e s s 【 e x p r e s si j s p a 儿a n 系列f p g 上述器件加上： i s e 一一全部x c 4 0 0 0 系列f p g l l i a n c e 标f o u n d a ti o n e x 口r e s s 一v j “e x 系列f p g 最大准e d r e s s 包括1 白- 万门级器件 1 j 上述器件加上： v i 儿e x 系列f p g 最大包 a l l i n n c of o u f i d a l i o n i s e 精华 括i 千万门级器件 精华版耥华版版 l 毡路嘲编辑器 丸有有 i j 级仿真器 尤有有 f d l 编辑设训工具允有有 l l s t a r 产品光戈有 f ae x p r e 5 s尤有 有 x i l i m 综台技术丸 屯有 e d a 儿j a n c e 流程 有丸丸 同时，a 1 主e 仇的设计实现工具可提供和大多数第三方设计输入工具、综 合工具和仿真工具兼容的接口，对于a i u a n c e 开发系统，可支持来自第 三方工具的设计输入文件和支持用第三方工具进行系统的功能和时延仿真， 该系统具有p c 和工作站两个版本，可用于所有的f p g a 和c p l d 的布局 布线，并能提供芯片静态时延和资源使用报告。u n d a c i o ni s e 开发系统， 支持d l ，v c r i l o g ，a b e l 和逻辑图设计输入，并提供综合，语言编辑等 功能。 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 图玉2 f p g a 设计流程 舢t c f a 数字系统现场集成的设计流程，主要为如下几个部分。 ( 1 ) 设计的输入过程 最新的蹦t e i af p g a 开发系统提供的一个电路逻辑图，v e r i l o g 行为描 述等兼容的输入环境和可配置接口，既可以采用电路逻辑，也可以采用 v e r i l o g 源码程序作为逻辑设计的手段。无论电路逻辑图输入，还是v c r i l o g 描 述，都要用a h e r a 提供的元件库。对于设计输入，设计工程师除了要熟悉工 具的使用外，重要的在于必须熟悉a 1 t c r a 元件库的口库资源库，以求借助 于元件库的元件或口资源，来优化设计或提高设计的效率。 ( 2 ) 设计的实现过程 设计实现过程主要分为输入文件的编译 逻辑单元的分解规划 目标芯 片中的布局布线 时延分析 配置文件的建立。在整个过程中，要运行一系 列方式去进行处理和转换，完成逻辑图 网表文件 b i i 文件的转换，从而在 实现逻辑分区规划的基础上，进一步完成优化的布局和布线。实现 f p g a _ l ( a 的设计后，再经过适当的程序处理，转化为可配置芯片的二进制 格式或p r o m 编程格式，从而既可实现在线直接配置f p g a 芯片的系统逻 辑功能，又可通过p r o m 编程器去写a j t e r a 的串行p r o m ，或通过 e p r o m 编程器去写e p r o m ；由已写入系统逻辑数据的p r o m 或 e p r o m ，在系统加电时自动配置f p g a ，从而实现f p g a 应用系统设计的 用户现场编程。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 ( 3 ) 设计的仿真过程 要成功地进行f p g a 应用系统的设计，至少需要两次仿真。一是逻辑功 能仿真，即对经过合并处理的网表文件进行逻辑功能的验证，这时不考虑布 线及不同分区规划而产生的时延对系统功能的影响，仅仅为了验证系统设计 的功能；二是布局、布线后的l c a 系统仿真，此时要考虑不同的布线，分 区规划产生的各种时延对系统功能的影响，雨旦往往是考虑最坏的情况，即 恶劣的温度环境、电源供电等情况。通常经过系统时延仿真并获得通过的布 局布线后设计配置文件用来配置f p g a 芯片时，芯片的功能基本正确且成 功。 设计的仿真，对于任何现代数字系统设计而言，均是不可或缺的重要过 程，通过仿真的结果，对于设计是否符合时延要求，做一个及时了解和修正。 f p g a m 设计同样如此，a l t e r a 设计实现系统支持多种仿真软件工具包， 可以成功地实现卯g a 应用设计的逻辑功能仿真和通过开g a k 、a 设计 在布局布线处理后的系统时延仿真。 2 1 2 3 现场集成的编程方式【” 在现场可编程集成电路的应用设计中，针对具体目标器件，需要不同的 编程方式来实现目标数字系统的下载。根据不同的器件结构，目前常用的下 载可分为如下3 种： ( 1 ) 在线系统可编程技术i s p ( h 1 s y s t e p r o g r a i i 姗a b m t y ) 。具有i s p 功能的器件在下载时无需专门的编程器，可直接在已制成的系统( 称为目标 系统) 中或印制板上对芯片进行编程数据下载。i s p 技术为系统设计和制造 带来了很大的灵活性。目前大多数c p i d 新芯片均采用i s p 编程技术。 ( 2 ) 在线系统可重配置技术i s r ( h l s y s t e mr e c o n 丘g u t a t i o ) 。具各i s r 功能的器件也可直接在目标系统中或印制电路板上通过数据下载电缆配置和 重新配置，无需专门的编程器。因为i s r 器件是基于s m 蜥编程技术，故 系统掉电后，芯片的编程信息会丢失。 ( 3 ) 。一次性编程技术。具备这种编程技术的f p g a 采用反烙丝制造 工艺，一旦编程就不可改变，适用于高可靠性低功耗的使用场合。 下面，简单讨论以上所述的3 种技术。 i s p 编程技术 传统的p l d 芯片需用专门的编程器来实现器件的功能定义。i s p 技术 西南交通大学硕士研究生学位论丈第2 1 页 则不用专门编程器，直接在用户的目标系统或印制板上对p l d 芯片进行数 据下载，故称为在系统可编程。具有i s p 性能的c p l d 器件上基于 e 2 c m o s 工艺制造。其编程信息存储于e 2 p r o m 内，可以随时进行电编 程和电擦除，且掉电时其编程信息不会丢失。但由于器件已经安装在目标系 统或印制电路板上，它的各个引脚与外部电路相连，因此在编程时最关键的 问题就是如何使芯片与外部逻辑相脱离。对此，具备i s p 的c p u ) 芯片在 设计时，已采取了专门措施，使之编程时，器件的引脚处于高阻状态。 t m s 卫暖 t d 0 图2 - 3 单端系列边界扫描链 a h c r ac p l d 支持i s p 技术；例如：对于一个或更多个系列器件可以被 连接在一起，利用一个标准的4 引脚来实现j 1 a g 协议系统内编程( 如图 2 - 3 所示) 。j 1 a g ( 即e e 边界扫描标准1 1 4 9 1 ) 是一种利用软件的测试 标准。利用该标准进行在线编程，可以有效地降低成本。该标准的主要优点 在于：它能利用软件的方法有效解决复杂印刷电路板的测试闳题。该标准定 义了一种硬件结构以及使用它的机理。链上的所有器件共享t c k 和1 m s 信号。系统t d i 信号与边界扫描链的第一个器件的t d i 输入相连。来自