具有學(xué)習(xí)功能的遙控機(jī)器人編碼芯片的ASIC設(shè)計(jì)

王小華，唐寧，周松青，殷嚴(yán)剛

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

ASIC是根據(jù)某一特定用戶要求和特定電子系統(tǒng)的需要而設(shè)計(jì)、制造的集成電路。ASIC按照設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的遙控機(jī)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(guī)則，最后將設(shè)計(jì)結(jié)果交由IC廠家掩膜制造完成[1][2]。設(shè)計(jì)的編碼ASIC提高了遙控機(jī)器人的性能，由于采用了脈沖寬度調(diào)制技術(shù)(PWM)，解決了同類芯片電路中的碼間干擾，增強(qiáng)了系統(tǒng)工作的穩(wěn)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(wěn)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(wú)線遙控系統(tǒng)領(lǐng)域里，編碼芯片和解碼芯片分別完成信號(hào)的功能編碼和解碼，并驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的控制功能。本文設(shè)計(jì)的遙控機(jī)器人編碼芯片管腳應(yīng)用分布如圖1所示。設(shè)計(jì)的編碼芯片需完成地址碼學(xué)習(xí)請(qǐng)求和相應(yīng)的8個(gè)控制功能的編碼和發(fā)送，當(dāng)STUDY鍵按下時(shí)，編碼芯片輸出端(DO)迅速發(fā)送地址碼學(xué)習(xí)請(qǐng)求信號(hào)，當(dāng)STUDY松開(kāi)時(shí)，且有控制功能鍵按下時(shí)，編碼芯片輸出端(DO)就會(huì)發(fā)送對(duì)應(yīng)的8 bit控制功能請(qǐng)求信號(hào)，這8個(gè)控制功能信號(hào)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(dòng)作，附加功能1～附加功能3可以用作功能拓展，例如機(jī)器人的前后燈亮滅控制，輪子自動(dòng)收起等，相應(yīng)可以擴(kuò)展出多種實(shí)際應(yīng)用?；谝陨匣驹O(shè)想可確定芯片應(yīng)具有的基本輸入輸出:1個(gè)清零控制端RESET；1個(gè)地址碼學(xué)習(xí)請(qǐng)求輸入STUDY，用于地址碼學(xué)習(xí)功能請(qǐng)求，相對(duì)于其他請(qǐng)求功能，它具有最高優(yōu)先權(quán)。8個(gè)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(hào)；1個(gè)工作狀態(tài)輸出端LO，外接一個(gè)發(fā)光管用于表示編碼芯片是否處于工作狀態(tài)；1個(gè)幀信號(hào)發(fā)送端DO；另外內(nèi)部振蕩電路需要外接大電阻，需要設(shè)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(lái)進(jìn)行系統(tǒng)頻率的調(diào)節(jié)；電源VDD，地VSS，確定以后的遙控編碼芯片外部管腳及對(duì)應(yīng)功能見(jiàn)表1。

表1 編碼芯片外部管腳及對(duì)應(yīng)功能

2 信號(hào)的幀結(jié)構(gòu)

遙控機(jī)器人編碼芯片的幀結(jié)構(gòu)如圖2所示，它由同步碼、16位地址碼、2位狀態(tài)碼、8位功能碼、奇偶校驗(yàn)碼及結(jié)束位32個(gè)碼元構(gòu)成，設(shè)計(jì)中的基帶碼型以脈沖寬度調(diào)制(PWM)技術(shù)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(gè)幀周期信號(hào)的標(biāo)志，幀同步位為“1110”；幀結(jié)構(gòu)中有16位地址位，在地址碼學(xué)習(xí)的過(guò)程中，編碼芯片向解碼芯片發(fā)送具有地址碼學(xué)習(xí)請(qǐng)求功能信號(hào)，其中有16位地址碼為編碼芯片所要求解碼芯片學(xué)習(xí)的地址碼[5]。當(dāng)?shù)刂反a學(xué)習(xí)成功后，編碼芯片向解碼芯片發(fā)送具有控制功能的請(qǐng)求信號(hào)，其中的16位地址碼必須與解碼芯片學(xué)習(xí)后的地址碼進(jìn)行判斷，如果相同，就進(jìn)行相應(yīng)的控制功能驅(qū)動(dòng)，否則將此控制功能請(qǐng)求信號(hào)作無(wú)效信號(hào)處理。狀態(tài)位X1，X2分別為“01”和“11”時(shí)表示地址碼學(xué)習(xí)請(qǐng)求和控制功能驅(qū)動(dòng)請(qǐng)求。幀結(jié)構(gòu)中設(shè)置的功能位對(duì)應(yīng)遙控機(jī)器人的8個(gè)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(dāng)狀態(tài)為地址碼學(xué)習(xí)請(qǐng)求時(shí)，該8位功能碼必須全為零。當(dāng)狀態(tài)為控制功能請(qǐng)求時(shí)，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(xiàn)同時(shí)向左向右或同時(shí)向前向后，如果出現(xiàn)這種情況，則認(rèn)為出現(xiàn)編碼出錯(cuò)，解碼部分將會(huì)丟棄該幀，這是符合實(shí)際情況的。因此在解碼芯片電路設(shè)計(jì)中，分別增加了地址碼學(xué)習(xí)時(shí)功能數(shù)據(jù)檢測(cè)位電路和控制功能驅(qū)動(dòng)時(shí)功能數(shù)據(jù)檢測(cè)電路。奇偶校驗(yàn)位采用偶校驗(yàn)方式，對(duì)功能數(shù)據(jù)位進(jìn)行校驗(yàn)，當(dāng)功能數(shù)據(jù)位出現(xiàn)偶數(shù)個(gè)有效位(高電位“1”)時(shí)，校驗(yàn)位為低電位“0”；當(dāng)功能數(shù)據(jù)位出現(xiàn)奇數(shù)個(gè)有效位時(shí)，校驗(yàn)位為高電平“1”，奇偶校驗(yàn)位為幀中第31位。結(jié)束位為一位高電位“1”，表示一幀的結(jié)束，未檢測(cè)到結(jié)束位時(shí)同樣丟棄該幀。

3 編碼芯片設(shè)計(jì)

遙控機(jī)器人編碼芯片由振蕩電路、時(shí)序產(chǎn)生電路、按鍵防抖動(dòng)電路、上電復(fù)位電路(包含移位計(jì)數(shù)和狀態(tài)機(jī)電路、控制功能信號(hào)的鎖存電路、地址碼學(xué)習(xí)請(qǐng)求信號(hào)輸出電路、控制功能請(qǐng)求輸出電路)、位同步輸出電路等模塊構(gòu)成。編碼系統(tǒng)框圖如圖4所示。編碼芯片模塊主要有兩大功能，功能一:發(fā)送地址碼請(qǐng)求信號(hào)，為了使編碼芯片與相應(yīng)的解碼芯片形成一一對(duì)稱的地址碼學(xué)習(xí)關(guān)系，首先保證解碼芯片是在地址碼學(xué)習(xí)允許的情況下(SRC按下)，然后按下地址碼學(xué)習(xí)請(qǐng)求按鍵STUDY，編碼芯片輸出端DO就會(huì)輸出地址學(xué)習(xí)請(qǐng)求功能的32幀周期信號(hào)“11101010101010101010010000000001”的編碼信號(hào)“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(qǐng)求信號(hào)后進(jìn)行解碼，然后進(jìn)行檢測(cè)和判斷，再進(jìn)行地址碼學(xué)習(xí)，將解碼芯片的16位地址鎖存器固定為“1010101010101010”。功能二:地址碼學(xué)習(xí)成功之后，分別松開(kāi)SRC和STUDY按鍵，根據(jù)需要輸入8位控制功能信號(hào)，編碼芯片將功能控制幀周期信號(hào)進(jìn)行編碼，然后再輸出，發(fā)送給解碼芯片，解碼芯片再進(jìn)行解碼驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的控制功能。如果無(wú)任何輸入狀態(tài)，編碼芯片輸出零信號(hào)的編碼信號(hào)。其整個(gè)流程如圖5所示。最后編碼系統(tǒng)完成由地址碼學(xué)習(xí)請(qǐng)求和控制功能請(qǐng)求信號(hào)的編碼發(fā)送。

4 各模塊電路設(shè)計(jì)和功能仿真

根據(jù)遙控機(jī)器人編碼模塊總體設(shè)計(jì)框圖，在Quartus II環(huán)境下，使用硬件描述語(yǔ)言Verilog-HDL及原理圖對(duì)整個(gè)編碼系統(tǒng)各模塊進(jìn)行行為級(jí)描述，最后通過(guò)Synplify軟件對(duì)硬件描述語(yǔ)言Verilog-HDL進(jìn)行綜合，得到門(mén)級(jí)電路。圖6為編碼系統(tǒng)的核心頂層模塊組合，其中fangdd為按鍵輸入信號(hào)防抖動(dòng)模塊，clk_div128k為分頻模塊，為系統(tǒng)提供頻率為2 kHz的時(shí)鐘；fenpin_count是四進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器和clk_2k的四分頻模塊；send1是請(qǐng)求信號(hào)的位同步模塊，其同步頻率為512 Hz，位同步信號(hào)以幀周期形式輸出,code1_4是幀周期信號(hào)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(hào)。

完成編碼芯片各模塊的行為級(jí)描述之后，進(jìn)行功能仿真驗(yàn)證。首先按下reset鍵復(fù)位清零，使芯片中所有的寄存器和鎖存器置零，然后發(fā)送一個(gè)地址碼學(xué)習(xí)請(qǐng)求信號(hào)(study鍵按下，相對(duì)于控制功能請(qǐng)求來(lái)說(shuō)，具有更高的優(yōu)先級(jí)),此時(shí)send1模塊判斷信號(hào)為地址碼學(xué)習(xí)請(qǐng)求，然后send1的輸出端輸出具有學(xué)習(xí)請(qǐng)求功能的幀周期信號(hào)“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(hào)；第5位至第20位為發(fā)送出去的16位地址碼；第21位和第22位為請(qǐng)求狀態(tài)位，“01”表示地址碼學(xué)習(xí)請(qǐng)求，“11”表示功能控制請(qǐng)求，此時(shí)為地址碼學(xué)習(xí)請(qǐng)求狀態(tài)，即為“01”；第23位至第30位為功能數(shù)據(jù)位，由于此時(shí)為地址碼學(xué)習(xí)請(qǐng)求狀態(tài)，故該8位功能數(shù)據(jù)位為零；第31位為奇偶校驗(yàn)位，是用于判斷功能數(shù)據(jù)位的奇偶情況；第32位為結(jié)束位，是幀周期結(jié)束標(biāo)志。然后經(jīng)過(guò)code1-4模塊進(jìn)行碼元編碼輸出，由仿真結(jié)果可知相應(yīng)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(méi)有地址碼學(xué)習(xí)請(qǐng)求時(shí)，輸入控制功能信號(hào)，輸出的幀周期信號(hào)與地址學(xué)習(xí)請(qǐng)求幀周期相同，不同之處是:其一，地址碼與原來(lái)地址學(xué)習(xí)請(qǐng)求發(fā)送的地址碼一模一樣，它是用于與解碼芯片學(xué)習(xí)后的地址碼進(jìn)行比較判斷，并不是用于地址碼學(xué)習(xí)之用；其二，功能數(shù)據(jù)位是相應(yīng)的控制功能輸入信號(hào)，并非全為零。此仿真過(guò)程中，輸入了地址碼學(xué)習(xí)請(qǐng)求、向右加速前進(jìn)請(qǐng)求和向左后退請(qǐng)求，輸出端口分別輸出了相應(yīng)的幀周期信號(hào)，達(dá)到了設(shè)計(jì)效果。

5 編碼芯片的硬件驗(yàn)證

軟件仿真是驗(yàn)證系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)正確性的第一道保障，但它只是對(duì)實(shí)際情況的一種軟件模擬，不能替代實(shí)際的硬件驗(yàn)證。在ASIC設(shè)計(jì)過(guò)程中，常常需要對(duì)前端設(shè)計(jì)做FPGA原型驗(yàn)證來(lái)確保設(shè)計(jì)的實(shí)際可行性。本平臺(tái)的主控制芯片采用了ATERA公司研發(fā)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(shù)字電路)輸入、輸出管腳絆定并進(jìn)行編譯，生成相應(yīng)的*.pof文件，部分在可編程邏輯器件中無(wú)法實(shí)現(xiàn)的模擬電路部分被簡(jiǎn)化掉，因?yàn)檫@些改變不會(huì)影響整個(gè)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(guò)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(diào)用配置芯片EPCS4中的軟硬件數(shù)據(jù)，對(duì)整個(gè)編解碼電路進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)處理。系統(tǒng)所需的時(shí)鐘信號(hào)clk_2KHz、clk_512Hz、clk_128Hz都是由該核心開(kāi)發(fā)板上的晶振提供的50 MHz分頻而來(lái)的。為了成功完成編碼芯片的FPGA硬件驗(yàn)證，先制作10個(gè)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(biāo)芯片中。核心開(kāi)發(fā)板上綁定的10個(gè)輸入端口分別用導(dǎo)線連接對(duì)應(yīng)的外圍控制電路的10個(gè)接口，輸出端(data out)接入示波器(安捷倫公司的存儲(chǔ)示波器:Agilent 1 160 A 600 M)信號(hào)輸入接口。先后按下外圍電路地址碼學(xué)習(xí)請(qǐng)求按鍵study和控制功能請(qǐng)求按鍵(forward、turbo、right)，然后利用示波器分別抓取了地址碼學(xué)習(xí)請(qǐng)求和“向右加速前進(jìn)”控制功能請(qǐng)求信號(hào)的編碼波形。觀察波形可知，編碼芯片的FPGA驗(yàn)證系統(tǒng)與編碼芯片的T-spice仿真一樣，都能正確無(wú)誤地完成地址碼學(xué)習(xí)請(qǐng)求功能和控制功能請(qǐng)求功能，證明了編碼芯片電路設(shè)計(jì)的實(shí)際可行性。

6 版圖設(shè)計(jì)

遙控機(jī)器人編碼芯片的版圖設(shè)計(jì)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(yōu)化，整個(gè)版圖設(shè)計(jì)是調(diào)用預(yù)先設(shè)計(jì)好的各單元版圖模塊在taner-pro軟件上通過(guò)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(gè)輸入輸出壓焊塊，MOS管及阻容元件近5 591個(gè)，版圖總面積為1.241 mm×0.950 mm。解編碼芯片有22個(gè)輸入輸出壓焊塊，MOS管及阻容元件近6 282個(gè)，版圖總面積為1.310 mm×0.941 mm。最后對(duì)遙控機(jī)器人編碼芯片的版圖進(jìn)行了整體的設(shè)計(jì)規(guī)則檢查(DRC)，同時(shí)將版圖萃取的文件(bianma.spc和jiema.spc)與相應(yīng)原理圖萃取的文件(bianma.sp和jiema.sp)進(jìn)行LVS(版圖與原理圖的一致性檢查)對(duì)比，結(jié)果一致[6]。最后提取GDS II文檔。

遙控機(jī)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(kāi)發(fā)各種低成本遙控報(bào)警器及遙控系統(tǒng)。在具體的應(yīng)用中，只要增強(qiáng)無(wú)線射頻有效距離，就可將它移植到遠(yuǎn)距離工作的工業(yè)遙控操作系統(tǒng)以及遙控作戰(zhàn)機(jī)器人、遙控裝甲車(chē)和無(wú)人駕駛戰(zhàn)斗機(jī)中，并具有很好的發(fā)展前景。

[1]劉麗華，辛德祿，李本俊.專用集成電路設(shè)計(jì)方法[M].北京:北京郵電大學(xué)出版社，2001.

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