MVBCY 芯片研制

王 鋒，陳玉飛

（中車大連電力牽引研發中心有限公司， 遼寧大連116052）

多功能車輛總線（MVB）是主流列車控制網絡，其具有實時性強、可靠性高等特點。搭建MVB網絡系統需要以MVB 協議控制芯片為基礎。

目前市場上使用的專用MVB 協議控制芯片主要由國外公司提供。國內有數家廠商研制出了以FPGA 為基礎的MVB 板卡或設備，并已經有大規模的成熟應用。

中車大連電力牽引研發中心有限公司于2008年研制出了自主的MVB IP 核，采用FPGA 芯片寫入自主MVB IP 核的方式實現MVB 設備。裝載自主MVB IP 核的FPGA 芯片已經裝車應用30 000 多片。2018 年，將自主研制的MVB IP 核進行芯片化，完成了MVBCY 的流片。

1 MVBCY 的技術參數

MVBCY 芯片在設計上滿足IEC 61375-3-1、IEC 61375-3-2 標準規定的要求，芯片的總體技術參數如下［1-2］：

（1）MVB 數據傳輸服從曼徹斯特編碼，數據速率1.5 Mb/s；

（2）基本周期（過程+監控+消息+保護相）時間1.0 ms；

（3）傳輸介質：EMD 或ESD；

（4）數據完整性：每64 位數據有8 位CRC 校驗，漢明距離=8；

（5）過程數據：可尋址端口4 095 個；

（6）消息數據：可緩沖消息包個數：收發隊列各256 個；

（7）監視數據：全網掃描；

（8）支持MVB：1～4 類設備功能、以及不帶CPU 的MVB 1 類設備功能；

（9）引腳封裝：QFP144；

（10）工作溫度：-40℃～85℃；

（11）晶振頻率：24 MHz。

2 設計方案

2.1 研制流程

MVBCY 芯片研制流程如圖1 所示，設計包含前端設計、后端設計、芯片加工、芯片集成、產品制造和批量流片。前端設計主要是寄存器傳輸級RTL 設計，實現MVB 協議功能，設計完成后進行前端功能性仿真驗證，所有功能驗證正確后才能進行下一步；后端設計主要是對前端設計的RTL代碼進行綜合、約束、布局和布線，然后進行門電路驗證以及靜態時序分析，其中靜態時序分析包括綜合后的時序分析和布局布線后的時序分析，對所有可能的路徑進行檢查，不存在遺漏關鍵路徑的問題，同時要驗證保持建立時間，時鐘脈沖寬度測試，組合反饋電路測試等，驗證通過后生產GDS 版圖，用于芯片加工；芯片加工主要是按照流片工藝要求，對GDS 版圖進行樣片流片，然后封裝成特定結構外形的芯片；芯片集成是通過硬件設計將芯片集成到測試電路板上，然后進行測試軟件的設計和聯調，測試通過后認為芯片的功能是正確的；產品制造是對芯片進行產品設計并進行產品的特定測試，包括一致性測試和型式試驗，通過測試后，芯片的性能達到應用要求，方可對芯片進行批量投產流片。

圖1 芯片設計流程

2.2 前端設計

2.2.1 功能結構

MVBCY 芯片功能結構如圖2 所示，包括如下功能模塊：用于實現幀發送的編碼器發送模塊；用于實現幀接收及幀的錯誤檢測的譯碼器接收模塊；用于與應用處理器之間通信的用戶接口模塊；用于總線控制的內部總線模塊；用于完成不帶CPU 單獨數據通信邏輯的1 類設備模塊；用于實現中斷控制的中斷控制模塊；整個芯片的主控制模塊。

前端設計在前期以FPGA 為基礎的MVB 板卡設計中已經基本完成，但為了實現流片，需要對前端設計進行部分更新以適應流片需要。

（1）對原有自主設計的MVB 4 類設備網卡進行了更新，補充原來沒有實現的部分功能，使得MVBCY 芯片能夠適應更多的客戶需求。包括：消息數據通信功能（包括消息主、從設備功能）；ESD、EMD 接口可配置功能等。

（2）將原來調用的FPGA 內部FIFO 和BUF 的IP 核轉換為純VHDL 代碼，這樣，MVB 4 類設備的所有設計都轉為VHDL 代碼實現。另外，將inout類型的IO 引腳分為in 和out 兩個引腳，調用SMIC IO 庫 實 現IO 引 腳。

2.2.2 功能仿真

在前端設計中，要貫穿始終地驗證所設計完成的功能在設計中已正確實現，不同模塊和層次的設計結果是否滿足要求。該階段的驗證工作主要就是尋找到設計的漏洞，驗證得越全面，修改的漏洞越多，那么后續修改成本和時間就會越少。通過設計不同的輸入激勵或者測試向量施加到設計模型上，使其工作運行，并觀察模型的響應，是否與預期設計相符合。部分仿真測試用例內容見表1，前端功能驗證如圖3 所示。

圖2 MVBCY 協議芯片功能框圖

表1 仿真測試用例

圖3 前端功能驗證

2.3 后端設計

后端設計包含了綜合、布局布線、仿真驗證、功耗分析和物理驗證，如圖4 所示。綜合是使用EDA工具將設計從RTL 轉換為邏輯門級，以此決定電路門級結構、尋求時序、面積、功耗的平衡，增強電路的可測性；布局布線是根據綜合階段產生的門級網表決定內核單元、宏模塊等電路部件位于版圖平面的位置，并給出連接這些單元、宏模塊和引腳的一組連線；仿真驗證主要是時序仿真，這里區別于前端設計的功能仿真，此階段的仿真包括綜合后的路徑檢查和布局布線后信號建立、保持時間最壞情況下的檢查；功耗分析是根據約束文件要求分析電路動靜態壓降和電子遷移情況；物理版圖驗證主要是針對設計規則進行檢查和驗證版圖實現的功能和網表描述的是否一致。后端設計完成后生成的GDS 文件用于芯片流片加工。

2.4 芯片加工

芯片加工由代工廠加工制造，代工廠按照設計提供的GDS 文件，將版圖數據定義的圖形固化到掩模上。一張掩模一方面對應于版圖設計中的一層的圖形，另一方面對應于芯片制作中的一道或多道工藝。在一張張掩模的參與下，工藝工程師完成芯片的流水式加工，將版圖數據定義的圖形最終有序的固化到芯片上。芯片加工工藝要求見表2。

封裝后要進行封裝測試，在IC 測試機上給芯片輸入電壓和激勵，對每顆芯片進行篩選，完成電氣參數和基本功能的測試。

2.5 系統集成與測試

基于流片后的MVBCY 芯片進行外圍電路設計，基于設備級的硬件平臺，完成軟件和硬件協同驗證、MVB 設備接口一致性測試，驗證結果滿足標準要求。驗證平臺如圖5 所示，驗證的功能見表3。

基于MVBCY 芯片設計的電路板集成于中央控制單元產品，根據IEC 61375-3-2 標準，在MVB一致性測試平臺進行了一致性測試，包括物理層測試和性能測試，所有測試項點均通過，見表4。

基于MVBCY 芯片設計的電路板集成于中央控制單元產品，根據GB/T 25119 標準進行了產品的型式試驗，所有測試項點均通過，見表5。

完成上述測試后，對MVBCY 芯片進行了裝車驗證，驗證結果表明MVBCY 芯片滿足應用的要求。

圖4 后端設計流程

表2 芯片工藝要求

圖5 集成測試驗證平臺

表3 驗證功能項點

3 結 論

介紹了MVBCY 芯片的研制過程，著重討論了芯片的功能設計原理、設計流程、測試和驗證方法，并介紹了芯片的總體技術參數。設計的MVBCY 芯片滿足IEC 61375-3-1 和IEC 62375-3-2 標準要求，實現了芯片的國產化自主研制。MVBCY 芯片已經在機車、地鐵列車上裝車應用，運行穩定可靠。

表4 一致性測試項點

表5 型式試驗項點