（电路与系统专业论文）超声热量测量asic的芯片级验证.pdf

原创性声明 i i i ii i ii i ii ii iii i iiu l y 17 9 2 8 4 9 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 绛煺 日期： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：盗闺 导师签名： 日期捌j | 7 气、 山东大学硕士学位论文 目录 摘要兽1 a b s t r a c t 2 第一章绪论4 1 1 课题背景4 1 2 超声热测量芯片的现状5 1 3t d c 技术简介5 1 4 论文结构7 第二章基于t d c 的a s i c 流程简介8 2 1 半导体技术的发展8 2 2e d a 技术概述1 0 2 3 超声热量测量芯片的s o c 框图1 2 2 4 硬件描述语言。1 4 2 4 1v h d l 1 4 2 4 2v e r i l o g h d l 15 2 5a s i c 设计流程以及常用工具1 7 第三章验证理论2 0 3 1 验证理论。2 0 3 2 验证分类2 2 3 2 1 仿真技术2 2 3 2 2 静态分析2 4 3 2 3 形式验证2 5 第四章t d c 芯片模块划分2 7 4 1 测量控制电路模块2 8 4 2 校准单元模块。2 9 4 3 精细计数接口模块3 0 4 4 精细计数单元模块。3l 4 5 粗计数器3 2 4 6 内部寄存器3 3 4 7a l u 部分：3 4 第五章超声热测量t d c 的芯片级验证3 8 5 1 超声热测量t d c 的功能验证。3 8 山东大学硕士学位论文 5 1 1f p g a 概述。3 8 5 1 2f p g a 与a s i c 设计的区别4 0 5 1 3b a s y s 开发板4 l 5 1 4 重要模块的波形图4 3 5 2 超声热测量t d c 的静态时序分析4 4 5 2 1 什么是静态时序分析4 5 5 2 2 静态时序分析的流程4 7 5 2 3p t 介绍4 9 5 3 超声热测量t d c 的等价性验证5 4 5 3 1 等价性验证的特点5 4 5 3 2 等价性验证解决方案的选择5 6 5 3 3 等价性验证的局限性5 6 5 3 4 等价性验证的流程5 7 5 3 5r t l 级对门级网表的验证5 8 结束语6 1 参考文献6 2 致谢6 6 攻读学位期间发表的学术论文6 7 山东大学硕士学位论文 c o n t e n t s c h i n e s ea b s t r a c t 1 e n g l i s ha b s t r a c t 2 c h a p t e r li n t r o d u c t i o n 4 1 1b a c k g r o u n do ft h es u b j e c t 4 1 2d e v e l o p m e n to fu l t r a s o n i ch e a t m e t e r 5 1 3i n t r o d u c t i o no f t d c 5 1 4a r r a n g e m e n to ft h ep a p e r s 7 c h a p t e r 2d e s i g nf l o wf o ra s i cb a s e do nt d c 8 2 1d e v e l o p m e n to fs e m i c o n d u c t o r 8 2 2i n t r o d u c t i o no fe d a 10 2 3s o co fu l t r a s o n i ch e a t m e t e r 12 2 4h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e 1 4 2 4 1v h d l 14 2 4 2v e r i l o g h d l 15 2 5d e s i g nf l o wa n dt i o o lf o ra s i c 17 c h a p t e r 3v e r i f i c a t i o nm e t h o d o l o g y 2 0 3 1v e r i f i c a t i o nm e t h o d o l o g y 2 0 ：；2f o r mo f v e r i f i c a t i o n 2 2 3 2 1s i m u l a t i o nt e c h n o l o g i e s 2 2 ：；2 2s t a t i ct e c h n o l o g i e s 2 4 ：；2 3f o r m a lt e c h n o l o g i e s 2 5 c h a p t e r 4g e n e r a ld e s i g no fc h i pf o rt d c 2 7 4 1c o n t r o l l e r 2 8 4 2c a l i b r a t i o n 2 9 4 3p o r t sf o rf i n et i m e r 3 0 4 4f i n et i m e r 3l 4 5c o a r s et i m e r 3 2 4 6r e g i s t e r 3 3 4 7 d i l 】：，u 3 4 i i ! 山东大学硕士学位论文 c h a p t e r 5v e r i f yo nc h i pf o ru l t r a s o n i ch e a t m e t e r 3 8 1 ；1f t m c t i o n a lv e r i f i c a t i o nf o rt d c 3 8 5 1 1f p g a 3 8 5 1 2f p g a & a s i c 4 0 5 1 3b a s y s 4 1 5 1 4t i m i n gs i m u l a t i o n 4 3 5 2s t a t i ct i m i n g a n a l y s i sf o rt d c 4 4 5 2 1s t a t i ct i m i n ga n a l y s i s 4 5 5 2 2d e s i g nf l o wf o rs t a t i ct i m i n ga n a l y s i s 4 7 5 2 3p r i m e t i m e 4 9 1 ；3f o r m a lv e r i f i c a t i o nf o rt d c 5 4 5 3 1t h ec o n c e p t i o no f f o r m a lv e r i f i c a t i o n 。5 4 5 ：；2c h o s ef o rf o r m a lv e r i f i c a t i o n 5 6 5 3 3c o n f i n ef o rf o r m a lv e r i f i c a t i o n 5 6 5 3 41 1 1 ef l o wo ff o r m a lv e r i f i c a t i o n 5 7 5 ：；5f o r m a lv e r i f i c a t i o nf o rt d c 5 8 c o n c l u s i o n s 6 1 r e f e r e n c e s 6 2 a c k n o w l e d g e m e n t s 6 6 p u b l i c a t i o n s 6 7 i v 山东大学硕士学位论文 摘要 为适应可持续发展的需要，节能问题日益成为科学研究的热门课题。热量计 量装置被越来越广泛地应用于供热系统，该装置可以较准确的测量系统中的热量 消耗。我国传统的热量计量表多属于机械式热量表，自身存在较多问题。为克服 机械热量表的种种缺陷，基于超声波技术的热量测量仪应运而生。 超声热量测量仪的计量精度高、使用方便、易于数字化管理。近年来，随着 电子技术的发展，电子元器件的成本大幅度下降，使得超声波流量仪表的制造成 本大大降低为了研发具有自主知识产权的国产超声波热量测量仪，本论文对该仪 器的核心部分时间数字转换( t d c ) 模块进行了系统研究。 首先，本文介绍了专用集成电路的设计方法及步骤，系统的讲述了t d c 的设 计理论基础，并在此基础上提出了双计量模式的t d ci p 核架构。其次，对提出的 t d c 模块进行了子模块划分，将其分为：高速单元、控制器、时钟单元及后处理 单元等。最后，针对i c 设计流片成功率低的特点，本文重点讨论了验证的必要性， 并对验证的方法学进行了系统研究，对该设计进行了全面的验证，方法包括：基 于f p g a 的功能验证，基于p t 的时序验证以及基于f o r m a l i t y 的形式验证。 本设计基于自顶向下( t o p d o w n ) 的设计方法，通过r t l 级v e r i l o gh d l 完 成了各个模块的硬件描述。在x i l i n x i s e 集成开发环境中完成了设计的输入以及功 能仿真，采用m e n t o rg r a p h i c si n c 的m o d e l s i m 进行了仿真验证，并选用d i g i l e n t 的b a s y s 电路板完成了该系统的f p g a 功能验证。之后针对综合后的门级网表进 行了静态时序分析，以期发现综合后的门级网表中是否存在时序不满足的情况。 最后，针对r t l 级代码以及门级网表进行了等价性验证，验证其r t l 级代码与综 合后的门级网表是否逻辑等价。 本文的主要贡献为：给出了该模块完整的设计方案，完成了a s i c 从r t l 到 综合后门级网表的验证，针对所出现的逻辑以及时序问题进行反馈，较好的解决 了布局布线之前功能及时序中的问题。 关键词：专用集成电路设计；超声波热测量；时间数字转换；功能验证；时序验 证；等价性验证 山东大学硕士学位论文 t h em a i nm e r i t so ft h ep a p e ra r ea sf o l l o w ：ac o m p l e t ed e s i g ns o l u t i o ni sp r o v i d e d a n dt h ev e r i f i c a t i o nf r o mr t lt og a t e l e v e l - n e t l i s ta f t e rs y n t h e s i si sa c h i e v e d a c c o r d i n g t ot h ep r o b l e m si nl o g i ca n dt i m es e q u e n c e ，f e e d b a c ki sa d d e dt ot h em o d e l ，w h i c hc a l l s o l v et h ef u n c t i o n a la n ds e q u e n t i a lp r o b l e m sb e f o r ep l a c e m e n ta n dr o u t i n g k e yw o r d s ：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 ( a s i c ) ；u l t r a s o n i ch e a t m e t e r ； t i m e t o - d i g i t a lc o n v e r t e r ；f u n c t i o n a lv e r i f i c a t i o n ；t i m i n gv e r i f i c a t i o n ；e q u i v a l e n c e v e r i f i c a t i o n 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景 2 l 世纪，节能环保已经成为新一代的话题。供热节能理所当然的出现在热点 话题之中，其中的供热计量更是成为近年来的焦点。热量计量装置在供热系统中 得到初步的应用。但目前我国采用的热量表大多是机械式热量表，存在使用寿命 短、维修困难等问题。由此，超声热量计量仪表的出现恰恰很好的解决了此类问 题。但我国超声波热量表的应用还处于初级阶段，有待进一步研究【1 】。 超声波用于气体和液体的流速测量有许多优点。和传统的机械式流量仪表、 电磁式流量仪表相比，它的计量精度高、对管径的适应性强、非接触流体、使用 方便、易于数字化管理等等。近年来，由于电子技术的发展，电子元器件的成本 大幅度下降，使得超声波流量仪表的制造成本大大降低，超声波流量热量计开始 普及起来。 流量测量广泛应用于供水、电力、化工、石油、冶金、医药、农业等各个领 域，在整个工业应用领域起着重要的作用。超声波流量计是一种采用非接触式测 量方法的流量计2 1 。这是一种没有活动部件，低压降和低能量消耗以及高精度的测 量流量的方法。将温度测量与超声流量测量相结合设计出户用超声式热量表。相 比传统的机械式热表，克服了易损坏，精度低等缺点，因此超声波热量表将是今 后热量表发展的趋势。其测量方法主要分为：时差法【3 1 、多普勒法、相关法和波束 偏移法等。 本设计中主要采用时差法。时差法超声波流量计是利用一对超声波换能器相 向交替( 或同时) 收发超声波，通过观测顺流与逆流的时间差来测量液体流速， 通过流速来测量流量的方法【。 时差测量广泛应用于定位、测频、测时、测距等工程领域，例如：水声定位、 无线传感器网络节点定位、雷达脉冲宽度测量等均对时差测量提出了高精度的要 求。目前，国内外的时差测量方法主要有直接计数法、模拟内插法和数字内插法。 直接计数法虽然电路简单，量程大，但精度低，因此一般不单独采用。模拟内插 4 一 山东大学硕士学位论文 法可以把计数法精度提高到皮秒量级，但由于基于电流的充放电技术，存在着线 性度差、测量时间长、受温度影响较大和电磁辐射大等问题。作为数字内插法的 一种，时间数字转换( t i m ed i g i t a l c o n v e r t e r ，t d c ) 法因其具有测量精度高、速 度快等优点而受到国内外的普遍重视【4 - 6 1 。 目前在市场上有多种型号的测时芯片可供选择，如a c a m 公司的t d c 系列芯 片；a s tc o m t e c 公司的m o d l e p 7 8 8 8 系列；a c q i r i s 公司的d c 2 8 2 等。综合考虑后， 决定选择a c a m 公司芯片作为设计参剖纠。 1 2 超声热测量芯片的现状 在许多工程实际应用中对于速度、距离等的测量往往转化为时间的测量。在 众多的测时芯片中t d c g p 2 是一款性价比极高的产品。它是a c a m 公司通用t d c 系列的新一代产品。在脉冲激光测距中精度可以达l c m 内，功能也比t d c g p l 多， 但价格却低。因此在应用中有无可比拟的优势。t d c g p 2 狈i 距的原理是使用激光 器对被测目标发射一个光脉冲，然后接收目标反射回来的光脉冲，通过用t d c g p 2 测量光脉冲往返所经历的时间t ，就可以算出目标的距离。 t d c g p 2 具有高精度小封装低功耗的特点，尤其适合于低成本的工业应用领 域。t d c g p 2 具有高速脉冲发生器，停止信号使能，温度测量和时钟控制等功能， 这些特殊功能模块使得它尤其适合于超声波流量测量和热量测量方面的应用，极 低的损耗电流保证在这些应用中电池具有较长的有效使用时间。这款芯片利用现 代化的纯数字化c m o s 技术，有两个测量范围，可以将时间间隔的测量量化至l j 6 5 p s 的精度。t d c g p 2 是3 2 脚封装，它的核心电压为1 8 3 6 v ，输入输出电压为1 8 5 5 v 。 通过4 线的s p i 可以和单片机相连，把t d c g p 2 当作单片机的外围设备使用。此外， 它还具有最大lm h z 的连续数据输出率、时钟校准单元、精确停止脉冲使能窗口、 上升沿下降沿单独触发或者上升沿和下降沿同时触发等。给超声波流量计的时 差测量提供了完美的解决方案【i o j 。 t d c g p 2 可自动完成测量，微处理器只需发送一个开始命令，t d c g p 2 就会 自动触发传感器并测量时间，计算出结果传送给微处理器。 1 3t d c 技术简介 山东大学硕士学位论文 值1 1 2 1 。 1 4 论文结构 第一部分为绪论，主要介绍该课题产生的背景、应用、发展等相应的知识。 第二部分着重介绍 a s i c 流程与e d a 技术，通过e d a 的基础知识，半导体工 艺发展的背景，以及a s i c 设计的基础知识的引出，引入该设计的具体方案。 第三部分讲述了验证的理论知识，并针对a s i c 设计，引入相应阶段的验证。 第四部分概括了超声热测量芯片的系统级设计，自顶向下的模块划分以及设 计规划，各个模块的具体要求。 第五部分针对a s i c 设计，根据芯片级设计。借用e d a 设计工具进行的一些必 要验证。 7 山东大学硕士学位论文 第二章基于t d c 的a s i c 流程简介 2 l 世纪，信息社会的高速发展，离不开电子产品的高速更新。电子产品的高 速更新则主要依赖于半导体工艺技术的发展与e d a 技术的应用。 2 1 半导体技术的发展 自2 0 世纪4 0 年代中期，科学家们就对半导体材料发生了浓厚的兴趣。第一支 “晶体管”的发明就预示着晶体管在不久的将来会取代当时还处于鼎盛时期的电子 管真空电子管。相当一段时间内，真空电子管一直占据着主导地位，但由于 其自身的限制，使得电子管产品仅美国军方和少数大型公司才有实力具有“电子管 数字化计算机”。他们专门为其建造大型机房，配置极为复杂的工作条件，以便维 护其正常运行。晶体管，特别是能够包容数百万只晶体管的集成电路芯片的问世， 使计算器在奇迹般“瘦身”的同时，功能与性能更让世人惊奇。 当代的微电子产业，由半导体工业过渡而来。集成电路正在追求高集成度、 高速度、短的开发周期和低成本、低功耗，力求更好的解决在适应电子设备的小 型化要求与不断增加的功耗和布线延迟之间的复杂矛盾。 随着科学技术的不断发展，对电子装置小型化、轻量化有了进一步的要求。 将分立器件“集成”化问题又摆在科学家们面前，随着半导体制造工艺的不断成熟， 第一块集成电路很快问世，带来了一场震撼世界的技术革命。 半导体、微电子技术的发展已经历了半个多世纪。这期间，主要的技术驱动 因素是计算机发展的技术需求。微电子产业伴随着计算机产业的成长而成长。近 年来，半导体产业的技术牵引因素正从p c 变为数字化信息家电，半导体产业所更 为关注的器件也从计算机专用电路转向信息家电所需要的系统芯片。 2 1 世纪是信息时代，是新材料和先进技术迅速发展和广泛应用的年代。我国 信息产业在生产和科学研究方面都大大加快了发展速度，并己成为国民经济发展 的支柱产业之一。 电子技术的发展是因电子器件的发展而发展起来的。具体经历了四个发展阶 段： 8 一 山东大学硕士学位论文 日目訇 图2 1 电子器件的发展 表2 1 集成电路产业发展的主要里程碑 时间主要里程碑 1 9 4 7发明晶体管 1 9 5 8发明集成电路 1 9 6 5m o o r e 定律 1 9 7 1i n t e l4 0 0 44 位微处理器 1 9 9 la r mr i s ci p 内核( 无芯片设计) 1 9 9 6虚拟插座接口联盟v s i a 成立 集成电路发展如此迅速，是否有规律可循呢? 早在1 9 6 5 年，i n t e l 公司的创始人 之- - g o r d e ne m o o r e 根据经验观察，提出了著名的m o o r e 定律，指出半导体芯片的 元件数大致每1 2 个月会翻一番。至1 j 1 9 7 5 年，他将这一定律进行了进一步修正，预 言元件数翻番的时间大约为两年。后来实践证明，大致每1 8 个月芯片的元件数会 翻一番。m o o r e 定律所讲的翻一番，除了指芯片功能( 存储器位数、晶体管数) 外， 也适用于芯片的性能( 如每秒百万指令执行速度，m i p s ) 。 按照m o o r e 定律，每个芯片的晶体管数愈来愈多，很自然会想到，不只是追求 单个微处理机功能的提高，而是可以把整个系统集成到一个芯片上。也就是将系 统电路板上的多个芯片集成到一个芯片上而取代原来的电路板，这就是片上系统 ( s y s t e mo n ac h i p ，s o c ) 。1 9 9 1 年a r m 公司提出r i s ci p 内核，这是一种无芯片的 设计，可供s o c 设计使用的知识产权内核( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t yc o r e ) 。这样，到2 0 世纪9 0 年代中期出现了s o c 概念。1 9 9 6 年由多家公司联合成立了虚拟插座接口联 盟( v s i a ) ，为解决如何将多个l p 内核集成为一个s o c 芯片的问题，制定了各种相 关工业标准【1 3 , 1 4 】。 9 山东大学硕士学位论文 随着半导体工艺技术的发展，器件的几何尺寸越来越小，芯片规模越来越大， i c 设计者能够将越来越复杂的功能集成到单硅片上，数百万门甚至上千万门都可 以集成在一个芯片上。 系统级芯片是在单片上实现全电子系统的集成，具有以下特点： 一、规模大，结构复杂 设计规模高达数百万门乃至上千万门，而且电路结构还包括m p u 、s r a m 、 d r a m 等。为了缩短投放市场时间，要求设计起点比普通的a s i c 高，不能紧紧依 靠逻辑综合的方法。设计中应采用i p 核等更大的部件或模块，把综合技术和i p 核结 合在一起，实现s o c 的设计。在验证方法上要采用数字和模拟电路一起的混合信 号验证方法。 二、超深亚微米工艺效应 系统级芯片大多采用超深亚微米工艺加工技术，在u d s m 时连线延迟已经大于 等于门延迟，成为路径延迟的主要因素。高达数百兆的系统时钟频率以及各模块 内和模块间错综复杂的时序关系，增加了电路中时序的匹配。u d s m 工艺中非常小 的线间距离和层间距离，线间和层间的信号耦合作用增强，再加上很高的系统工 作频率，电磁干扰、信号串扰现象加剧，给设计和验证带来困难。 如何进行时序收敛设计和验证，如何进行低功耗设计以及信号完整性设计与 分析，如何避免电磁干扰和信号串扰等高频效应引起的设计时序和质量问题，是i c 工程师与e d a 厂商面临的一个巨大的挑战【1 5 】。 2 2e d a 技术概述 当今的集成电路极其复杂，经常带有数百万器件。在设计流程的每一个阶段， 如果没有软件，仅仅靠手工是不可能设计出这些i c 的。用于实现这一目的的工具 统称为电子设计自动化16 1 。 回顾e d a 技术的发展，我们不难看出主要经历以下阶段 第一阶段：e c a d ( c o m p u t e r a i dd e s i g n ) 阶段。该阶段始于7 0 年代，e d a 开发 人员着重于研究e d a 软件的算法，开发了逻辑图输入、电路模拟、逻辑模拟、布 局布线等软件，初步实现了电子系统的c a d 设计。此时的e c a d 属于电子设计自动 化的初级阶段，其主要特征是采用计算机的图形编辑功能。除了利用某些通用图 1 0 山东大学硕士学位论文 形软件工具之外，还采用一些专用的c a d 软件，主要应用于中小规模的电路设计。 第二阶段：初级e d a 。8 0 年代前期，d a i s y 公司推出了一个通过绘制逻辑电路 图，并进行自动布局布线完成电子产品设计的软件包，使e d a 软件开始具有设计 自动化的初步功能。其主要特征是自动布局布线和电路的计算机仿真分析。 第三阶段：高级e d a 。9 0 年代以来，对电子产品的设计有很多新的要求。促 使e d a 技术开始向着全面设计自动化的方向发展。其主要特征是以高级语言对系 统进行描述，并在高性能计算机平台上实现系统级仿真和逻辑综合。使得工程师 能从大量的设计细节中解放出来，将精力集中于提高电子产品的性能，并可大大 缩短设计周期，减少人为错误的可能性，提高设计效率，降低新产品的开发成本【1 7 】。 伴随着e d a 技术的出现，将电路设计细化为以下层次：系统级、寄存器级、 门级、电路级和版图级。 v l s i 的设计可以采用自顶向下设计和自底向上设计的方法进行，在不同的阶 段选择相应的设计层级进行描述和设计。 e d a 设计中常用自顶向下的设计方式。 所谓自上到下的设计方法，就是从系统总体要求出发，自上到下逐步将设计 内容细化，最后完成系统硬件的整体设计。在利用硬件描述语言的硬件设计方法 中，设计者将自上到下分为3 个层次对系统硬件进行设计。 第一层是行为描述。所谓行为描述，实际上就是对整个系统的数学模型的描 述。一般来说，对系统进行行为描述的目的是试图在系统设计的初始阶段，通过 对系统行为描述的仿真来发现设计中存在的问题。在行为描述阶段，并不真正考 虑其实际的操作和算法用什么方法来实现。考虑更多的是系统的结构以及工作过 程是否能达到系统设计规格书的要求。 第二层是r t l 方式描述。这一层次称为寄存器传输描述( 又称数据流描述) 。 如前所述，用行为方式描述的系统结构的程序，其抽象程度高，是很难直接映射 到具体的逻辑元件结构的硬件实现的。要想得到硬件的具体实现，必须将行为方 式描述的语言改为r t l 描述的语言。 第三层是逻辑综合。逻辑综合这一阶段是利用逻辑综合工具，将r t l 方式描述 的程序进行转换，称为用基本逻辑元件表示的文件。 e d a 技术的最新发展： 山东大学硕士学位论文 一从设计工具的改进方面加以考虑 l 、整体布局规划技术( f l o o r p l a n ) 2 、低功耗设计技术与专用的时钟布图工具 3 、c y c l e b a s e d 驱动仿真技术 二从设计方法学的改进方面加以考虑 由于微电子技术的高速发展，以后将会进一步发展到纳米技术，设计规模会 变得越来越大，如果单纯从设计工具的改进上加以考虑，会增加越来越多的单点 工具以解决特定的设计技术问题。由于需要考虑的因素越来越多，相应的设计工 具会变得越来越复杂，软件配置费用问题也会变得越来越高昂。除了像英特尔那 样的大公司具备这样的实力之外，一些小公司能否持续下去很让人怀疑。由此新 的设计方法学急待出现【1 8 】。 2 3 超声热量测量芯片的s o c 框图 在本设计中，根据客户的要求，可以得出该热量测量仪表的具体结构如下： 一 匹二一一j 冷 水 图2 2 超声热量测量仪整体设计划分 由图看见，模块内包括t d c 计量模块，m c u 微处理器模块，主要对总的芯片进 行控制。l c d 显示模块，主要用来显示一些信息，例如热量、回水温度、供水温度 等。感应模块：即温度传感器，主要采用p t l 0 0 0 铂电阻。以及电源模块等。 流速测量原理如下图所示： 1 2 山东大学硕士学位论文 逆流换能器 顺流换能器 图2 3 流速测量模型 数学推导得出，流量测量公式为： q = 等少协 v 为流体介质的流动速度，由公式矿= ! 三2 x 笪可得出 由此我们可以看出，流量的计算与时间的测量密不可分。 传统的时间数字转换模块如图所示： 开始 停止 图2 - 4 传统的t d c 技术图示 由上图可知，该t d c 模块由以下部分组成：延时锁相环、粗计数器、锁存器 组成。当接受到开始信号时，延时锁相环中的非门接收到触发信号后开始依次翻 转，相应的锁存器信号反转，当接受到停止信号时，锁存器信号锁存。并输出到 数据后处理模块中。根据输出的信号，可判断出停止信号到来之时，锁存器锁存 信号的位置，进而计算信号通过的非门个数。由于非门采用定制设计，信号通过 门延时的时间确定且相等，另加上粗计数器内的时间可以算出开始信号与停止信 号之间的具体时间。 由温度测量可以测出温度变化，根据流量测量模块所得数据可得出特定体积 的水释放的热量。本文主要集中在t d c 模块的设计划分中。 山东大学硕士学位论文 在r t l 级上应用硬件描述语言进行代码编写。现在较常用的硬件描述语言有 v h d l 与v e r i l o g h d l 。 2 4 硬件描述语言 硬件描述语言( h a r dw a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e h d l ) 是一种用形式化方法 来描述数字电路和设计数字逻辑系统的语言。它可以使数字逻辑电路设计者利用 这种语言来描述自己的设计思想，然后利用e d a 工具进行仿真，再自动综合至u f - 级电路，再用f p g a c p l d 或a s i c 实现其功能【引。 硬件描述语言的发展至今已有2 0 多年的历史，并成功地应用于设计的各个阶 段：仿真、验证、综合等。到2 0 世纪8 0 年代时，已出现了上百种硬件描述语言， 它们对电子设计自动化起到了极大的促进和推动作用。但是这些语言一般面向特 定的设计领域与层次，而且众多的语言使用户无所适从，因此急需一种面向设计 的多领域多层次并得到普遍认同的标准硬件描述语言。进入8 0 年代后期，硬件描 述语言向着标准化的方向发展。最终i e e e 将v h d l 和v e m o g h d l 语言定为标准【9 1 。 2 4 1v h d l v h d l 的英文全名是v e r y - h i g h s p e e di n t e g r a t e dc i r c u i th a r d w a r ed e s c r i p t i o n l a n g u a g e ，诞生于1 9 8 2 年。虽然各a s i c 芯片制造商都相继开发了用于各自目的的 h d l 语言，但大多都未被标准化和通用化。而v h d l 语言是美国国防部开发的，已 经称为i e e es t d1 0 7 6 标准。另外，从近期的h d l 语言发展的动态来看，很多公司 研制的硬件电路设计工具也逐渐向v h d l 靠拢。 与其他硬件描述语言相比，v h d l 具有以下特点： l 、设计技术齐全、方法灵活、支持广泛 v h d l 语言可以支持自上而下和基于库的设计方法，而且还支持同步电路、异 步电路、f p g a 以及其它随机电路的设计。其范围之广是其它h d l 语言所不能比拟 的。 2 、系统硬件描述能力强 v h d l 语言具有多层次描述系统硬件功能的能力，可以从系统的数字模型直到 门级电路。另外，高层次的行为描述可以与低层次的r t l 描述和结构描述混合使用。 3 、v h d l 语言可以与工艺无关编程 1 4 山东大学硕士学位论文 在用v h d l 语言设计系统硬件时，没有嵌入与工艺有关的信息。当然，这样的 信息是可以用v h d l 语言来编写的。与大多数硬件语言不同的是，当门级或门级以 上层次的描述通过仿真检验以后，再用相应的工具将设计映射成不同的工艺。这 样，在工艺更新时候，就无须修改原设计程序，只要改变相应的映射工具就行。 4 、v h d l 语言标准、规范、易于共享和复用 由于v h d l 语言已经作为一种i e e e 的工业标准，这样，设计成果便于复用和 交流，反过来就能更进一步推动v h d l 语言的推广及完善。另外，v h d l 语言的语 法比较严格，其风格类似于a d a 语言，给阅读和使用带来了极大的好处【1 9 】。 2 4 2v e r i l o g h d l v e r i l o g h d l 是另一种标准化的硬件描述语言，是一种以文本形式来描述数字 系统硬件的结构和行为的语言，用它可以表示逻辑电路图、逻辑表达式，还可以 表示数字逻辑系统所完成的逻辑功能。 v e f i l o g h d l i 扫g d a ( g a t e w a yd e s i g na u t o m a t i o n ) 公司的p h i l m o o r b y 在1 9 8 3 年 末首创的，最初只设计了一个仿真与验证工具，之后又陆续开发了相关的故障模 拟与时序分析工具。1 9 8 9 年c a d e n c e 公司收购了g d a 公司，v e r i l o g h d l 随后成为该 公司的硬件描述语言。1 9 9 5 年v e r i l o g h d l 成为i e e e 标准，且p i e e e1 3 6 4 1 9 9 5 in 5 j 。 与其它硬件描述语言相比，v e r i l o g h d l 语言有以下特征： l 、v e r i l o g h d l 是一种通用的硬件描述语言，易学易用。由于它的语法与c 语 言类似，因此对于具有c 语言编程经验的设计者来说，很容易学习和掌握。 2 、v e r i l o g h d l 允许在同一个电路模型内进行不同抽象层次的描述。设计者可 以从开关、f - j 、r t l 或者行为等各个层次对电路模型进行定义。同时，设计者只需 要学习一种语言就能够用它来描述电路的激励，进行层次化设计。 3 、绝大多数流行的综合工具都支持v e r i l o g h d l ，这是v e r i l o g h d l 称为设计者 的首选语言的重要原因之一。 4 、所有的制造商都提供用于v e r i l o g h d l 综合之后的逻辑仿真元件库，因此使 用v e r i l o g h d l 进行设计，可以在更广泛的范围内选择委托制造的厂商。 5 、编程语言接口( p l i ) 是v e r i l o g h d l 最重要的特征之一，它使得设计者可 以通过自己编写c 代码来访i h - j v e d l o g 内部的数据结构。设计者可以使用p l i 按照自 山东大学硕士学位论文 己的需要来配置v e m o g h d l 仿真器2 们。 本设计在前端的代码编写上，应用t v e f i l o g 语言。在此仅列出顶层模块的代 码编写： m o d u l et d c ( s t a r t ，e n _ s t a r t ，s t o p ，e r u t o p ，c o n f i g r e g ，c l k ，r e s e t n ，r e g - s t a t e ，r e g c o a r s e - d ，r e g _ f m e _ d ，r e g j i a o d ) ； i n p u ts t a r t ，e n _ s t a r t ，s t o p ，e n _ s t o p ，e l k ，r e s e t _ n ； i n p u t 【15 ：0 】c o n f i g _ r e g ； o u t p u t 15 ：0 】r e g _ c o a r s e d ，r e g _ f i n e d ，r e g ji a o d ； o u t p u t 7 ：0 】r e g _ s t a t e ； w i r e 【1 4 ：0 】q _ d 正 w i r e 1 5 ：0 】 f i n e _ c o u n t s ，r e g _ 0 ，r e gl ，r e 9 3 ，r e g _ 3 ，r e g _ 4 ，r e g _ 5 ，r