（通信与信息系统专业论文）税控加油机控制系统集成电路设计.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 近年来 随着我国交通事业的蓬勃发展 我国加油机市场迎来了前所未有的 机遇 市场上对加油机的需求与日俱增 不仅数量巨大 而且对性能的要求也日 益提高 这给我国加油机行业的发展带来了强劲的动力 但是 与机遇而来的往 往是巨大的挑战 反观我国加油机产品的现状 其情况却令人堪忧 我国生产的 加油机 其控制系统普遍采用传统的离散器件进行设计 有限的控制系统电路板 空间上布满了各种各样的器件 对散热非常不利 并且 不法分子很容易对控制 系统电路进行肆意修改 干扰加油机对加油量的准确计量 从而进行偷税漏税 同时 由于电路板上各个离散器件数量过多 分布过于密集 从而增大了控制系 统出现故障的概率 并且故障的排查相当困难 给用户带来极大的不便 虽然目 前出现了通过采用f p g a 对各个离散器件进行集成的方法来解决上述问题 但是 由于f p g a 本身价格较贵 功耗较高 而且内部资源利用率低 因此 难以进行大 批量的生产和应用 并且 传统的加油机控制系统 与外界通信非常不便 从而 导致外界难以对加油机的工作状态进行有效的监控和管理 针对上述现实问题 本论文提出了一款改进后的新型加油机控制系统 并对 其进行了专用集成电路芯片的开发研究 该新型控制系统通过采用新加坡c h a r t e r 公司的0 3 5 微米c m o s 工艺技术进行集成电路设计 可将传统加油机控制系统的 各个离散器件集成到一块专用芯片中 大大提高了控制系统的集成度 有效降低 了控制系统的故障率 并且进一步提高了加油机工作的稳定性 而且 由于主要 控制电路都集成在了芯片内部 因此增强了控制系统的保密性 不法分子也难以 通过篡改控制电路进行偷税漏税 保证了国家财政税收的安全 相比于f p g a 的解 决方案 本集成电路芯片成本优势更为明显 并且功耗也大为降低 同时 因为 采用了多种a s i c 综合优化技术 本系统电路的性能也有了进一步的提高 并且 由于芯片内部集成了通信编译码模块 从而可将加油机的各种数据经卷积码编码 山东大学硕士学位论文 后无线发送出去 并能将接收到的数字序列进行v i t e r b i 译码 还原成外界传送 过来的原始数据信息 方便了外界对加油机的无线监控和管理 进一步提高了无 线通信传输的质量 最终 本论文按计划完成了税控加油机控制系统集成电路芯片的相关设计工 作 验证结果表明 本新型控制系统性能符合设计规范的要求 达到了设计的预 期目标 满足了市场的现实需求 实现了对现有加油机设备的改进 i i 关键词 加油机 控制系统 f p g a a s i c 综合 山东大学硕士学位论文 a bs t r a c t i nr e c e n ty e a r s t h ed e m a n do ff u e ld i s p e n s e ri nt h em a r k e ti sg r o w i n g d a yb yd a y n o to n l yi nt h eq u a n t i t y b u ta l s oi nt h ep e r f o r m a n c e i ti sb o t ht h eo p p o r t u n i t ya n d c h a l l e n g et ot h ef u e ld i s p e n s e ri n d u s t r yo fo u rc o u n t r y t h ec o n t r o ls y s t e m si nt h ef u e ld i s p e n s e r sm a d ei no u rc o u n t r ya reg e n e r a l l y d e s i g n e dw i t ht r a d i t i o n a ld i s c r e t ed e v i c e sw h i c ha r en o tc o n d u c i v et oc o o ld o w nt h e c i r c u i to ft h es y s t e m m e a n w h i l e t h ec i r c u i to ft h ec o n t r o ls y s t e mw o u l db em o d i f i e d e a s i l yt oe v a d et h et a x a tt h es a m et i m e t h e r ea r es om a n yd i s c r e t ed e v i c e sd i s t r i b u t e d o nt h ec i r c u i tb o a r do fc o n t r o ls y s t e mt h a ti tw o u l dl e a dt oah i g l lf a i l u r er a t e a n d w o u l db eh a r df o rm a i n t e n a n c eo ft h es y s t e m t h e s eb r i n gm u c hi n c o n v e n i e n c et ot h e u s e r s a l t h o u g ht h ep r o b l e m sm e n t i o n e da b o v ec a nb es o l v e dt h r o u g ht h ew a yt h a t i n t e g r a t i n ga l ld i s c r e t ed e v i c e si n t of p g a t h eh i g hc o s t t h eh i g hp o w e rc o n s u m p t i o n a n dl o wu t i l i z a t i o nr a t eo ff p g am a k ei td i f f i c u l tt os o l v et h ep r o b l e m s t h o r o u g h l y m o r e o v e r t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h ef u e ld i s p e n s e ra n do u t s i d ed o e s n o tw o r kw e l l s ot h ef u e ld i s p e n s e rc a l ln o tb em o n i t o r e da n dm a n a g e db yo u t s i d e e f f e c t i v e l y t h e r e f o r ei nt h i sp a p e rw ep r o p o s ea ni m p r o v e dd e s i g no fc o n t r o ls y s t e mi nf u e l d i s p e n s e r a n dr e s e a r c hi t si m p l e m e n t a t i o no fi n t e g r a t e dc i r c u i tc h i p t h ec h i pi sb a s e d o nc h a r t e ro 35p ml i b r a r y i n t e g r a t e sa l ld i s c r e t ed e v i c e so fc o n t r o ls y s t e mt o g e t h e r l o w e r st h ef a i l u r er a t e a n di m p r o v e st h es t a b i l i t yo ff u e ld i s p e n s e r f u r t h e r m o r e b e c a u s ea l ld e v i c e sa r ei n t e g r a t e di n t oo n ec h i p i ti sd i f f i c u l tt om o d i f yt h ec i r c u i tt o e v a d et h et a xa n do u rc o u n t r y st a x a t i o nw o u l db ep r o t e c t e de f f e c t i v e l y c o m p a r e dt ot h es o l u t i o no ff p g a t h i sc h i ph a sab i ga d v a n t a g ei nt h ec o s ta n d p o w e rc o n s u m p t i o n a l s o t h et i m i n gp e r f o r m a n c ea n dc i r c u i tf u n c t i o no fc o n t r o l s y s t e mi nt h ec h i ph a v eb e e ni m p r o v e dt l l r o u g ht h eu s eo fs y n t h e s i so p t i m i z a t i o n i i i 山东大学硕士学位论文 t e c h n o l o g y m o r e o v e r t h ec h i pc a l la l s o s e n dd a t ao u t s i d ea f t e rc o n v o l u t i o n a l c o d i n g a n dr e c e i v ed a t at h o u g hv i t e r b id e c o d i n g w h i c hi s c o n d u c i v et ot h e m a n a g e m e n tf o rf u e ld i s p e n s e r t h ev e r i f i c a t i o nr e s u l t so ft h ed e s i g ni n d i c a t et h a tt h ep e r f o r m a n c eo ft h e c o n t r o ls y s t e mh a sa c h i e v e dt h ed e s i g no b j e c t i v e a n do b t a i n e das i g n i f i c a n t l y i m p r o v e m e n to nt h ee x i s t i n gc o n t r o ls y s t e m si nf u e ld i s p e n s e r s k e yw o r d s f u e ld i s p e n s e r c o n t r o ls y s t e m f p g a a s i c s y n t h e s i s i v 山东大学硕士学位论文 符号说明 a s c i i a m e r i c a nn a t i o n a ls t a n d a r dc o d ef o r 美国信息交换标准码 a s i c c l b c m o s e d a e e p r o m f p g a h d l i c 1 0 b 口 j t a g l c d l e l u t p c b r a m r o m l 汀c r t l s f r i n f o r m a t i o ni n t e r c h a n g e a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e r g r a t e dc i r c u i t c o n f i g u r a b l el o g i cb l o c k 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 e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o n e l e c t r i c a l l ye r a s a b l ep r o g r a m m a b l e r e a d o n l ym e m o r y f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y 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 i n t e r g r a t e dc i r c u i t i n p u to u t p u tb l o c k i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y j o i n tt e s ta c t i o ng r o u p l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y l o g i ce l e m e n t l o o ku pt a b l e p r i n t e dc i r c u i tb o a r d r a n d o ma c c e s sm e m o r y r e a d o n l ym e m o r y r e a lt i m ec l o c k r e g i s t e rt r a v e ll e v e l s p e c i a lf u n c t i o nr e g i s t e r 专用集成电路 可配置逻辑模块 互补金属氧化物 电子设计自动化 电可擦除程序只读存储器 现场可编程门阵列 硬件描述语言 集成电路 输入输出模块 知识产权 联合测试行动小组 液晶显示器 逻辑单元 查找表 印刷电路板 随机访问存储器 只读存储器 实时时钟 寄存器传输级 特殊功能寄存器 v 山东大学硕士学位论文 t c lt o o lc o m m a n dl a n g u a g e u d s mu l t r ad e e ps u b m i c r o w l mw i r el o a dm o d e l s v i 工具命令语言 超深亚微米 线负载模型 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 尘 日 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 监丝 9 别币签名 7 h 期 磊夕 妒 岁口期 咖7 二簟 口 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 项目背景及研究意义 现实需求是科技进步的重要动力源泉 近年来 随着我国交通事业的蓬勃发 展 公路里程数突飞猛进 汽车数量有了显著提高 石油消耗也日益增大 这一 切 都直接带动了我国加油机行业的快速发展 市场上对加油机的需求与日俱增 数量上 由于我国公路里程每年以6 万公里的速度高速增长 这样 即使仅按每 百公里四座加油站的量保守估算 每年对新增油枪的绝对需求量也达到了2 万多 条 同时 我国汽车保有量的持续增长 也进一步扩大了市场对加油机的需求 每年新增油枪量也可达1 0 0 0 0 余条 而且 一般加油机的平均寿命是5 8 年 因 此各加油站加油机需要定期更新换代 目前全国加油站已达1 0 万余座 可见 每年对加油机更新的需求量也相当可观 性能上 市场对加油机的要求也不断提 高 用户希望加油机能够进一步增强其工作的稳定性 延长其使用寿命 而且控 制系统电路要更加便于维护 同时 还希望能够更方便的对加油机工作状态进行 监控 l 用户对加油机需求数量的增长和性能要求的不断提高 为我国加油机的 发展带来了强劲的推动力 我国加油机行业迎来了前所未有的大好机遇 但是 与机遇伴随而来的 往往是巨大的挑战 反观我国加油机设备的发展 现状 却存在许多令人堪忧的问题 我国生产的加油机 其控制系统普遍采用传 统的离散器件进行设计 有限的控制系统电路板空间上挤满了各种各样的器件 这不仅给各个器件的散热带来很大的影响 而且 整个控制系统的主要电路都暴 露在外面 不法分子很容易对控制系统电路进行肆意修改 干扰加油机对加油量 的准确计量 从而进行偷税漏税 给国家财政收入造成极大的损失 同时 由于 电路板上各个器件的分布过于密集 并且数量过多 从而增大了控制系统出现故 障的概率 而且一旦电路出现故障 往往难以排查调试 给用户带来极大的不便 虽然目前出现了通过采用f p g a 对各个离散器件进行集成的方法来解决上述问 题 但是 由于f p g a 本身价格较贵 功耗较高 而且内部资源利用率低 因此 实际上不适于大批量的生产 市场大范围推广具有一定难度 并且 传统的加油 机控制系统 难以与外界进行通信 从而导致外界无法对加油机的工作状态进行 有效监控 由此可见 虽然目前加油机市场有着很好的现实需求 但是 国内传 山东大学硕士学位论文 统加油机控制系统的发展却相对滞后 普遍难以满足当前市场的需要 在前所未 有的机遇面前 我国加油机行业也面临着巨大的技术挑战 现实情况令人堪忧 本论文所研发的加油机控制系统集成电路芯片 正是针对上述现实问题而提 出的 与传统加油机控制系统相比 本论文所提出的新型加油机控制系统 更适 于进行a s i c 集成 可靠性更高 功能更强 维护更为容易 显著提高了现有加 油机设备的整体性能 具体的 基于新的系统架构 本系统通过采用c m o s0 3 5 微米工艺进行a s i c 设计 能将各个离散器件有效的集成到一块系统芯片中 有 利于技术保密 防止了不法分子偷税漏税的行为 并大大提高了整个控制系统的 稳定性 降低了控制电路的故障率 相比于f p g a 该控制系统芯片成本优势将 非常突出 而且系统功耗也得到了大幅度的降低 通过对系统进行综合优化处理 本系统电路的性能得到了进一步的提高 并且 本系统芯片还内嵌了通信编译码 模块 加油机可通过该模块与外界进行高可靠度地双向通信 有利于外界对加油 机工作状况的监控和管理 保证了加油机的长期稳定工作 1 2a sic 设计简介 a s i c 专用集成电路 是指为专门目的而设计的集成电路 近年来得到了非 常迅速的发展 已经成为了现代电子设计领域的一朵奇葩 从2 0 世纪8 0 年代中后期开始 随着电子设备功能的同益复杂 传统的可编 程逻辑器件 通用标准集成电路在体积 功耗 速度 保密性等方面已不能再满 足实际应用的需求 人们迫切期待一种更为先进的电子设计技术的出现 a s i c 设计便因此应运而生 区别于传统的电路设计方式 它并不要求设计工程师对半导体物理和半导体 生产过程非常熟悉 只需工程师对整个电路的功能 时序按自己的构思进行设计 然后通过a s i c 系列工具 完成前端和后端的操作 最后交付给相应的芯片生产 厂家 由这些厂家进行实际的芯片生产 2 j 通过a s i c 集成电路设计技术 可将传统的各离散器件集成到一块芯片中 极大地提高了系统的集成度和工作性能 有效降低了系统的功耗和故障率 并且 成本优势突出 因此在现代电子设计中得到了广泛应用 目前通行的a s i c 设计方法是 设计者首先根据项目的实际需求 制定设计 规范 从整体上引领和把握整个研发工作 然后 通过硬件描述语言 对设计进 2 山东大学硕士学位论文 行r t l 代码的编写 然后在可编程器件 一般选用f p g a 上进行原型验证 原 型验证通过后 根据芯片生产厂家所提供的各种工艺库资源 1 0 库 标准单元 库等等 利用相应的a s i c 设计工具 将设计映射成由工艺库中各基本单元组 成的电路 然后再做布局 布线等后端操作 完成整个电路的前后端设计 并且 在此过程中 要不断反复穿插系统的验证工作 包括前端验证和后端验证 以 确保在流片前 相应的组合逻辑功能和时序功能能够满足设计的要求 最后 将 设计好的系统交付芯片生产厂家进行流片生产 封装 测试 最终得到实际可用 的集成电路芯片 3 本论文将主要依据此流程 并着重对系统的a s i c 前端设计 进行研究 3 山东大学硕士学位论文 前 端 设 计 后 端 设 计 制定设计规范 u 编写r t l 代码 u介 f p g a 原型验证 u 综合及其优化 u 布局 j j l 布线 u 流片 封装 测试 图la s i c 设计主要流程 1 3 本论文结构 本论文主要对税控加油机控制系统集成电路芯片的前端设计进行了研究 该 新型控制系统通过采用c h a r t e r 公司的0 3 5 微米工艺进行集成电路设计 可将 传统的各离散芯片集成在一起 有效提高了系统工作的稳定性 降低了系统的故 障率 并且该集成电路大批量流片后 成本优势将非常突出 通过对系统进行综 合优化处理 本系统电路的性能有了进一步的提高 而且 该系统内部还集成了 通信编译码模块 有利于加油机与外界的无线通信 增强了外界对加油机的监控 4 山东大学硕士学位论文 能力 本论文章节安排如下 第一章 绪论 本章主要是分析了当前加油机市场出现的机遇和面临的挑战 从而引出了研发本款新型加油机控制系统集成电路芯片的必要性和现实意义 并 且 对a s i c 专用集成电路的开发流程也做了简要的说明 第二章 制定设计规范 本章主要是制定了加油机控制系统集成电路设计规 范 从整体上把握和引领该项目的研发工作 具体的 该设计规范主要包括 加 油机整体工作情况简介 新型控制系统各模块功能及其相互作用关系的描述 本 款芯片采用的工艺技术以及验证方法 第三章 编写r t l 代码 本章主要是通过硬件描述语言对设计规范中所述的 各功能模块进行了r t l 代码的编写 并且针对本系统的特点 指出了在编写各模 块r t l 代码时的注意事项 随后又对所编写的r t l 代码进行了仿真验证 第四章 f p g a 原型验证 本章主要是通过f p g a 器件 对编写后的r t l 代码 进行了原型验证 来检查其功能 时序是否满足设计规范的要求 并根据实际运 行情况及时调整修改 只有设计经f p g a 原型验证无误后 才能进行下面的a s i c 操作 第五章 a s i c 综合及其优化 本章主要是对已经通过f p g a 原型验证的系统 设计进行了综合 s y n t h e s i s 操作 将所设计的系统映射成由工艺库中各基本 单元组成的电路 并采取多种优化技术 结合验证分析报告 对综合结果做了进 一步的优化 提高了系统电路的整体性能 第六章 结论 本章主要是对论文所做的工作进行了总结 并对下一步的研 究做了展望 山东大学硕士学位论文 第二章制定设计规范 2 1概述 在本论文所述项目的设计流程中 第一步就是制定出系统的设计规范 设计 规范来源于实际需求 我们通过对加油机市场营业人员和顾客进行大量调研 了 解到现有的加油机在使用过程中存在的问题和他们的现实需求 并对当前加油机 市场上各加油机厂家加油设备的组成 工作原理进行了分析 还多次向具备相关 经验的工程师请教 讨论本新型控制系统的实际可行性和具体实施方案 几经修 改 最终 确定了本系统的设计规范 从整体上把握和引领了该项目的研发工作 本设计规范中 主要包括了以下几方面内容 加油机整体工作情况 新型控 制系统各模块的功能 各模块间的相互作用关系 本款芯片采用的工艺技术以及 验证方法 税控加油机整体组成框图如下所示 图2 税控加油机整体组成框图 本论文主要是对上图中 加油机控制系统 做了改进 鉴于市场对控制系统 高集成度 高稳定性 低功耗等方面的实际需求 本论文提出了一种新型控制系 6 山东大学硕士学位论文 统架构 并研究了其集成电路的实现方法 该新型控制系统组成框图如下所示 图3 新型加油机控制系统组成框图 2 2加油机整体工作情况描述 对于加油机的加油操作 一般有两种模式 预置加油和随机加油 预置加油 即先预设油量 后加油 一般又细分为预置金额加油和预置升 数加油两种 其实现本质是相通的 只是预值的单位不同 可根据当日的 油价 进行相应的转换 采用这种方式 加油机工作前先通过键盘设定好 加油的量 以金额或油量体积为单位 然后提起油枪 加油机控制系统 接收到油枪提起信号后 便打开电阀 并通过电机带动油泵将燃油注入受 油容器中 同时控制系统对加油量进行实时计算 并显示在l c d 上 当加 油量快要达到预设值时 加油机控制系统便通过对电机 大阀 小阀等设 备的控制 精准的按预值量结束加油过程 完成加油操作 当加油过程中 出现任何问题时 控制系统可通过喇叭发出相应提示 以便于对问题的及 时处理 随机加油 即先加油 后计油量 顾客加油时 先提起油枪 控制系统接 收到油枪提起信号后 便打开电阀 并通过电机带动油泵将燃油注入受油 容器中 同时控制系统对加油量进行实时计算 并显示在l c d 上 当顾客 认为可以停止加油时 便挂上油枪 控制系统接到油枪挂起信号 便通过 7 山东大学硕士学位论文 停止电机运行 关闭大阀 小阀等操作 结束加油过程 此次所加油量的 最终值将显示在l c d 上 顾客按其数值支付加油费用即可 整个加油过程 就此完成 在这里 需要注意的是 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 4 1 国家税务总局和国 家质量技术监督局联合下发的 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 5 以及 关于推行使用出租汽车税控计价器有关问题的通知 6 j 从2 0 0 0 年1 月1 日起 我国不得再生产 销售非税控加油机和非税控计价 器 并对全国现有加油站加油机安装税控装置 组织生产和使用税控加油机 因 此 本加油机控制系统将积极响应国家政策号召 将其与税控芯片直接相连 该 税控芯片由国家税务机关统一指定 以方便税务人员对加油机的税收管理 在 加油过程中 控制系统对加油量进行实时监控 并通过光电转换装置 将加油过 程中的机械运动转换为电信号 从而可以对加油量进行实时计算 控制系统通过 其外部接口模块 将计算得到的加油量值直接传送给税控芯片 税控芯片内部的 存储模块对该值进行保存 以便于税务人员定期来读取 从而实现加油机的准确 报税 防止了不法分子偷税漏税等行为 规范了加油机市场秩序 维护了国家财 政税收安全 具有积极的社会意义和经济意义 2 3 系统子模块划分 依据模块化设计的思想 本系统具体划分为d w 8 0 5 1 核 存储模块 时钟模 块 复位模块 外部接口模块 1 2 c 模块 通信编译码模块七个主要部分 具体 如下 2 3 1 d w 8 0 5 1 核 d w 8 0 5 1 为s y n o p s y s 公司所设计的i p 核 指令兼容m c s 一5 1 系列单片机 是 经过业界验证的成熟的8 位i p 核 之所以采用i p 核复用的方式进行本系统的设计 主要是出于保证系统整体 性能 加速芯片设计周期的目的 现代的电子系统设计 其规模越来越大 功能 也越来越为丰富 一个电子系统中 往往包含了多个功能模块 而每一个功能模 块 往往本身又很复杂 如果设计人员将系统中的所有模块一一自行设计 不仅 难以保证每个模块的质量 而且会极大的增加设计时间成本 延长了t i m et o 山东大学硕士学位论文 m a r k e t 上市时间 从而错过抢占市场的先机 采用i p 复用技术 正是解决 该问题的有效方法 i p 核本身都已经经过了充分的验证 质量完全可以保证 通过对i p 核的使用 可以有效保证相应模块功能的正确实现 提高系统的整体 性能 并且 还可以极大的缩短设计周期 加快产品上市速度 提高整个产品的 研发 生产效率 因此 对于本款加油机控制系统集成电路的设计 也将采用 i p 核复用的思路进行 选择一种优秀的i p 核作为本系统的核心处理模块 通过对各公司i p 核的对比分析 发现s y n o p s y s 公司d w 8 0 5 1 可以满足一个 优秀i p 核的相关要求 1 具有可配置性 以满足不同设计的需要 可以根据本系统的性能要求 对d w 8 0 5 1 进行灵活配置 整个配置工作将使 用s y n o p s y s 公司相关a s i c 工具完成 2 具有标准的接口 d w 8 0 5 1 采用的是业界标准的接口 而不是使用的独特的 专用的接口 因 此 在集成该i p 核时 一可以不必再为i p 核与其他模块之问定义专门的接口 3 遵守设计规则 由于d w 8 0 5 1 是按照通用i p 核的设计准则和优秀的代码编码规则进行设计 因此可以保证其内部时序的完全收敛 从而保证了i p 核功能的正确实现 4 交付的数据 资料完整 s y n o p s y s 公司所提供的d w 8 0 5 1 文件夹中 包含了行为仿真模型 可综合代 码 综合脚本以及相关的文档 非常方便在本系统中的集成 刀 因此 本系统将采用d w 8 0 5 1 作为核心处理模块 整个系统的核心逻辑和算 术运算 都是在d w 8 0 5 1 中进行的 由于d w 8 0 5 1 优良的性能和高度的可靠性 保 证了各个模块的正常操作 因此可顺利实现加油机的整个运转过程 与传统的8 0 5 1 相比 d w 8 0 5 1 不仅继承了其寻址结构和指令集 而且又做了 进一步的改进 具体的 主要包括以下几个方面 1 兼容工业标准的8 0 3 x 8 0 5 x 支持1 1 1 条汇编指令 在二进制级与m c s 5 1 完全兼容 全双工的串口 9 山东大学硕士学位论文 t i m e r 和i o 控制信号都保持兼容 2 高速的体系结构 每一个指令周期中包含4 个振荡周期 提供双数据指针 工作频率分别可以达到6 0 m h z 0 3 5 微米工艺下 1 0 0m h z 0 2 5 微米工艺下 1 6 6m n z 0 1 8 微米工艺下 平均指令执行时间是标 准m c s 5 1 的2 5 倍 减少了总线的访问时间 3 双数据指针 4 参数化的内部r a m 地址范围 可根据需要进行配置 5 参数化的内部r o m 地址范围 可根据需要进行配置 6 通过s f r 总线 容易集成用户定义的外围接口 7 增强的1 6 位存储器寻址接口一 一 一 8 针对不同的r a m 支持可变指令周期长度的m o v x 指令 1 0 9 全静态同步设计 一 1 0 支持工业标准的软件编译器 汇编器 调试器 仿真器 8 9 图4d w 8 0 5 1 结构框图 阻 n t ow t t ta t t d l n d li n r l t i 玳o r 憎口仨 p o 二嘲竹i n m i e l k p o r 薯j n i r o 吐 t 恼j d i ef 础 警 啊 t 一 墨 卉 畦州喇 山东大学硕士学位论文 i i i ii i i f e t r ei m e d a l b l d e s i g n w 册 0 s 3 0 c 3 2 0d w 8 0 5 i 8 0 3 1 0 5 1 8 0 e 3 28 0 e 5 2 c i o c k jp e r1 21 21 21 24 4 n i t r u u o ac y t i e l n 协r n 鲥r o mf 1 4 k b8 k 日 u p 协6 4 k b i n t e r f 值ir a m 1 1 2 8 鹕1 2 8b y 恒s2 5 6 b 冲翳2 5 bb 一鲒 2 s 6 姊恒5 1 2 8 嘞她so r 2 5 6 嘞t e 5 0 a t ap o i n t e r slll122 s e r i a lp o r t slll12 o z o r 2 1 6 b i tt i m e r s223 32 0 r3 r t e r r u p tso l i 咖 s5 s66 1 3 6 种1 3 t o t a io fj n t a n de x t 3 0 批hm e r m 憎c 弘i e n on o n o y 缸 y 郎 图5d w s 0 5 1 与普通8 0 3 x 8 0 5 x 的对比一 图6d w 8 0 5 1 与标准8 0 5 1 性能的比较 这里需要特别注意的是 对d w 8 0 5 1 中的特殊功能寄存器资源要合理分配使 用 在d w 8 0 5 1 中 特殊功能寄存器 s f r 的使用非常关键 其共有1 2 8 个特殊 功能寄存器 核内部本身已经占用了3 4 个 外部还有9 4 个可以应用 在这9 4 个特殊功能寄存器中 可以位寻址的有4 个 其余的都必须通过直接寻址来访问 山东大学硕士学位论文 s f ra d d r e s s u s a g e 8 0 h n o tp r e s e n ti nd w 9 0 5 l c o r e a v a i l a b l ef o re x t e n m ls r gp m p h e r 蛆 8 8 ht c o n 9 蚀n o tp r e s e n zi nd w 6 0 0 51c o r e a v a i l a b l ef o ra 日a m k a ls f rp e r i p h e 髓l 9 娩s c o n 0w h e nt h es e r i a lp a f a m e t e i i s1o r2 n o tp r e s e n tw h e ns e r i a l 0 a 0 hn o tp r e s e n ti nd w 8 0 5l c o r e a v a i l a b l ef o r a e t a a ls f rp m p u e n l 腑 i e b 0 hn o tp r e s e n ti nd w s 0 5 l c o r e a v a i l a b l ef o re x t e r n a ls f l lp e i j p h b 陆m a 嘶s c o n l w h e ns e r i a l 2 n o t 删w h e ns e r i a l 0 0 r 1 c 啦t 2 c o nw h e nt a r t e r 2 一l n o tp r e s e n tw h e nt i m e r 2 0 d o hp s w d 铀 c o n e 蚀 a c c e 娩e i ew h e ne x t d i n t r l n o tp r e s e n tw h e n 攫u l i m r 0 f o h b f 髓e i pw h e ne m d m l r l n o tp r e s e a tw h e ne x t d i a t r 0 图7 可位寻址的特殊功能寄存器 针对这一资源情况 本项目根据系统实际特点对各个寄存器进行了相应的分 配 对9 3 h 9 4 h 9 c h 9 d h 9 e h 9 f h 进行直接寻址 对8 0 h 9 0 h a o h b o h 进行位寻址 从而保证了1 2 c 模块和外部接口模块对特殊功能寄存器的使用需求 通过s f r 总线访问这些特殊功能寄存器 d w 8 0 5 1 核可以有效地与外部各种设备 进行数据的输入和输出 从而实现对整个加油机工作过程的控制功能 2 3 2 存储模块 本系统的存储模块主要包括r a m 和r o m 两大部分 1 r a m 本系统中 r a m 分成内部r a m 2 5 6 字节 和外部r a m 5 1 2 字节 两 块 用于存储程序运行过程中相关的各种数据 2 r o m 本系统中 r o m 大小为3 2 k 字节 用于存储加油机系统的运行程序 1 0 1 q 1 2 山东大学硕士学位论文 p r o r a mm e m o r y d a t am e m o r y f f h 8 0 n 7 f h o 饷 i r i t e m a ir a m 图8 存储器 r o m r a m 映射情况 2 3 3 时钟模块 本项目中的时钟模块是通过采用门级电路搭建的方式生成的 时钟输入频率 为1 2m h z 1 2 1 时钟的输出采用寄存器 从而可以有效保证时序 避免了毛刺的 出现 外部输入 时钟信号 1 2 m h z h h 1 4 倍分频电路 一1 倍锌蛹山欧 l 二l 口 j9 然 乜厢 l 倍分频电路 4 分频时钟信号 1 2 分频时钟信号 1 分频时钟信号 图9 时钟模块示意图 2 3 4 复位模块 本项目中的复位模块也是通过采用门级电路搭建的方式生成的 根据是否需要时钟有效沿到达才能起作用 目前的复位策略主要分为两种 同步复位和异步复位 同步复位 当时钟有效沿到达时 方可复位 其主要优点是时序性强 可以避免复位毛刺的产生 而缺点是需要时钟 在某些场合会带来不便 并且如果采用同步复位的策略 复位将成为路径中组合逻辑的一部分 山东大学硕士学位论文 由于其负载一般比较大 设计中寄存器数目较多 因此会使复位树的 延迟增加 从而导致系统时序性能的降低 异步复位 时钟有效沿未到达时 即可复位 其主要优点是不需要时钟 且复位延时不会影响到路径延时 缺点是复位上的毛刺不能被由他复位 的寄存器过滤 必须采用一定的方法予以消除 复位无效沿与时钟之间 还存在时序的要求 r e c o v e r y r e m o v a l 同步复位和异步复位各有优缺点 经综合考虑 在本系统中 将通过使用同 步器 将二者的优点结合起来f d 以取得最好的效果 其结构如下图所示 图1 0 复位同步器 2 3 5 外部接口模块 该模块主要是采用了集成处理的思想 将各种外部设备 包括电机 电阀 电锁 油枪 喇叭 l c d 键盘 税控芯片等 的接口集成到一个模块中 统一 完成了d w 8 0 5 1 和各种外部设备的数据交换 数据交换主要分为以下两个方向 d w 8 0 5 1 向外部设备传送数据 来自于d w 8 0 5 1 中的数据 被放在s f r 总线 上 经过本模块内部的输出锁存和逻辑操作 被发送n d w 8 0 5 地址总线 所指定的外部设备中 d w 8 0 5 1 为每个外部设备都分配了唯一的地址 从而完成了d w 8 0 5 1 向外部设备数据的传送 外部设备向d w 8 0 5 1 传送数据 d w 8 0 5 1 通过其地址总线指定从某外部设备 中读取数据 于是 来自于该外部设备的数据 经过本模块内部的输入 缓冲等操作处理 被放至 u s f r 总线上 进而传输至i j d w 8 0 5 1 中 完成了外 部设备向d w 8 0 5 1 的数据传送 1 4 山东大学硕士学位论文 本模块具体包含以下子模块 1 缓冲与锁存模块 主要是完以下两个功能 对来自于d w s 0 5 1 中的数据进行锁存 再根据d w 8 0 5 1 核的指令 将数据发 送到相应的外部设备中去 对来自于外部设备的数据进行缓冲 再根据d w 8 0 5 1 核的指令 将数据接 收n o w 8 0 5 1 数据总线上 进而传输至u d w s 0 5 1 中去 2 写保护控制模块 本模块是将d w s 0 5 1 送来的信号经过 与或 操作 转换为外部2 4 c 0 1 1 4 芯 片和2 4 c 0 2 1 5 芯片的写保护信号输出 从而根据d w 8 0 5 1 核的要求 对外部存储 器进行写保护 具体实现如下图所示 图1 1写保护控制模块框图 3 电机电阀控制模块 本模块主要是产生电机和电阀的控制信号 以实现电机的启动 停止 电阀 的打开 关闭 从而实现加油机的加油操作 4 报税模块 报税模块是d w 8 0 5 1 核与外部税控芯片之间进行数据交换的控制电路 可将 加油机每次加油的量通过该模块传输到税控芯片中 从而使税控芯片得到所需缴 纳的加油税额 方便了税务人员对加油机市场税收工作的管理 杜绝了不法分子 偷税漏税的行为 维护了国家财政税收的安全 1 6 1 5 看门狗模块 本系统中 看门狗模块主要是用来解决系统电路因电磁干扰等因素而造成的 程序 跑飞 系统失控等问题 看门狗模块是一个由外部时钟 系统时钟 触 发的计时器 该计时器对时钟脉冲进行计数 当计时溢出时将产生看门狗中断信 号和复位输出信号来重启整个系统 系统时钟的频率为1 2 m h z 分频器为2 4 位 1 5 山东大学硕士学位论文 产生的定时周期大约为1 4 秒 1 7 1 看门狗模块接口图如下图所示 时钟信号 复位输出信号 喂狗 信号 看门狗 中断输出信号 使能信号 图1 2 看门狗模块 注意事项 1 系统正常工作时 在计数器溢出之前就要对看门狗模块进行 喂 食 否则会产生中断和复位信号 2 看门狗模块工作时使能信号应一直保持高电平 3 在中断信号有效期间可以在中断程序里保存所需的重要数据 2 3 61 2 c 模块 在现代的电子设计中 a s i c 芯片与外部其他设备的数据交换变得越来越为 重要 对此 为了简化电路的设计 p h i l i p s 公司专门开发了双向两线串行总线 1 2 c i n t e 卜i n t e g r a t e dc i r c u i tb u s 该总线遵循i 协议 此协议作为 一个串行总线标准 尽管与并行总线相比 数据处理能力稍低 但它的以下特点 使得并行总线望尘莫及 只需要两条总线 串行数据线s d a 和串行时钟线s c l 每个连接到总线的器件都有唯一的地址 主节点可以发送数据或接收数 据 1 2 c 是真正的多主总线 当两个或更多的主节点同时初始化数据传输时 可以通过冲突检测和仲裁机制防止数据被破坏 串行的8 位双向数据传输位速率在标准模式下可达l o o k b i t s 快速模 式下可达4 0 0 k b i t s 高速模式下可达3 4 m b i t s 1 2 c 接口可以产生中断标识 与d w 8 0 5 1i p 核的s f r 总线接口兼容 可以很方便的和d w 8 0 5 1 核集成 1 6 山东大学硕士学位论文 到一个系统中 连接到相同总线的器件数量只受到总线最大电容的限制 1 2 c 总线结构上的特点保证了其应用时的简洁性 另