具有學習功能的遙控機器人編碼芯片的ASIC設計

王小華，唐寧，周松青，殷嚴剛

(1.廣西師范大學，廣西桂林541004；2.桂林電子科技大學廣西桂林541004；3.解放軍63655部隊，新疆烏魯木齊841700)

ASIC是根據某一特定用戶要求和特定電子系統的需要而設計、制造的集成電路。ASIC按照設計方法的不同可分為全定制ASIC，半定制ASIC和可編程ASIC(也稱為可編程邏輯器件)。本文所設計的遙控機器人編碼芯片是全定制ASIC芯片，先要定義編碼芯片上所有晶體管的幾何圖形和工藝規則，最后將設計結果交由IC廠家掩膜制造完成[1][2]。設計的編碼ASIC提高了遙控機器人的性能，由于采用了脈沖寬度調制技術(PWM)，解決了同類芯片電路中的碼間干擾，增強了系統工作的穩定性，提高了安全性[3][4]。該芯片采用N阱0.5 μm硅柵工藝，采用手工雙層金屬布線，工藝成熟、穩定可靠，芯片的面積利用率高、速度快、功耗低。

1 芯片功能定義

在無線遙控系統領域里，編碼芯片和解碼芯片分別完成信號的功能編碼和解碼，并驅動相應的控制功能。本文設計的遙控機器人編碼芯片管腳應用分布如圖1所示。設計的編碼芯片需完成地址碼學習請求和相應的8個控制功能的編碼和發送，當STUDY鍵按下時，編碼芯片輸出端(DO)迅速發送地址碼學習請求信號，當STUDY松開時，且有控制功能鍵按下時，編碼芯片輸出端(DO)就會發送對應的8 bit控制功能請求信號，這8個控制功能信號包括:向前(FORWARD)、向后(BACKWARD)、加速(TURBO)、向右(RIGHT)、向左(LEFT)、附加功能1(FUNCTION1)、附加功能2(FUNCTION2)、附加功能3(FUNCTION3)。FORWARD、BACKWARD、TURBO、RIGHT、LEFT控制解碼芯片所屬載體的基本控制動作，附加功能1～附加功能3可以用作功能拓展，例如機器人的前后燈亮滅控制，輪子自動收起等，相應可以擴展出多種實際應用。基于以上基本設想可確定芯片應具有的基本輸入輸出:1個清零控制端RESET；1個地址碼學習請求輸入STUDY，用于地址碼學習功能請求，相對于其他請求功能，它具有最高優先權。8個控制功能輸入:向前(FORWARD)、向后(BACKWARD)、加速(TURBO)、向右(RIGHT)、向左(LEFT)、附加功能1(FUNCTION1)、附加功能2(FUNCTION2)、附加功能3(FUNCTION3)，用以確定控制功能信號；1個工作狀態輸出端LO，外接一個發光管用于表示編碼芯片是否處于工作狀態；1個幀信號發送端DO；另外內部振蕩電路需要外接大電阻，需要設置振蕩輸入和輸出管腳OSCI、OSCO用于外接大阻值電阻，或接可變電阻，用來進行系統頻率的調節；電源VDD，地VSS，確定以后的遙控編碼芯片外部管腳及對應功能見表1。

表1 編碼芯片外部管腳及對應功能

2 信號的幀結構

遙控機器人編碼芯片的幀結構如圖2所示，它由同步碼、16位地址碼、2位狀態碼、8位功能碼、奇偶校驗碼及結束位32個碼元構成，設計中的基帶碼型以脈沖寬度調制(PWM)技術采用占空比3/4的矩形脈沖表示“1”，占空比1/4的矩形脈沖表示“0”(圖3)。幀同步碼是一個幀周期信號的標志，幀同步位為“1110”；幀結構中有16位地址位，在地址碼學習的過程中，編碼芯片向解碼芯片發送具有地址碼學習請求功能信號，其中有16位地址碼為編碼芯片所要求解碼芯片學習的地址碼[5]。當地址碼學習成功后，編碼芯片向解碼芯片發送具有控制功能的請求信號，其中的16位地址碼必須與解碼芯片學習后的地址碼進行判斷，如果相同，就進行相應的控制功能驅動，否則將此控制功能請求信號作無效信號處理。狀態位X1，X2分別為“01”和“11”時表示地址碼學習請求和控制功能驅動請求。幀結構中設置的功能位對應遙控機器人的8個控制功能:向前(FORWARD)、向后(BACKWARD)、加速(TURBO)、向右(RIGHT)、向左(LEFT)、附加功能1(FUNCTION1)、附加功能2(FUNCTION2)、附加功能3(FUNCTION3)，并按照以上順序排列。另外，當狀態為地址碼學習請求時，該8位功能碼必須全為零。當狀態為控制功能請求時，功能碼自身必須具有一定的互斥性。例如，控制功能不能出現同時向左向右或同時向前向后，如果出現這種情況，則認為出現編碼出錯，解碼部分將會丟棄該幀，這是符合實際情況的。因此在解碼芯片電路設計中，分別增加了地址碼學習時功能數據檢測位電路和控制功能驅動時功能數據檢測電路。奇偶校驗位采用偶校驗方式，對功能數據位進行校驗，當功能數據位出現偶數個有效位(高電位“1”)時，校驗位為低電位“0”；當功能數據位出現奇數個有效位時，校驗位為高電平“1”，奇偶校驗位為幀中第31位。結束位為一位高電位“1”，表示一幀的結束，未檢測到結束位時同樣丟棄該幀。

3 編碼芯片設計

遙控機器人編碼芯片由振蕩電路、時序產生電路、按鍵防抖動電路、上電復位電路(包含移位計數和狀態機電路、控制功能信號的鎖存電路、地址碼學習請求信號輸出電路、控制功能請求輸出電路)、位同步輸出電路等模塊構成。編碼系統框圖如圖4所示。編碼芯片模塊主要有兩大功能，功能一:發送地址碼請求信號，為了使編碼芯片與相應的解碼芯片形成一一對稱的地址碼學習關系，首先保證解碼芯片是在地址碼學習允許的情況下(SRC按下)，然后按下地址碼學習請求按鍵STUDY，編碼芯片輸出端DO就會輸出地址學習請求功能的32幀周期信號“11101010101010101010010000000001”的編碼信號“1110-1110-1110-1000-1110-1000-1110-1000-1110-1000-1110-1000-1110-1000-1110-1000-1110-1000-1110-1000-1000-1110-1000-1000-1000-1000-1000-1000-1000-1000-1000-1110”，解碼芯片接收到請求信號后進行解碼，然后進行檢測和判斷，再進行地址碼學習，將解碼芯片的16位地址鎖存器固定為“1010101010101010”。功能二:地址碼學習成功之后，分別松開SRC和STUDY按鍵，根據需要輸入8位控制功能信號，編碼芯片將功能控制幀周期信號進行編碼，然后再輸出，發送給解碼芯片，解碼芯片再進行解碼驅動相應的控制功能。如果無任何輸入狀態，編碼芯片輸出零信號的編碼信號。其整個流程如圖5所示。最后編碼系統完成由地址碼學習請求和控制功能請求信號的編碼發送。

4 各模塊電路設計和功能仿真

根據遙控機器人編碼模塊總體設計框圖，在Quartus II環境下，使用硬件描述語言Verilog-HDL及原理圖對整個編碼系統各模塊進行行為級描述，最后通過Synplify軟件對硬件描述語言Verilog-HDL進行綜合，得到門級電路。圖6為編碼系統的核心頂層模塊組合，其中fangdd為按鍵輸入信號防抖動模塊，clk_div128k為分頻模塊，為系統提供頻率為2 kHz的時鐘；fenpin_count是四進制加法計數器和clk_2k的四分頻模塊；send1是請求信號的位同步模塊，其同步頻率為512 Hz，位同步信號以幀周期形式輸出,code1_4是幀周期信號的碼元編碼模塊,將原代碼編碼成適合信道中傳輸和接收的基帶信號。

完成編碼芯片各模塊的行為級描述之后，進行功能仿真驗證。首先按下reset鍵復位清零，使芯片中所有的寄存器和鎖存器置零，然后發送一個地址碼學習請求信號(study鍵按下，相對于控制功能請求來說，具有更高的優先級),此時send1模塊判斷信號為地址碼學習請求，然后send1的輸出端輸出具有學習請求功能的幀周期信號“1-1-1-0-1-0-1-0-1-0-1-0-1-0-1-0-1-0-1-0-0-1-0-0-0-0-0-0-0-0-0-1”。其中前4位“1-1-1-0”為幀頭信號；第5位至第20位為發送出去的16位地址碼；第21位和第22位為請求狀態位，“01”表示地址碼學習請求，“11”表示功能控制請求，此時為地址碼學習請求狀態，即為“01”；第23位至第30位為功能數據位，由于此時為地址碼學習請求狀態，故該8位功能數據位為零；第31位為奇偶校驗位，是用于判斷功能數據位的奇偶情況；第32位為結束位，是幀周期結束標志。然后經過code1-4模塊進行碼元編碼輸出，由仿真結果可知相應的碼元為“1110-1110-1110-1000-1110-1000-1110-1000-1110-1000-1110-1000-1110-1000-1110-1000-1110-1000-1110-1000-1000-1110-1000-1000-1000-1000-1000-1000-1000-1000-1000-1110”。隨后在沒有地址碼學習請求時，輸入控制功能信號，輸出的幀周期信號與地址學習請求幀周期相同，不同之處是:其一，地址碼與原來地址學習請求發送的地址碼一模一樣，它是用于與解碼芯片學習后的地址碼進行比較判斷，并不是用于地址碼學習之用；其二，功能數據位是相應的控制功能輸入信號，并非全為零。此仿真過程中，輸入了地址碼學習請求、向右加速前進請求和向左后退請求，輸出端口分別輸出了相應的幀周期信號，達到了設計效果。

5 編碼芯片的硬件驗證

軟件仿真是驗證系統電路設計正確性的第一道保障，但它只是對實際情況的一種軟件模擬，不能替代實際的硬件驗證。在ASIC設計過程中，常常需要對前端設計做FPGA原型驗證來確保設計的實際可行性。本平臺的主控制芯片采用了ATERA公司研發的Cyclone II系列EP2C8Q208N再加上EPCS4配置芯片。在Quartus II中分別將編、解碼芯片的核心電路圖(數字電路)輸入、輸出管腳絆定并進行編譯，生成相應的*.pof文件，部分在可編程邏輯器件中無法實現的模擬電路部分被簡化掉，因為這些改變不會影響整個編解碼方案的功能。另外在下載界面中選擇AS模式(Actice Serial programming)，通過串口下載線，將*.pof文件直接下載到EPCS4芯片中，然后主控制芯片EP2C8Q208C8N將調用配置芯片EPCS4中的軟硬件數據，對整個編解碼電路進行相關的數據處理。系統所需的時鐘信號clk_2KHz、clk_512Hz、clk_128Hz都是由該核心開發板上的晶振提供的50 MHz分頻而來的。為了成功完成編碼芯片的FPGA硬件驗證，先制作10個輸入(RESET、STUDY、FOR-WARD、BACKWARD、TURBO、RIGHT、LEFT、F1、F2、F3)的外圍控制電路，然后將編碼芯片的核心電路下載到目標芯片中。核心開發板上綁定的10個輸入端口分別用導線連接對應的外圍控制電路的10個接口，輸出端(data out)接入示波器(安捷倫公司的存儲示波器:Agilent 1 160 A 600 M)信號輸入接口。先后按下外圍電路地址碼學習請求按鍵study和控制功能請求按鍵(forward、turbo、right)，然后利用示波器分別抓取了地址碼學習請求和“向右加速前進”控制功能請求信號的編碼波形。觀察波形可知，編碼芯片的FPGA驗證系統與編碼芯片的T-spice仿真一樣，都能正確無誤地完成地址碼學習請求功能和控制功能請求功能，證明了編碼芯片電路設計的實際可行性。

6 版圖設計

遙控機器人編碼芯片的版圖設計采用N阱0.5 μm硅柵工藝，其邏輯控制部分的最小線寬為0.5 μm。為了使編碼芯片版圖在面積和性能上最優化，整個版圖設計是調用預先設計好的各單元版圖模塊在taner-pro軟件上通過全手工布局布線的方式完成，大大減小了芯片面積。編碼芯片有16個輸入輸出壓焊塊，MOS管及阻容元件近5 591個，版圖總面積為1.241 mm×0.950 mm。解編碼芯片有22個輸入輸出壓焊塊，MOS管及阻容元件近6 282個，版圖總面積為1.310 mm×0.941 mm。最后對遙控機器人編碼芯片的版圖進行了整體的設計規則檢查(DRC)，同時將版圖萃取的文件(bianma.spc和jiema.spc)與相應原理圖萃取的文件(bianma.sp和jiema.sp)進行LVS(版圖與原理圖的一致性檢查)對比，結果一致[6]。最后提取GDS II文檔。

遙控機器人編碼芯片的研制，提高了集成度，比同類編碼芯片的外接元器件少,適合開發各種低成本遙控報警器及遙控系統。在具體的應用中，只要增強無線射頻有效距離，就可將它移植到遠距離工作的工業遙控操作系統以及遙控作戰機器人、遙控裝甲車和無人駕駛戰斗機中，并具有很好的發展前景。

[1]劉麗華，辛德祿，李本俊.專用集成電路設計方法[M].北京:北京郵電大學出版社，2001.

[2]楊凱，崔炳哲.數字邏輯電路的ASIC設計[M].北京:科學出版社，2004.

[3]肖景和，趙健.無線電遙控組件及其應用電路[M].人民郵電出版社，1997.

[4]何書森.實用遙控電路原理與設計速成[M].福州:福建科學技術出版社，2002.

[5]王小華.具有學習功能的遙控賽車解碼器的ASIC設計[J].北京:航天控制，2009(5).

[6]廖裕評，陸瑞強著.Tanner Pro集成電路設計與布局實戰指導[M].北京:科學出版社，2004.