“VLSI設計技術”課程綜合實驗教學探索

陳海進

(南通大學江蘇省專用集成電路設計重點實驗室,江蘇南通 226019）

“VLSI設計技術”課程綜合實驗教學探索

陳海進

(南通大學江蘇省專用集成電路設計重點實驗室,江蘇南通 226019）

本文探索了“V LSI設計技術”課程的綜合實驗教學。該課程的實驗項目應用了一款電機控制專用集成電路,并由FPGA器件實現。實驗內容包含了VLSI設計中的主要電路模塊和常用技術。實驗提供了自動測試設備(ATE)和電機實驗平臺兩種驗證方式供學生自主選擇,可以改善學生的學習效果。

V LSI;電機控制;專用集成電路

“VLSI設計技術”課程以大規模數字集成電路與系統的設計為主線,通過分析數字系統設計所需的基本模塊和基本技術,達到掌握VLSI系統設計方法的目的。學生籍此可以掌握VLSI系統設計的基本方法,能根據具體應用的要求設計相應的數字系統。

如果在課程中的關鍵內容設置小實驗,由于缺少面向實際應用的綜合實驗項目鍛煉,學生無法掌握綜合運用所學知識設計V LSI系統的能力。

為此,筆者嘗試對該課程的教學計劃進行了改進:壓縮部分理論教學和分散實驗的學時,增加一個綜合實驗設計項目。該實驗項目需要應用到的知識和技能涉及到“VLSI設計技術”的主要內容。可見本項目是在學完該門課程后的一個綜合訓練,為未來從事相關設計工作打下堅實的基礎。

1 綜合實驗項目設置

構成VLSI系統的常見部件有加法器、乘法器、FIFO移位寄存器、狀態機和串行接口等[1],綜合實驗項目的選擇應能覆蓋上述內容。根據此要求,我們選擇綜合實驗的內容為設計一款電機控制專用集成電路[2]開關磁阻電機(SR電機)控制專用集成電路,這是專用集成電路的一個重要分支。

1.1 SR電機基本原理

開關磁阻電機具有結構簡單堅固、效率高和調速范圍寬等優點,有利于節能降耗,它在航天器、風力發電和壓縮機等許多領域具有廣闊的應用前景[3]。典型的三相6/4極SR電機原理如圖1所示,為簡單計,圖中只畫出了A相繞組。SR電機的運行遵循磁阻最小原理。當定子B-B'極勵磁時,所產生的磁力將力圖使轉子逆時針旋轉,使轉子極軸線2-2'與定子極軸線B-B'重合,并使B相勵磁繞組的電感最大。同理,若對圖中定子C-C'極勵磁,轉子將順時針旋轉到軸線2-2'與軸線C-C'重合的位置。對控制芯片的基本要求即為根據當前轉子位置,發出合適的控制信號給電子開關,使得電機按控制要求運行。

圖1 三相6/4極SR電機原理示意圖

SR電機的可控變量多,控制靈活,基本運行方式有角度位置控制(APC)、電流斬波控制(CCC)和電壓PWM控制等類型。圖2給出了APC方式下SR電機主要控制變量關系的典型波形。圖中L、θ、u和i分別是與一相繞組相對應的電感、轉子位置、電壓和電流,θu和θa分別不對齊位置和對齊位置,θon和θoff分別是開通角和關斷角。為使電機運行達到較高的效率,要求 θon和θoff能動態調節。在電流超過給定值時,控制芯片應能夠發出關斷信號以限制電流的幅值,對應于CCC方式。電流也可通過設定PWM波的方式進行調節,稱為電壓PWM控制。

圖2 描述SR電機主要控制變量關系的典型波形

1.2 控制專用集成電路功能定義

實驗要求的控制對象為一臺三相12/8極SR電機,額定轉速3200rpm[4]。定義控制專用集成電路芯片有如下主要功能。

(1)SPI通訊接口

芯片通過SPI接口接收所有的控制參數,并返回位置信號周期、電機轉速及故障狀態等信息。SPI接口工作于從設備方式。

(2)控制信號計算

其要求是根據輸入的位置信號和控制變量進行計算,產生開關信號給功率變換器。可調變量包括開關角度θon和θoff,觸發邊沿設置,PWM 占空比和頻率等。

芯片可控制SR電機運行于APC方式、CCC方式或電壓PWM方式。對于APC方式,芯片直接根據位置信號和開關角度計算控制信號;對于CCC方式,芯片根據輸入的斬波信號結合開關角度和斬波方式等的設定計算輸出控制信號;對于電壓PWM方式,電壓調節通過修改PWM占空比進行。

(3)狀態檢測和返回

芯片通過對位置信號的處理,計算得到位置信號周期、電機轉速和位置傳感器故障狀態等信息,并通過SPI接口返回給微處理器。

1.3 實驗驗證環境

考慮到實驗課程的性質,我們選用了FPGA器件實現所設計的電路,選用的型號為A ltera公司的Cyclone系列EP1C3芯片,并預先制作了相應的PCB電路板。該板具有器件的下載、配置和時鐘產生等功能,輸入輸出引腳與標準DIP封裝相一致,相當于一個獨立的專用集成電路用于實驗。

我們在實驗前向學生提供測試向量文件,要求學生所設計的芯片代碼在仿真平臺上通過測試向量的測試后,才可進入FPGA驗證階段。兩種FPGA驗證環境,可供學生根據自己的興趣選用。一種是使用自動測試設備(ATE)驗證,ATE使用國產數模混合集成電路測試系統3196D;另一種是使用電機實驗平臺驗證,實驗平臺自行研制,將編程后的FPGA板插入控制器,若設計正確,則可以即時觀察到其控制電機的效果。

2 實驗教學

2.1 實驗準備

在實驗前,我們給出控制芯片的設計要求(功能定義),學生按設計要求首先撰寫設計規范,然后根據設計規范,使用硬件描述語言(HDL)設計相應代碼,進行仿真和驗證。

2.2 設計規范參考

設計規范主要包括芯片的功能定義、I/O接口、系統結構設計和主要模塊的內部結構設計等內容。學生需要綜合運用所學知識,根據功能要求設計出對應電路結構,并要通過分析和計算,確定電路內部的設計參數,如加法器和乘法器的位寬和延時要求、FIFO字寬和深度等。限于篇幅,這里僅給出供學生參考的系統結構框圖,如圖3所示。其主要功能模塊包括周期計數及缺相檢測、FIFO、位置─相位映像、PWM 、SPI和三相輸出控制等[5]。

圖3 控制專用集成電路整體結構

2.3 實驗結果

鑒于設計規范文檔在VLSI系統設計中的重要性,在學生完成設計規范文檔后,教師應首先對其進行評閱。隨后進入代碼設計環節,使用 HDL語言依據設計文檔編寫相應代碼。代碼設計的正確性首先通過預先提供的測試向量進行仿真驗證,若通過便可進入下一實驗步驟。

仿真通過后,將設計下載到FPGA,并根據學生的選擇分別進行ATE測試驗證或電機實驗平臺驗證。

學生在ATE測試驗證時,首先要將測試向量轉化成ATE所能識別的格式;其次,將FPGA與ATE連接,操作ATE控制臺進行相關設置就可以對FPGA的功能進行測試了,控制臺將實時顯示測試結果,如圖4所示。

對于電機實驗平臺驗證,需要將下載了程序的FPGA板接入SR電機實驗平臺,通電即可觀察到其控制電機運行的情況。限于篇幅,這里僅給出CCC方式下的轉子位置、控制信號和繞組電流的實測波形,如圖5所示。圖中通道1和3分別對應于控制一相繞組的兩個功率管(相當于圖1中的S1和S2)的驅動信號。由圖可見,本實驗實現了在兩個功率管上輪流斬波,有利于均衡兩個功率管的壽命。

圖4 使用自動測試設備A TE測試結果

圖5 電流斬波控制CCC方式實測波形

3 結語

針對當前“VLSI設計技術”課程教學中存在的不足,對其綜合實驗教學進行了初步探索,以適合應用型人才的培養要求。實驗提供了A TE測試驗證和電機實驗平臺驗證兩種方式供學生自主選擇,有利于增強學生的感性認識,激發其學習興趣。綜合實驗項目的設置注重培養學生綜合運用所學知識,按具體應用要求設計相應專用集成電路的能力,為學生未來就業打下了較好的基礎。

[1] Rabaey JM,Chandrakasan A,Nikolic B.Digital Integrated Circuits-A Design Perspective(Second Edition)[M].北京:清華大學出版社(影印本),2004

[2] 譚建成主編.電機控制專用集成電路[M].北京:機械工業出版社,1997

[3] V ijayakumar K,Karthikeyan R,Paramasivam S et al.Switched reluctancemotormodeling,design,simulation,and analy sis:a com prehensive review[J].IEEE T ransactions on magnetics,2008,44(12):4605-4617

[4] Chen H J,Jiang DQ,Yang J,et al.A new analyticalmodel for switched reluctance m otors[J].IEEE T ransactions on Magnetics,2009,45(8):3107-3113

[5] 陳海進,蔣冬青,孫思兵.高速開關磁阻電機數字控制器設計與FPGA驗證[J].西安:微電機,2007,40(8):49-53

Exploration of the Synthetic Experiment of VLSIDesign Course

CHEN Hai-jin

(Jiangsu P rovince K ey Lab.o f ASIC Design,Nantong University,Nantong 226019,Ch ina)

The synthetic experiment of VLSIdesign course isexp lored.The aim of the synthetic experiment is to design an ASIC which is imp lem ented w ith FPGA for motor contro l.Most of the im portant circuit modules and commonly used techniques for VLSI design are included in the experiments.Two kinds of apparatuses,which are automatic testequipment andm otor control platform,are provided for the students to select independently for the experiment.The students'study interests and study effect are imp roved.

V LSI;motor control;ASIC

TN 407

A

1008-0686(2011)02-0071-03

2010-08-23;

2010-11-26

陳海進(1972-),男,博士,副教授,主要從事電機控制、VLSI設計的教學與科研工作,E-m ail:chen.hj@ntu.edu.cn