（通信与信息系统专业论文）税控燃油加油机控制器的fpga实现.pdf

山东大学硕士学位论文 中文摘要 自公路法修正案审议通过后，就一直被消费者关注的燃油税方案已经基 本确定。方案实施后将对汽油、柴油同时征税，燃油税将在生产环节征收。燃油 税出台后将实行专用凭证管理，生产、批发企业销售燃油时，将通过防伪税控系 统开具专用凭证，并对零售加油站统一装上税控加油机，按一般纳税人管理。 为了加强加油站的税收管理，堵塞税收漏洞，打击成品油流通领域的违法活 动，维护消费者的合法权益，同时配合国家实施道路和车辆收费改革，做好成品 油市场的清理整顿工作，国家税务总局和国家质量技术监督局决定对全国现有加 油站加油机安装税控装置，并组织生产和使用税控加油机。 税控加油机主要由防爆电机、防爆接线盒、防爆电源盒、叶片泵、油气分离 器、流量计、电磁阀、视油器、油枪、开关、传感器、电脑装置、显示屏、键盘 等组成。加油机电子部分主要由电源模块、税控模块、接线模块、开关、控制模 块( 或称为加油机控制器) 、传感器、显示模块、键盘及显示、实时时钟等组成。 计量微处理器是控制器的核心，监控微处理器是税控模块的核心，其中监控微处 理器由国家统一监管生产。计量微处理器和监控微处理器通过通讯接口协调工作， 控制加油机的正常运行。加油时首先通过键盘输入加油控制数据，计量微处理器 首先将数据送监控微处理器进行显示，然后启动电机，电机驱动油泵加油。流量 计转动，通过传感器，产生计数脉冲信号。监控微处理器检测到测量变换装置正 常工作时，计数脉冲信号分别输入到计量微处理器和监控微处理器，经过整形运 算和定值变换后，有关数据分别存储到计量存储器和税控存储器中，同时显示加 油数据。 因此，本文所开发的税控燃油加油机控制器在完善税控加油机控制器功能的 基础上，用现场可编程逻辑阵列( f p g a ) 芯片实现设计具有完全自主知识产权的 计量微处理器( g v c ) 芯片，实现加油机控制器功能，填补国内空白。在技术方 面，利用f p g a 实现加油机控制器的功能，规格符合国家标准，内置了s y n o p s y s d w 8 0 5 1i p ( 知识产权) 核、s f r 总线模块，i i c 总线模块、外设小系统、看门狗、 时钟复位及电源检测模块等：设计集成度高，降低了系统复杂度，提高了系统的 可靠性、稳定性和安全性，增强了抗干扰能力。采用高分辨率脉冲计数处理，大 山东大学硕士学位论文 大提高了计量的稳定性和准确性。具有通用的接1 ：3 电路，可以支持各系列键盘， 液晶显示等外部设备，适用于不同厂家集成。开发周期短，设计成本低，灵活性 高，扩展能力强，能迅速升级以适应不同厂家的特色需求。 关键词：税控加油机，f p g a ，d w 8 0 5 1 ，计量微处理器，监控微处理器 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t s i n c et h ep a s so fa m e n d a t o r yr o a dl a w , s c h e m eo ff u e lt a x ，w h i c hh a sb e e nl o n g p a i da t t e n t i o nt o ，i sc o n f i r m e do nt h ew h o l e a f t e rt h es c h e m e sc a r r y i n gi n t oe x e c u t i o n , t h eg a s o l i n et a xa n dd i e s e lo i lt a xw i l lb ei m p o s e da tt h es a n l et i m e ，w h i l et h ef u e lt a x w i l lb ei m p o s e dd u r i n gp r o d u c t i o np r o c e s s s p e c i a lw a r r a n tw i l lb em a n a g e d w h e n p r o d u c i n ga n dw h o l e s a l i n gc o r p o r a t i o n sf u e l ，s p e c i a lw a r r a n tw i l lb eg i v e nt h r o u g h a n t i - c o u t e r f e i tr e v e n u ec o n t r o ls y s t e ma n da l lt h er e t a i lf u e ld i s p e n s e r sw i l lb ei n s t a l l e d w i t hu n i f o r mr e v e n u ec o n t r o lf u e ld i s p e n s e r s ，a n dw i l lb em a n a g e da sg e n e r a lt a x p a y e r t h ec o u n t r yd e c i d e dt oi n s t a l lr e v e n u ec o n t r o ld e v i c et oc u r r e n tf u e ld i s p e n s e r sa n d o r g a n i z ef a c t o r i e st op r o d u c ea n du s e i ti no r d e rt os t r e n g t h e nt h er e v e n u em a n a g e m e n t o fg a ss t a t i o na n dt h em o n i t o r i n go ft a xs o u r c e s ，t os t o pt h e t h et a xl e a k ，t os t a n d a r d i z e t h em a n u f a c t u r eo fg a u g ei n s t r u m e n t a t i o n s ，t ob e a tu n l e g a la c t i v i t i e si np r o d u c to i l c i r c u l a t i o n ，a n dt ov i n d i c a t ef o r t h el e g a ln g h t sa n di n t e r e s t so fc o n s u m e r s r e v e n u ec o n t r o ld e v i c ef o rf u e ld i s p e n s e ri sm a i n l ym a d eu po fa n t i - e x p l o s i o n e n g i n e ，a n t i - e x p l o s i o nj u n c t i o nb o x ，a n t i e x p l o s i o np o w e rb o x ，l a m i n ap u m p ，g a sa n d o i ls e g r e g a t o r , f l o w m e t e r , e n g i n e ，o i lv i e w e r , o i lg u n , s w i t c h , s e n s o r , p c ，d i s p l a y , k e y b o a r d ，a n ds oo n e l e c t r o n i cp a r to ft h er e v e n u ec o n t r o l l e df u e ld i s p e n s e ri sm a i n l y m a d eu po fp o w e rm o d u l e ，r e v e n u ec o n t r o lm o d u l e ，j u n c t i o nm o d u l e ，s w i t c h , c o n t r o l m o d u l e ( o rf u e ld i s p e n s e rc o n t r o l l e r ) ，s e n s o r , d i s p l a ym o d u l e ，k e y b o a r da n dl c d ，r e a l t i m ec l o c k ，e t c m e a s u r em p u ( m i c r o p r o c e s s o r ) i st h ec o r eo fc o n t r o ld e v i c e ，a n d r e v e n u em p ui st h ec o r eo fr e v e n u ec o n t r o ld e v i c e ，w h e r et h em o n i t o rm p ui s p r o d u c e db ys u p e r v i s i o no ft h ec o u n t r y m e a s u r em p ua n dr e v e n u em p u a s s o r tw i t h e a c ho t h e rt h r o u g hi n t e r f a c e ，a n db o t ha r ei nc h a r g eo fn o r m a lf u n c t i o no ft h ef u e l d i s p e n s e r w h e ng a s i n gt h eo i l ，g a sc o n t r o ld a t ai sf i r s tk e y e di nt h r o u g hk e y b o a r d ，a n d m e a s u r em p us e n dt h ed a t ai n t or e v e n u em p uf o rd i s p l a y , a n dt h e ns t a r tt h ee n g i n e t h ee n g i n ed r i v e st h ep u m pf o rg a s i n g f l o w m e t e rr u n sa n dp r o d u c e sc o u n t e ri m p u l s e t h r o u g hs e n s o r c o u n t e ri m p u l s ei ss e n ti n t om e a s u r em p ua n dr e v e n u em p u ，s i n c e r e v e n u em p ud e t e c t sm e a s u r ec o n v e r t o ri n v a l i d a t i o n - c h e c k i n gm o d u l ew o r k s a f t e r i i i 山东大学硕士学位论文 p l a s t i co p e r a t i o na n df i x e dv a l u eo p e r a t i o n ，c o n c e r n e dd a t ai sm e m o r i z e di n t om e a s u r e m e m o r i z e ra n dr e v e n u em e m o r i z e r , w h i l eg a sd a t ai ss h o w no nt h ed i s p l a y c o n s e q u e n t l y , o u rp r o j e c tu s e sf p g ac h i p st oa c c o m p l i s hc o n t r o lf u n c t i o nr e l a t e d t of u e l d i s p e n s e r , n a m e dm e a s u r em p u ( g v cc h i p ) ，w h i c h o w i l si n d e p e n d e n t i n t e l l e c t u a lp o p e r t ya n ds u p p l i e sag a pi nt h ec o u n t r y , b a s e do nf u l f i l l i n gt h ef u n c t i o n a l c o n t r o lo fi t i nt e c h n i ca s p e c t ，w eu s ef p g at oi m p l e m e n tf u n c t i o n so fc o n t r o ld e v i c e ， a n ds p e c sa r ef u l f i l l e dw i t hn a t i o n a ls t a n d a r d s i nt h ec h i pt h e r ea r es y n o p s y sd w 8 0 5 1 i pc o r e ，s f rb u sm o d u l e ，i i cb u sm o d u l e , s f rs u b - s y s t e m ，w a t c h d o g , c l o c kr e s e ta n d p o w e rc h e c km o d u l e ，e t c t h ed e s i g ni so fh i g h e ri n t e g r a t i o nl e v e l ，l o w e rc o m p l e x i t y , a n dh i g h e rr e l i a b i l i t y , s t a b i l i t ya n ds e c u r i t y a l s ot h ea n t i - j a m m i n ga b i l i t i ya r ei n c r e s e da l o t ，w h i c hw i l li m p r o v et h es y s t e m se m i w ea d o p ta d v a n c e dp u l s ea n dp h a s ec o u n t i n g m e t h o d ，w h i c hw i l li m p r o v et h es t a b i l i z a t i o na n dv e r a c i t yo fa c c o u n t i n g w ep l a n s g e n e r a li n t e r f a c e ，w h i c hc a ns u p p o r ta l m o s ta l lk i n d so fk e y b o a r d ，l c dd i s p l a ya n d o t h e rp e r i p h e r a le q u i p m e n t s ，w h i c hm a k e st h ew h o l es y s t e mc a nb ee a s i l yi n t e r g r a t e db y d i f f e r e n tm a n u f a c t u r e r s t h ed e s i g na n dr e s e a r c ho fw h o l es y s t e mi so fs h o r tp e r i o d ，l o w c o s t , h i g hf l e x i b i l i t ya n dh i g he x p a n s i b i l i t y , w h i c hc a nb eu p g r a t e dq u i c k l yt os u i t d i f f e r e n tm a n u f a c t u r e r s r e q u e s t s k e yw o r d s ：r e v e n u ec o n t r o lf u e ld i s p e n s e r , f p g a ，d w 8 0 51 ，m e a s u r em p u ， r e v e n u em p u i v 山东大学硕士学位论文 a s i c f p g a p r o m e p r o m p a l g a l c p l d e m i c m o s d s p c p u i p r a m r o m i o f i f 0 v l s i c a d h d l u a r t i 汀l j t a g a l u b i u 符号说明 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 f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y p r o g r a m m a b l er e a d - o n l ym e m o r y e r a s a b l ep r o g r a m m a b l er o m p r o g r a m m a b l el o g i c g e n e t i ca r r a yl o g i c c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e e l e c t r om a g n e t i ci n t e r f e r e n c e c o m p l e m e n t a r ym e t a lo x i d es e m i c o n d u c t o r d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r c e n t r a lp r o c e s s i n gu n i t i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y r a n d o m - a c c e s sm e m o r y r e a d o n l ym e m o r y i n p u to u t p u t f i r s ti nf i r s to u t v e r yl a r g es c a l ei n t e g r a t e dc i r c u i t e s c o m p u t e ra i d e dd e s i g n h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e u n i v e r s a la s y n c h r o n o u s r e c e i v e r t r a n s m i t t e r r e g i s t e rt r a v e ll e v e l j o i n tt e s ta c t i o ng r o u p a r i t h m e t i cl o g i cu n i t b u si n t e r f a c eu n i t 专用集成电路 现场可编程门阵列 可编程只读存储器 可擦除可编程r o m 可编程阵列逻辑 通用阵列逻辑 复杂可编程逻辑器件 电磁干扰 互补金属氧化物 数字信号处理器 中央处理器 知识产权核 随机存取存储器 只读存储器 输入输出 先进先出 超大规模集成电路 计算机辅助设计 硬件描述语言 通用异步收发机 寄存器传输级 联合测试行动小组 算术逻辑单元 总线接口单元 v 原创性声明 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已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，均已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：盘查 e t 期：2 监：皇：垄 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：j 吐导师签名：袒日 期：越 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 近年来，我国经济建设和交通运输事业得到了迅猛的发展，加油站遍布全国 城乡，成品油销售量逐年增加。由于加油站经营方式和进货渠道复杂，许多加油 站财务制度不健全，致使成品油的销售数量和金额无法准确掌握，造成国家税款 大量流失。为了加强加油站的税收管理，强化税源监控，堵塞税收漏洞，规范计 量器具的制造，打击成品油流通领域的违法活动，维护消费者的合法权益，同时 配合国家实施道路和车辆收费改革，做好成品油市场的清理整顿工作，根据国 务院办公厅转发国家经贸委等部门关于清理整顿小炼油厂和规范原油成品油流通 秩序意见的通知【1 】的有关规定，国家税务总局和国家质量技术监督局联合下发了 关于加油机安装税控装置和生产使用税控加油机有关问题的通知 2 1 和关于推 行使用出租汽车税控计价器有关问题的通知1 3 1 ，规定从2 0 0 0 年1 月1 日起不得再生 产、销售非税控加油机和非税控计价器，决定对全国现有加油站加油机安装税控 装置，并组织生产和使用税控加油机。不具备税控功能的加油机即将退出历史舞 台，取而代之的是新一代税控加油机。 另外，近年来由于油价上涨，偷油的获利剧增。不少人开始利用一些加油机 电子控制装置的设计缺陷进行违法偷油。他们的主要手段就是修改主控芯片的一 些脉冲参数以及钻控制系统中芯片多、电路复杂的空子，用一些手段影响计数脉 冲在芯片间的准确传递。还有一些加油机计量重复性不好，多次定量加油之间的 重复性误差不厅- - 匕t - , ，k b 好满足国家标准，也给了偷油者以可乘之机。又如，加油机多 位于室外工作，有些工作环境相当恶劣，温度、湿度变换剧烈，电网时常有浪涌 冲击，而且震动大、粉尘严重，还有车辆发动机产生的强电磁干扰等等。但加油 站的工作性质则要求2 4 d , 时连续工作。所以很多加油机由于电路设计、芯片选择 等方面的问题，没有很好的抗湿热交变能力和抗电磁干扰能力，不能在恶劣环境 中j 下常工作。再如，现行加油机中大部分的操作都较为生硬复杂，只有较为专业 的加油站工作人员才能完成加油、查询等过程，客户很难自主操作，更无法向i c 卡结算的下一代加油机过渡。而且由于操作复杂，过程繁琐，使用户很难参与进 山东大学硕士学位论文 来进行监督，增加了内部人员作弊偷油的机会和可能性。 同时，多年来备受人们关注的燃油税也即将开征，相关政策即将出台。随着 改革开放的深入和发展，我国已经进入了一个汽车时代，国内汽车行业在近二十 年来得到了蓬勃的发展，私家车迅速普及，给人们的日常交通带来了极大的便利， 同时也带来了一系列能源、生态等方面的问题。对此，发达国家大多采用实行燃 油税政策的解决方法，这是一个行之有效的调节汽车使用的政策，可以鼓励人们 购买节能型汽车，调节私人用车，有利于改善生态环境，节约社会能源。在经过 十余年的充分论证之后，国家有关部门根据我国汽车工业的迅猛发展的实际情况， 最终决定即将出台燃油税政策，满足社会对燃油税政策出台的迫切需求。所有正 在使用的和即将投入使用的加油机都必须具有相配套的税控功能，对不满足要求 的加油机将全部改进或替换，实现全国所有加油机的税控自动化。这一切都说明， 一个崭新的税控加油机时代即将到来! “税控燃油加油机控制器专用集成电路( a s i c ) 实现 项目，是受山东省科 技厅委托的省科技攻关重点项目，由山东大学信息科学与工程学院b w m c t ( 宽带 无线移动通信与传输) 实验室具体承担。前期研制完成的税控燃油加油机智能控 制系统，已通过山东省技术鉴定，在技术上达到了同类加油机控制装置的国际先 进水平，并已在生产实际中得到应用，受到用户一致好评。 本课题即为该项目的f p g a 验证实现。f p g a 验证技术能够在接近实际应用的 环境下进行系统验证，有着其他基于软件验证没有的优势。f p g a 的可编程特性大 大加快了验证速度，设计的修改能很快地在验证平台上得到验证。此外，现在芯 片往往需要和驱动软件配合才能正常工作，通过采用基于可编程器件的验证技术， 可以将可编程器件放入最终系统中进行调试，这就使得在芯片设计阶段就能完成 驱动软件和芯片的调试，及早发现在实际系统运用中芯片可能存在的问题和驱动 软件与芯片配合上可能存在的问题。大大缩短了芯片后期应用研发的时间，从而 缩短了整个芯片的设计周期，为设计高质量芯片提供强有力的保障。 1 2f p g a 开发技术 1 2 1 可编程逻辑设计技术简介 2 随着微电子设计技术与工艺的发展，数字集成电路从电子管、晶体管、中小 山东大学硕士学位论文 规模集成电路、超大规模集成电路逐步发展到今天的专用集成电路( a s i c ) 。a s i c 的出现降低了产品的生产成本，提高了系统的可靠性，缩小了设计的物理尺寸， 推动了社会的数字化进程卜7 1 。但是a s i c 设计周期长，改版投资大，灵活性差等缺 陷制约着它的应用范围硬件工程师希望有一种更灵活的设计方法，根据需要在实 验室就能设计、更改大规模数字逻辑，研制自己的a s i c 并马上投入使用，这时提 出了可编程逻辑器件的基本思想。 1 2 2 可编程逻辑器件的分类及发展趋势 可编程逻辑器件从早期的可编程只读存储器( p r o m ) 、紫外线可擦除只读存 储器( e p r o m ) 和电可擦除只读存储器( e p r o m ) ，发展到能完成中大规模的数 字逻辑功能的可编程阵列逻辑( p a l ) 和通用阵列逻辑( g a l ) ，到今天已经发 展成为可以完成超大规模的复杂组合逻辑与时序逻辑的复杂可编程逻辑器件 ( c p l d ) 和现场可编程逻辑器件( f p g a ) 。目前常见的主要有p a l g a l ，c p l d 和f p g a 三大类。 p a l ( p r o g r a m m a b l el o 百e ) 和g a l ( g e n e r i ca r r a yl o 百c ) 是早期可编程逻辑 器件的发展形式，其特点是大多基于e c m o s 工艺，结构较为简单，可编程逻辑单 元多为与、或阵列，可编程单元密度较低，仅能适用于某些简单的数字逻辑电路。 c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o 西cd e v i c e ) 即复杂可编程逻辑器件，是在 p a l g a l 的基础上发展起来的，一般也采用e e c m o s 工艺，也有少数厂商采用 f l a s h 工艺，其基本结构由可编程1 0 单元、基本逻辑单元、布线池和其他辅助功能 模块构成。c p l d 一般可以完成设计中较复杂、较高速度的逻辑功能，如接口转换、 总线控制等。 f p g a ( f i l e dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 即现场可编程逻辑阵列，是在c p l d 的基础上发展起来的新型高性能可编程逻辑器件，它一般采用s r a m 工艺，也有一 些专用器件采用f l a s h 工艺或反熔丝( a n t i f u s e ) 工艺等。f p g a 的集成度很高，其 器件密度从数万系统门到数千万系统门不等，可以完成极其复杂的时序与组合逻 辑电路功能，适用于高速、高密度的高端数字逻辑电路设计领域2 1 。 新型的f p g a c p l d 规模越来越大，成本越来越低。高性价比使可编程逻辑器 件在硬件设计领域扮演着日益重要的角色。低端的c p l d 己经逐步取代7 4 系列等传 统数字元件，高端的f p g a 也在不断地夺取a s i c 的市场份额。可编程逻辑器件将朝 山东大学硕士学位论文 着下面四个方向高速发展：最先进的a s i c 生产工艺将广泛的应用在以f p g a 为代表 的可编程逻辑器件中；越来越多的高端f p g a 产品将包含d s p 或c p u 等处理器内核， 从而f p g a 将由传统的硬件设计手段逐步过渡为系统级设计平台：f p g a 与传统 a s i c 进一步融合，将包含功能越来越丰富的硬核( h a r di pc o r e ) 并通过结构化技 术加快占领部分a s i c 市场；低成本f p g a 的密度越来越高，价格越来越合理。可以 预见f p g a 将逐步成为复杂数字电路设计的理想首选器件。 1 2 3f p g a 的主要特点 f p g a 的基本组成部分有可编程输入输出单元、基本可编程逻辑单元、嵌入式 r a m 、丰富的布线资源、底层嵌入功能单元、内嵌专用硬核等。f p g a 中众多的可 编程逻辑单元以二维阵列形式分布在器件的中部，用以实现设计者所需的逻辑功 能。可编程输入输出单元分布在器件的四周，它提供器件外部引出端和内部逻辑 之间的连接。通过遍布器件内的可编程互连资源，可将器件内部任意两点连接起 来，从而使f p g a 内部的逻辑单元和输入输出单元连接成各种复杂的系统。可编程 互连资源主要由纵横分布在逻辑单元阵列之间的金属线网络和位于纵横线交叉点 上的可编程开关矩阵组成。 f p g a 器件与低密度p a l g a l 和高密度c p l d 相比，在性能上主要有以下特点： ( 1 ) f p g a 器件多采用s r a m 编程技术，规模大，逻辑复杂度高，是高速度、 高可靠性和低功耗的逻辑可编程器件。 ( 2 ) f p g a 器件提供丰富的i o 端口数，触发器数量多，适宜进行复杂时序功 能的设计。 ( 3 ) f p g a 器件具有丰富的分布式布线资源，布线灵活。经过编程可以实现 复杂的组合逻辑和时序逻辑，满足各种各样数字电路系统设计的要求。 ( 4 ) 众多f p g a 器件还提供了片内高速的嵌入式块r a m ，可以配置为单端口 r a m 、双端e i r a m 及f i f o 电路，大大的拓展了f p g a 的应用范围和使用灵活性。 ( 5 ) 使用f p g a 器件时，需对其进行数据配置。配置完成后，f p g a 器件才可 完成设计要求的逻辑功能。f p g a 掉电后一般将丢失原有逻辑配置。 ( 6 ) f p g a 内部的延迟不可预测，一般要通过时序约束、静念时序分析和仿 真等手段提高并验证时序性能。 f p g a 的出现是超大规模集成电路( v l s i ) 技术和计算机辅助设计( c a d ) 技 4 山东大学硕士学位论文 术发展的结果。它允许电路设计者利用基于计算机的开发平台，经过设计输入、 仿真、测试和校验来应到预期的效果。f p g a 开发流程与a s i c 相差不大，其最大不 同在于f p g a 设计中没有用户专门的定制生产过程，而是通过以二进制比特流形式 下载到芯片中来进行配置。大容量、高速度的f p g a 的出现，克服了a s i c 设计的诸 多不足。用f p g a 来实现数字信号处理可以很好地解决并行性和速度问题，而且其 灵活的可配置特性，使得f p g a 构成的系统非常易于修改、测试及硬件升级。f p g a 构成的数字信号处理系统己经在实时图像处理、无线电通信系统、卫星导航设备 等领域中得到了应用。 随着芯片规模的越来越大、资源的越来越丰富，芯片的设计复杂度也大大增 加。事实上，在芯片设计完成后，有时还需要根据情况改变一些控制，这在使用 过程中会经常遇到。这时候如果再对芯片设计进行改变将是很不可取的，因为需 要设计人员参与这种改变，这无论是对设计者还是用户都是不能接受的。于是就 有必要让这种可以改变的简单控制在芯片设计时就存在，而且同时还应该使这种 改变相对容易，比较通用，并且与芯片的其它设计部分尽量不相关。为了满足上 述的要求，在f p g a 中嵌入一个i p 核是比较理想的选择【1 孓伺，而这个即通用又控制 简单的口核最好选择8 0 5 1 微处理器。 1 2 4f p g a 的设计原则和流程 针对f p g a 结构的特点，在进行逻辑设计的时候，所有的设计原则和设计风格 必须围绕此特点来进行。其核心问题是如何充分、高效的利用片上资源。首先要 考虑系统设计原则，即在给定的要求和性能指标下，尽量使系统的运行频率提高、 所耗资源减少。运行频率高意味着系统时序余量大，健壮性强，稳定性好。资源 消耗少意味着所用芯片数量少或者单片门数少，直接影响系统成本。 但要两者同时具备是不现实的，一般来说，速度的优先级要高于资源耗费。 我们就应该在保证速度满足要求的情况下，尽量使资源的消耗减少到最小。速度 的提高可以采用复制模块来实现，相当于用并行处理技术来提高系统速度，反之， 在时序余量允许的情况下，模块复用可以减少资源消耗，降低系统成本。这在做 设计时需要有个折中。 然后需要考虑的是同步设计原则，即系统的核心逻辑用各种触发器实现，电 路的各个节拍的输出信号均由某个时钟沿所驱动的触发器产生出来。异步电路最 5 山东大学硕士学位论文 大的问题就是容易产生毛刺，这在很大程度上会使系统不稳定甚至因此而崩溃。 同步时序电路能够很好的避免毛刺的产生，不管是前仿真还是布局布线后仿 真均没有毛刺。而且这样的设计有利于流水的实现，对于提高系统的时序余量很 有帮助。另外从f p g a i 内部逻辑资源的比例看，同步设计也并没有增加资源的耗费， 反而更有效地利用了片上资源。 另外需要考虑的是全局时钟布线资源的利用。全局时钟资源由特殊的工艺实 现，并设置了专用的时钟缓冲和驱动结构，从而使全局时钟具有很高的扇出性能， 且到达芯片内部的所有可配置单元、1 0 单元和选择性块r a m 的时延和抖动都为最 小。逻辑设计中使用非常频繁的时钟信号、预设置信号、复位信号和使能信号均 应从全局脚引入，这对于提高系统性能有很大好处。 一般来说，完整的f p g a 设计流程分为电路设计与输入、功能仿真、综合、综 合后仿真、实现、布线后仿真与验证实现、板级仿真验证与调试等重要步骤，设 计流程如图1 2 1 所示。 ( 1 ) 电路设计与输入 电路设计与输入是指通过某些规范的描述方式，将电路构思输入给e d a 工具。 常用的设计输入包括使用硬件描述语言h d l 、原理图设计和状态图设计等方法。 目前h d l 设计方式是设计大规模数字集成电路的良好形式，其中影响最为广泛的 h d l 语言是v e r i l o gh d l 和v h d l 。它们共同特点是利于自顶向下的设计，利于模 块的划分与复用，可移植性好，通用性好，设计不因芯片的工艺与结构不同而变 化，利于向a s i c 移植。 ( 2 ) 功能仿真 功能仿真是指使用仿真工具对已实现的设计进行完整测试。验证电路功能是 否符合设计要求，功能仿真有时也被称为前仿真。通过仿真能及时发现设计中的 错误，加快设计进度，提高设计的可靠性。 ( 3 ) 综合优化 综合优化( s y n t h e s i s ) 是指在满足待实现电路的约束条件下，将h d l 语言、原 理图等设计输入翻译成由与、或、非门、r a m 、触发器等基本逻辑单元组成的逻 辑连接，再通过计算机对速度和面积进行逻辑优化，输出e d f 和e d n 等标准格式的网 表文件，获得一个能满足要求的电路设计方案。综合优化后产生的f p g a 网表文件， 以供厂家的布局和布线器进行实现。 6 山东大学硕士学位论文 ( 4 ) 综合后仿真 综合完成后需要检查综合结果是否与原设计一致，做综合后仿真。在仿真时， 把综合生成的标准延时文件反标注综合仿真模型中去，可估计门延时带来的影响。 综合后仿真的主要目的在于检查综合器的综合效果是否与设计输入一致。 ( 5 ) 实现与布局布线 综合优化产生的逻辑网表与芯片实际的配置情况还有较大差距。利用f p g a 厂 商提供的工具软件，根据所选芯片的型号，将综合输出的逻辑网表适配到具体 f p g a 目标器件中，这个过程称之为实现过程。在实现过程中最主要的过程是布局 布线：布局是指将逻辑网表中的硬件原语或者底层单元合理的适配到f p g a 内部 固有硬件结构上，布局的优劣对设计的最终实现结果影响很大。布线是指根据布 局的拓扑结构，利用f p g a 内部的各种连线资源，合理正确连接各个元件的过程。 ( 6 ) 时序仿真与验证( 后仿真) 将布局布线的时延信息反标注到设计网表中，所进行的仿真就i l i l 时序仿真或 布局布线后仿真，简称后仿真。布局布线之后生成的仿真时延文件包含的时延信 息最全，不仅包含门延时，还包含实际布线延时，所以布线后仿真最准确。布局 布线后仿真能检查设计时序与f p g a 实际运行情况是否一致，确保设计的可靠性和 稳定性。 ( 7 ) 板级仿真与验证 在有些高速设计情况下还需要使用第三方的板级验证工具进行仿真与验证， 这些工具通过对设计的i b i s 、h s p i c e 等模型的仿真，能较好地分析高速设计的信 号完整性、电磁干扰( e m i ) 等电路特性。 ( 8 ) 调试与加载配置 下载配置是指在时序仿真正确的前提下，将形成的配置文件下载到具体的 f p g a 中。可以直接由计算机经专用下载电缆配置或者由外围配置芯片进行上电自 动配置。整个f p g a 设计一般就是按照上述的流程进行开发，任何仿真或验证步骤 出现问题，就需要根据错误定位返回到相应的步骤进行更改或者重新设计。 7 山东大学硕士学位论文 8 图1 2 1f p g a 设计流程 山东大学硕士学位论文 1 3 项目意义 自2 0 0 0 年国务院发布关于鼓励软件产业和集成电路产业发展的若干政策 文件以来，中国集成电路产业的发展开始步入快车道。中国集成电路产业仍保持 了较快稳定增长的势头。随着中国集成电路产业的快速发展，其在全球的地位正 在逐年上升，中国集成电路设计业和芯片制造业已经取得突破性进展。尤其是中 国国家信息产业部正式发布了“集成电路产业十一五专项规划”以来，国家 大力提倡设计业与整机之间的合作，加快涉及国家安全和量大面广集成电路产品 的设计开发，培育一批具有较强自主创新能力的骨干企业，开发具有自主知识产 权的集成电路产品。 “规划”发展目标指出，至u 2 0 1 0 年，中国集成电路产业产量达n 8 0 0 亿块，实 现销售收入约3 0 0 0 亿元，年均增长率达到3 0 ，约占世界集成电路市场份额的1 0 ， 满足国内3 0 的市场需求。集成电路产业结构调整目标是：至u 2 0 1 0 年，集成电路 产业结构进一步得到优化，芯片设计业在行业中的比重提高到2 3 ，芯片制造业、 封装与测试业比重分别为2 9 和4 8 ，形成基本合理的产业结构。集成电路产业 技术创新目标是：至u 2 0 1 0 年，芯片设计能力大幅提升，开发一批具有自主知识产 权的核心芯片，主流设计水平达n o 1 3um - - 9 0 n m ；国内重点整机应用自主开发集 成电路产品的比例达到3 0 左右。 所以，我们研制开发的税控燃油加油机专用集成电路设计项目符合国家大力 发展集成电路产业的规划，本项目在完善税控加油机控制器功能的基础上，采用 新技术、新器件以及专用集成电路实现加油机控制器的功能。同时，提高了设备 的抗干扰能力；降低了系统的故障发生概率；降低了加油机的成本；显著提高了 可靠性；增强了加油机的稳定性；减低了静态功耗；使整个系统更亲切、更人性 化；使故障指示更为精确，便于维修；使系统更为时尚，提高了市场竞争力。具 有监控微处理器、税控存储器和实时时钟多项功能的集成芯片获得各方专家的浓 厚兴趣及充分肯定： 第一，该款集成芯片验证功能的成功研制和应用，将帮助加油机厂家有效地 降低芯片成本，提高系统可靠性、稳定性和安全性，系统升级和扩展性也得到增强。 第二，功能规格符合国家标准，按照国家规定设置统一的税控初始化接口和 通用的外部接口。适配当前比较流行的各种系列的键盘、显示器协同工作，可以 9 山东大学硕士学位论文 快速的被各加油机厂家集成并迅速形成成熟产品上市。 第三，简化外围电路设计，降低成本。采用f p g a 设计后，大大简化电路板的 结构，明显降低电路板上芯片数量，降低整体系统的故障发生概率，减少加油机 的成本，显著提高系统可靠性和抗干扰能力，改善系统的e m i ( 电磁兼容) 特性。 第四，支持i c 力i ：i 油卡等拓展功能，具有有效节省时间，方便联网使用、用油 管理，实现成品油零售系统的电子化等优点；利用先进的电子信息技术对油品零 售的交易方式进行改革，既有利于提升服务提供商的油品销售网络，方便用户， 同时又加强服务提供商企业的管理，扩大并占领市场，得到国家和税务银行部门 的一致推崇。 综上所述，税控燃油加油机控制器专用集成电路芯片既符合集成电路产业的 兴起潮流，又把握了当前汽车时代和交通运输事业蓬勃发展的良好契机，推行使 用，税控燃油加油机控制器专用集成电路芯片的系统是可以加强加油站的税收管 理，堵塞税收漏洞，保证了加油站加油机记录的数据准确、安全、可靠，打击成 品油流通领域的违法活动，即保证了国家税收及时、足额入库，又维护了消费者 的合法权益。因此，此项目填补了国内税控加油机控制a s i c 实现的空白，为f p g a 验证提供了成功范例，能够很好的推动加油机行业的发展，市场应用前景广阔， 具有很大的经济价值和社会价值。 推行使用税控加油机是清理整顿成品油市场秩序的重要措施，同时可以加强 加油站的税收管理，堵塞税收漏洞，打击成品油流通领域的违法活动，维护消费 者的合法权益。随着我国经济建设和交通运输事业的迅速发展，加油站遍布全国 城乡，加油机的销售量逐年增加。全国共有加油机生产厂家4 0 多家，如深圳市颖 臻技术股份有限公司、广州市恒山股份有限公司、广东盈动机电科技有限公司、 珠海市贝林加油设备有限公