陈海进

(南通大学江苏省专用集成电路设计重点实验室,江苏南通 226019）

“VLSI设计技术”课程综合实验教学探索

陈海进

(南通大学江苏省专用集成电路设计重点实验室,江苏南通 226019）

本文探索了“V LSI设计技术”课程的综合实验教学。该课程的实验项目应用了一款电机控制专用集成电路,并由FPGA器件实现。实验内容包含了VLSI设计中的主要电路模块和常用技术。实验提供了自动测试设备(ATE)和电机实验平台两种验证方式供学生自主选择,可以改善学生的学习效果。

V LSI;电机控制;专用集成电路

“VLSI设计技术”课程以大规模数字集成电路与系统的设计为主线,通过分析数字系统设计所需的基本模块和基本技术,达到掌握VLSI系统设计方法的目的。学生籍此可以掌握VLSI系统设计的基本方法,能根据具体应用的要求设计相应的数字系统。

如果在课程中的关键内容设置小实验,由于缺少面向实际应用的综合实验项目锻炼,学生无法掌握综合运用所学知识设计V LSI系统的能力。

为此,笔者尝试对该课程的教学计划进行了改进:压缩部分理论教学和分散实验的学时,增加一个综合实验设计项目。该实验项目需要应用到的知识和技能涉及到“VLSI设计技术”的主要内容。可见本项目是在学完该门课程后的一个综合训练,为未来从事相关设计工作打下坚实的基础。

1 综合实验项目设置

构成VLSI系统的常见部件有加法器、乘法器、FIFO移位寄存器、状态机和串行接口等[1],综合实验项目的选择应能覆盖上述内容。根据此要求,我们选择综合实验的内容为设计一款电机控制专用集成电路[2]开关磁阻电机(SR电机)控制专用集成电路,这是专用集成电路的一个重要分支。

1.1 SR电机基本原理

开关磁阻电机具有结构简单坚固、效率高和调速范围宽等优点,有利于节能降耗,它在航天器、风力发电和压缩机等许多领域具有广阔的应用前景[3]。典型的三相6/4极SR电机原理如图1所示,为简单计,图中只画出了A相绕组。SR电机的运行遵循磁阻最小原理。当定子B-B'极励磁时,所产生的磁力将力图使转子逆时针旋转,使转子极轴线2-2'与定子极轴线B-B'重合,并使B相励磁绕组的电感最大。同理,若对图中定子C-C'极励磁,转子将顺时针旋转到轴线2-2'与轴线C-C'重合的位置。对控制芯片的基本要求即为根据当前转子位置,发出合适的控制信号给电子开关,使得电机按控制要求运行。

图1 三相6/4极SR电机原理示意图

SR电机的可控变量多,控制灵活,基本运行方式有角度位置控制(APC)、电流斩波控制(CCC)和电压PWM控制等类型。图2给出了APC方式下SR电机主要控制变量关系的典型波形。图中L、θ、u和i分别是与一相绕组相对应的电感、转子位置、电压和电流,θu和θa分别不对齐位置和对齐位置,θon和θoff分别是开通角和关断角。为使电机运行达到较高的效率,要求 θon和θoff能动态调节。在电流超过给定值时,控制芯片应能够发出关断信号以限制电流的幅值,对应于CCC方式。电流也可通过设定PWM波的方式进行调节,称为电压PWM控制。

图2 描述SR电机主要控制变量关系的典型波形

1.2 控制专用集成电路功能定义

实验要求的控制对象为一台三相12/8极SR电机,额定转速3200rpm[4]。定义控制专用集成电路芯片有如下主要功能。

(1)SPI通讯接口

芯片通过SPI接口接收所有的控制参数,并返回位置信号周期、电机转速及故障状态等信息。SPI接口工作于从设备方式。

(2)控制信号计算

其要求是根据输入的位置信号和控制变量进行计算,产生开关信号给功率变换器。可调变量包括开关角度θon和θoff,触发边沿设置,PWM 占空比和频率等。

芯片可控制SR电机运行于APC方式、CCC方式或电压PWM方式。对于APC方式,芯片直接根据位置信号和开关角度计算控制信号;对于CCC方式,芯片根据输入的斩波信号结合开关角度和斩波方式等的设定计算输出控制信号;对于电压PWM方式,电压调节通过修改PWM占空比进行。

(3)状态检测和返回

芯片通过对位置信号的处理,计算得到位置信号周期、电机转速和位置传感器故障状态等信息,并通过SPI接口返回给微处理器。

1.3 实验验证环境

考虑到实验课程的性质,我们选用了FPGA器件实现所设计的电路,选用的型号为A ltera公司的Cyclone系列EP1C3芯片,并预先制作了相应的PCB电路板。该板具有器件的下载、配置和时钟产生等功能,输入输出引脚与标准DIP封装相一致,相当于一个独立的专用集成电路用于实验。

我们在实验前向学生提供测试向量文件,要求学生所设计的芯片代码在仿真平台上通过测试向量的测试后,才可进入FPGA验证阶段。两种FPGA验证环境,可供学生根据自己的兴趣选用。一种是使用自动测试设备(ATE)验证,ATE使用国产数模混合集成电路测试系统3196D;另一种是使用电机实验平台验证,实验平台自行研制,将编程后的FPGA板插入控制器,若设计正确,则可以即时观察到其控制电机的效果。

2 实验教学

2.1 实验准备

在实验前,我们给出控制芯片的设计要求(功能定义),学生按设计要求首先撰写设计规范,然后根据设计规范,使用硬件描述语言(HDL)设计相应代码,进行仿真和验证。

2.2 设计规范参考

设计规范主要包括芯片的功能定义、I/O接口、系统结构设计和主要模块的内部结构设计等内容。学生需要综合运用所学知识,根据功能要求设计出对应电路结构,并要通过分析和计算,确定电路内部的设计参数,如加法器和乘法器的位宽和延时要求、FIFO字宽和深度等。限于篇幅,这里仅给出供学生参考的系统结构框图,如图3所示。其主要功能模块包括周期计数及缺相检测、FIFO、位置─相位映像、PWM 、SPI和三相输出控制等[5]。

图3 控制专用集成电路整体结构

2.3 实验结果

鉴于设计规范文档在VLSI系统设计中的重要性,在学生完成设计规范文档后,教师应首先对其进行评阅。随后进入代码设计环节,使用 HDL语言依据设计文档编写相应代码。代码设计的正确性首先通过预先提供的测试向量进行仿真验证,若通过便可进入下一实验步骤。

仿真通过后,将设计下载到FPGA,并根据学生的选择分别进行ATE测试验证或电机实验平台验证。

学生在ATE测试验证时,首先要将测试向量转化成ATE所能识别的格式;其次,将FPGA与ATE连接,操作ATE控制台进行相关设置就可以对FPGA的功能进行测试了,控制台将实时显示测试结果,如图4所示。

对于电机实验平台验证,需要将下载了程序的FPGA板接入SR电机实验平台,通电即可观察到其控制电机运行的情况。限于篇幅,这里仅给出CCC方式下的转子位置、控制信号和绕组电流的实测波形,如图5所示。图中通道1和3分别对应于控制一相绕组的两个功率管(相当于图1中的S1和S2)的驱动信号。由图可见,本实验实现了在两个功率管上轮流斩波,有利于均衡两个功率管的寿命。

图4 使用自动测试设备A TE测试结果

图5 电流斩波控制CCC方式实测波形

3 结语

针对当前“VLSI设计技术”课程教学中存在的不足,对其综合实验教学进行了初步探索,以适合应用型人才的培养要求。实验提供了A TE测试验证和电机实验平台验证两种方式供学生自主选择,有利于增强学生的感性认识,激发其学习兴趣。综合实验项目的设置注重培养学生综合运用所学知识,按具体应用要求设计相应专用集成电路的能力,为学生未来就业打下了较好的基础。

[1] Rabaey JM,Chandrakasan A,Nikolic B.Digital Integrated Circuits-A Design Perspective(Second Edition)[M].北京:清华大学出版社(影印本),2004

[2] 谭建成主编.电机控制专用集成电路[M].北京:机械工业出版社,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] 陈海进,蒋冬青,孙思兵.高速开关磁阻电机数字控制器设计与FPGA验证[J].西安:微电机,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

陈海进(1972-),男,博士,副教授,主要从事电机控制、VLSI设计的教学与科研工作,E-m ail:chen.hj@ntu.edu.cn