智能住宅无线通信系统.doc

摘要无线数据传输系统是建立在研究智能住宅无线网络通信系统的基础上，以数字无绳电话的主机为核心建立起的一种家庭无线通信网络。本论文采用自顶向下(top-down)的正向高层次设计方法对无线数据传输系统芯片的核心部分-突发模式控制器(Bust Mode Controller，以下简称“BMC”)的设计与实现进行了研究。对系统中心控制器的设计进行了研究，对系统语音编解码(CODEC)模块作了简要的分析以及在BMC中设计了相应的数据接口电路。在该课题的研究中，BMC的设计采用了目前ASIC设计中最先进的高层次设计方法，使用硬件电路描述语言VHDL对其进行描述。控制器首先采用8位单片机AT89C52实现系统的功能验证，采用单片机C语言编写源程序，然后将源程序载入8位MCU核中进行ASIC的设计。本论文以芯片的FPGA和ASIC的设计和实现为线，阐述了突发模式控制器设计、仿真、综合验证以及布局布线的步骤，以及基于ASIC技术的高层次设计方法，并且分析了系统的工作状态转换和中心控制器的软件设计流程。 在本论文的研究中，重点分析了突发模式控制器的设计。以对数据通信协议和时分双工的通信工作方式的分析和理解为基础，对突发模式控制器的设计思路和各个子模块电路的设计和实现做了详细的分析阐述。本论文完成了突发模式控制器的设计，由测试激励程序完成了功能仿真，以及布局布线后的时序仿真。并且通过系统仿真软件MATLAB提供信号源，在信噪比为15dB的情况下通过计算机仿真系统的误码率为0.63%，完全可满足语音通信的要求，同时在数据量不大的数据通信中质量也能基本得到满足。最后设计PCB实验板进行了测试，通过FPGA证明所实现的无线数据传输系统芯片符合基本功能要求。并且完成了包括BMC,中心控制器、CODEC的无线数传芯片的ASIC实现。通过本论文的研究,开发了拥有自主知识产权的无线数据传输系统专用集成电路。为建立智能住宅的家庭无线通信网络提供了低成本的解决方案。关键词:智能住宅，突发模式控制器，中心控制器，硬件描述语言VHDL，专用集成电路，综合，布局布线研究类型:应用研究ABSTRACT The design of Wireless Data-transmit System is based on the research of building wireless net in intelligent home, which to build a home-wireless communication network and the core is the master of digital wireless telephone. This dissertation researches the design and implementation of Burst Mode Controller (thereinafter BMC for short) that is the core in the system by the top-down high-level deign method and it analyses communication protocol comprehensively. This dissertation also researches the design of the system center controller, and it simply analyses the CODEC and Radio Frequency and design their data I/O in BMC. The most advanced ASI design technique is used in this research and it is described by VHDL, which belongs to hard ware description language. Firstly, the system center controller uses AT89C52 to realize the systems function. And then the program is downloaded to 8-bit MCU for ASIC design. This paper is clued by the design and implementation of FPGA and ASIC, and it expatiates on the subject of BMC, which involves all processes of design, simulation, synthesis and test, placing and routing. And it analyses the system work state-switch and system center controllers software flow chart. In this paper research, the design of BMC is mainly discussed. It analyses the function and architecture of BMC, which is based on analysis and mastery of data communication protocol and Time-Division Multiplexing. This dissertation finishes the design of BMC, and it has also completed the function simulation as well as timing simulation after placing & routing. By the software of MATLAB provides signal source, the systems bit error ratio is zero point six three percent in the environment of SNR equipment fifteen (dB). This performance can be satisfied with voice communication completely, and also be satisfied with data communication when data quantity is not so much. A PCB board is designed to test BMC and the result of test meets basal function demand. It has also completed ASIC implementation of SOC that include BMC, system center controller and CODEC. By the dissertations investigation, we have reached Application Specific Integrated Circuit in wireless data-transmit system. At the same time, provides the lost-cost solution for building home-wireless network and for realizing intelligent home. Key words: Intelligent Home, Bust Model Controller, System Center Controller, Hardware Description Language VHDL, Application Specific Integrated Circuit, Synthesis, Placing & Routing. Thesis: application researcher1 绪论1.1 智能住宅的关键技术及面临的问题计算机技术、通信技术、网络技术、控制技术、信息技术的迅猛发展，促使家庭实现了生活现代化，居住环境舒适化、安全化。目前这些高科技技术已经影响到人们生活的方方面面，智能住宅也正是在这种形式下应运而生的。现在智能住宅的智能化瓶颈往往在于它的通信网络系统的建立。智能住宅的信息通信系统是保证住宅内语音、数据、图像传输的基础，同时与外部通信网(如电话公网、数据网、计算机网、卫星以及广电网)相连，与世界各地互通信息。可以说，智能住宅的核心是系统集成，而系统集成的基础则是智能住宅中的通信网络。在信息化社会中，一个智能住宅内，除了具有电话、传真、空调、消防与安全监控系统外，各种计算机网络，综合服务数字网等都是不可缺少的。只有具备了这些基础通信设施，新的信息技术，如电子数据交换、电子邮政、会议电视、视频点播、多媒体通信等才有可能进入智能住宅中。使它成为一个名符其实的智能小区。智能住宅中的通信系统目前在我国主要由两大系统组成:程控数字用户交换机和有线电视网(CATV) 。前者是由电信系统方面发展而来的，后者是广电系统方面发展至今的。今后随着4C技术发展将有可能使智能住宅的通信自动化系统统一。目前人们可以通过因特网用电脑构建成信息交互和处理平台，实现家庭信息与互联网的信息交互。这种交互方式是基于PC机的家庭网络应用平台智能化控制。PC机与家用电器之间进行通信的连接方式有两种:一种是使用有线的连接，如USB、以太网、1394接口等方式，另外一种是无线连接，如IRDA, Home RF 和蓝牙等方式。包括有线与无线连接主要采用的通信手段有以下几种方案:(1)基于电力线的家庭网络解决方案。1978年，最早诞生于美国的住宅自动化系统X-10就是以电力线为连接介质对电子设备进行远程控制的通信系统，已广泛应用于家庭安全监控、家用电器控制等方面。X-10系统由发送控制盒和多个接收控制组件组成，使用时控制盒和组件可插入室内不同的电源插座，家用电器设备就插在这些控制组件上。通过与控制盒连接的键盘，用户可输入控制命令，实现家用电器设备的远程控制。(2)基于电话线的家庭网络解决方案。Home PNA (Home Phoneline Networking Alliance)以家庭电话线为连接介质构造家庭网络，己公布了一个以Tut System公司的1Mbit/s 以太网Home Run技术为基础的技术规范。Home PNA采用传统的以太网技术(IEEE 802.3,CSMA/CD)，加快了 Home PNA规范的普及。(3)基于无线传输的家庭网络解决方案。Compaq, Intel, HP, Microsoft, Sony 等公司组成的Home RF 工作组发布了一个基于无线传输的家庭网络协议规范SWAP1.1。该协议规范采用2.4GHz的ISM频段，利用时分复用技术支持语音通信，利用以太网技术CSMA/CD支持高速数据通信。(4)蓝牙。己有1600多个成员参加的BSIG公布的蓝牙技术规范的1.0版本是一种短距离的无线电网络连接技术。该协议利用2.4GHz的频段，采用时分复用、全双工通信模式，支持同步和异步通信，最高速率721Kbit/s，同时采用了跳频分配技术来消除干扰和降低衰落，发射距离10-100m。对于方案(1)和(2)现在应用比较广泛，但是要需要有线连接，最大的缺点是必须在家中布线，穿墙打孔，影响家庭装饰以及系统的维护和维修都不方便。而方案(3)在国外也得到了很广泛的应用，但对于国内市场，由于生产商只能以OEM方式提供解决方案，使这种连接方式相对比较昂贵，很难得到普及应用。所以开发拥有自己核心芯片的无线数据传输系统具有很大的实际意义。1.2 集成电路的发展及面临的问题1.2.1 集成电路的发展集成电路(IC, Integrated Circuit)技术发展迅速，己成为现代新兴工业的主流，而且技术的进步使得原本只能容纳十几个晶体管的技术，现在己经发展到在同一颗IC中可以容纳十万个晶体管，就是现今最为先进的VLSI(超大规模集成电路)技术。这种技术进展快速可以从存储器容量的激增看得出来：在1975年时仅有1KB的存储器，到了1985年发展到生产IMB的存储器，而1999年底的技术已经可以生产256MB的存储器。如此快速进步的技术让我们得以将复杂的系统整合在同一个芯片之中(SOC，System On a Chip)，SOC的出现和发展大大加速了人类社会的信息化进程，它已成为信息产业乃至21世纪知识经济的关键技术基础之一。因而专用集成电路(ASIC, Application Specific Integrated Circuit)的观念也逐渐烙印在每个集成电路设计师的心中，所以不管是工业界还是学术界，自行设计IC已成为电子、计算机、通信领域的一个研究方向。在集成电路产业迅速发展的同时，微电子技术己成为上个世纪以来发展最为迅速的高新技术。1948年，巴丁.布莱连等人发明了世界上第一个晶体管。1958年美国科学家在一块硅片上做成了相移振荡器，该振荡器之间的连线不再是传统的导线，而是用很薄的刻蚀获得的金属条，这便是世界上第一块集成电路。1967年诞生了单片集成度在1000个晶体管以上的集成电路，集成电路由中小规模进入大规模时期。20世纪70年代以来，由于CMOS工艺的发展，尤其是高密度短沟道CMOS技术的发展，使得CMOS器件不仅具有很高的集成度，而且器件的工作速度达到甚至超过了TTL电路的性能。1977年，美国科学家在30的硅片上集成了13万个晶体管，制造出了世界上第一块64Kbit的DRAM，标志着集成电路跨入了超大规模时代。集成电路微细加工的最小尺度每三年提高一个数量级，集成规模每三年增加4倍。80年代，集成电路加工的最小尺度是微米级，90年代初是亚微米(0.5um-lum)，现在是深亚微米(0.3um 以下)，0.25um-0.15um工艺已成为产品的主导工艺，最先进的微细加工工艺已达到。在深亚微米工艺中，连线引起的延迟已与门电路相当而不可忽略，传统的电路设计方法必须予以改进。在加工尺度不断细化的同时，用以生产集成电路的硅片面积不断扩大。现在集成电路生产中大量使用5英寸硅片，单片芯片面积达到2cm×2cm的尺度，集成电路已进入3G时代(1G=),即单片集成度达到1G个晶体管，工作速度达到1GHz，最高数据传输率达到1Gbps。表1.1回顾了集成电路的发展历史。预计到本世纪上半叶，微电子技术仍将保持快速发展的趋势，并将进入3T时代(1T=)，微细加工的进一步发展有可能达到 O.O1um。表1.1 集成电路技术发展简况年份19481961196619711980199019982000规模发 明晶体管分立元件SSIMSILSIVLSIULSIGSI理 论 集 成101001001000100016×商 业集 成1110100-10001000-2000200005×>>代 表 产 品二极管三极管门电路触发器计数器加法器8位微处理器16/32位微 处理 器图像处理器，SOC，高档微处理器由于集成规模的扩大，原先由许多IC组成的电子系统有可能集成在一个单片上构成所谓系统芯片。系统芯片与集成电路相比，不再是一种功能单一的单元电路，而是将信号采集、处理和输出等完整的系统集成在一起，成为一个有某种应用目的的电子系统芯片。电子系统传统的设计方法是在PCB级完成的。系统设计人员利用各IC制造商生产的通用集成电路在PCB上构成系统，系统的调试也在PCB上进行。这种开发设计方法要求设计者具有丰富的硬件知识和调试能力，产品开发周期长、投资大、设计修改较困难。此外，由于PCB连线的延时、空间尺度、重量和可靠性等的制约，整机性能受到很大限制。如果能将整个系统最终集成在一个单片上，无疑对于提高产品性能、缩小产品体积具有极大的帮助。因而SOC是电子系统开发设计的合理选择。微电子技术的近期发展成果为SOC的实现提供了多种途径。对于经过验证而又具有批量的SOC，可以做成ASIC大量生产。而对于一些仅小批量应用或处于开发阶段的SOC,若立即投入流片生产，需要投入较多的资金，承担较大的试制风险，所以近十几年来发展起来的高密度可编程逻辑器件(High Density Programmable Logic Device, HDPLD )，则提供了另一种实现途径。可编程逻辑器件是一种由IC制造商大批量定性生产的半定制产品，器件内部的逻辑功能由用户设计和构造，价格低廉且硬件功能可多次编程重构的器件。可编程逻辑器件的出现，使得系统设计人员有可能在不改变系统硬件结构的前提下，修改完善甚至重新设计系统的硬件功能，使电子系统的硬件具有了“揉性”，尽可能地改变了硬件的刚性结构状态，甚至可以使电子系统的硬件功能动态调整，以适应外界环境的变化。SOC的设计以IP(Intelligent Property)核为基础，以硬件描述语言为系统功能的主要描述手段，借助于以计算机为平台的EDA工具进行。SOC的出现是电子设计领域的一场革命。如果说在上个世纪，电子系统的设计主要是在PCB层次上将各种元器件合理连接，那么进入本世纪后，电子系统的设计将主要是以HDPLD或ASIC为物理载体的系统芯片的设计，它对电子信息产业的影响不亚于20世纪60年代集成电路的出现所产生的影响。IP模块 重用是提高设计效率的重要方法之一。IP模块分为软核和硬核两种。软核是在功能仿真通过的情况下，有偿提供的硬件描述模块。硬核是在某一确定的半导体工艺下，经时序分析和波形仿真通过的硬件设计模块。一般而言，硬核较为成熟，软核需要仿真验证。集成电路的基础半导体工艺技术一直处于迅速发展之中，芯片的集成度每18个月增长一倍，即大约每三年就有新的一代IC产品问世。国外先进的大规模IC制造工艺从1990年的0.8 um, 1993年的0.6um,1995年的0.35um,1997年的0.25um, 1999年的0.18um, 2003年的0.13um、估计2009年的0.09um直到2012年的0.05um，己经可以设计制造集成度在几百万门以上的ASIC电路。不仅能设计各种类型的电路，而且设计水平基本处在0.18um左右。然而国内的芯片工艺水平从1991年的2um, 1993年的1.2um ,1995年的0.81um，直到现在的0.35um，总体上处于0.8um到0.5um的技术水平。我国集成电路发展历史，从1965年研究成功的硅数字集成电路算起已经历了30年曲折而艰难的发展历程，经过“七五”和“八五”的产业结构调整，己具备了一定的基础，出现了良好的转机。形成了以华晶、华越、贝岭等为代表的5个芯片生产的主干企业，10几个专业配套厂和以北京集成电路设计中心为代表的20几个设计公司。5个主干企业的销售额己占全行业的80%以上。全行业利税率超过15%。1.2微米技术已进入工业生产，0.8微米技术生产线即将投入运行。最近决定兴建的0.5微米8英寸生产项目也己启动。但是微电子产业的发展远远落后于我国国民经济和国防建设的需要，制约着我国社会信息化的进程。据有关部门不完全统计，1995年我国需求集成电路40-50亿支，2000年将翻一番，需求的营业额将超过100亿美元，成为亚洲最主要的市场之一。但1995年我国集成电路生产量只占市场需求量的10%左右，按现有发展速度预测，到2000年也只占我国市场需求量的20%-25%左右。集成电路的品种全球约为4万多种，我国需求约1万种，但自行开发的也只占国内需求量的20%，而且多数属于低档产品。一些有关国民经济的关键产品，例如计算机的核心电路和高档的彩色电视机电路都还不能自行生产和设计。虽然我们号称是电视机生产第一大国，但核心集成电路如不能自行设计和生产，特别是不能自行设计，那么第一生产大国的地位是不巩固的。更不用说国防上将会受制于人。因此加速发展我国微电子产业是刻不容缓的战略任务。1.2.2 集成电路面临的问题全球对半导体芯片的需求量迅猛增长，中国也正加入这一供给行列中。对于中国而言，芯片的生产不仅是创利的途径，也是走入高科技经济的一条捷径。如今，大陆80%的半导体依赖进口，但企业界正努力开发、生产能参与世界竞争的芯片。为了尽快缩小国内外集成电路的技术差距，我国必须进行亚微米和深亚微米超大规模电路的设计。随着亚微米设计阶段的逐步深入和深亚微米设计技术的来临，也给我们的设计人员和工具带来了很大的挑战:(1)连线上的延时迅速上升，将导致原有的EDA设计过程不收敛。当特征尺寸大于0.6um时，电路的延时主要集中在门级单元的延时上，如果门延时占系统延时的70%以上，则依据门延时完成综合优化与时序仿真后，由版图综合反标回来的延时对系统时序的影响很小，后仿真通常可以一次通过。但当特征尺寸进一步缩小时，单位连线上的延时及互连线的总长度迅速上升，这两方面的因素都使得连线延时在系统总延时上所占的比重越来越大。通常在0.5um设计时，连线延时己经达到总延时的50%，于是增加从版图反标回来的连线延时后，往往不能使后仿真一次通过，这就需要重新回到逻辑综合进行优化设计。进入到0.35um, 0.25um后，连线延时将占总延时的70%以上，所以每进行一次逻辑优化，都需要重新进行版图综合，而新的版图综合又产生不同的延时分布，最终将导致设计目标无法实现。因而必须引入新的设计手段，保证优化迭代过程的收敛性。(2)电路的功耗、时钟分布及系统可靠性等方面带来一系列的新问题。特征尺寸缩小后，将导致单位面积上的功耗的迅速提高，从而给系统运行的可靠性带来影响。同时，特征尺寸的缩小直接体现在互连线的宽度越来越细，它一方面使得电流密度迅速增大，容易导致电迁徙现象的产生；另一方面随着设计频率的提高，更小的连线间距还会给系统引入串扰和噪声；此外，对于时序电路而言，时钟线总是分布在整个芯片上，小的连线尺寸导致单位长度的电阻提高，这就给时钟同步带来很大的困难，严重时导致系统的崩溃。 (3) 需要新的器件模型和更大的设计容量。器件尺寸缩小后，原有的器件模型也必须加以修正，以保证仿真计算结果的可信度。与此相应，还必须用新的方法来完成分布参数的提取。更精确的模型自然导致更多参数的产生，再考虑设计规模越来越大都将使得设计过程产生的数据量越来越大。因而在要求更高性能硬件支持的同时.必须对计算方法进行改进和提高。1.3 论文研究的内容及意义综上所叙，对于建立简单、灵活和可靠的智能住宅无线通信系统的需要将越来越大。目前主要的无线传输网络有RF传输网络、以PC为中心的纯数据网络和基于控制器的数据与语音家庭网络。RF传输网络采用的是扩频技术，这些技术提供了高带宽容量并且由于其可靠性被广泛地用于军事方面。目前有两种常用的扩频无线电技术：跳频扩频(FHSS)和直接序列扩频(DSSS)无线电技术。这两种无线电技术由于采用不同的频带和不同的厂商系统，因此不能互操作，一旦用户选定了供应商，则很难更换到另一家供应商。以PC为中心的纯数据网络是指利用无线局域网提供家庭网络解决方案，解决方案利用家庭PC作为中心控制要素。在这种配置中，一台PC作为网络的主控器，它提供家庭与Internet之间的寻址和路由功能。这种直观的方式简单地将人们熟悉的PC技术与新型家庭网络技术相结合，它还在取得最终大规模应用的成功基础上向厂商提出了消费市场的挑战：首先，围绕PC而建的家庭网络意味着PC将永远开机运行，才可以进行通信：其次，它还意味着其他运行在PC上的软件或硬件不能妨碍PC执行通信任务;再次，围绕PC而建的家庭网络只能处理家庭中与PC相关的网络应用，如文件和打印机共享、多人参加的游戏以及共享的单一ISP账户。它没有解决其他如语音通信以及控制与监控应用这类关键要素。这种情况下，基于核心处理器的无线数据传输系统作为通信服务器，不但可以在家庭中传送语音信息、还可以传输智能电器控制信号、监控等数据信息。本论文设计无线数据传输系统的核心处理芯片，芯片包括突发模式控制器、语音编解码模块、系统中心控制器三个部分。系统射频单元采用低成本的OOK调制方式，其频率在2.4GHz的ISM频段，突发模式控制器(BMC)完成数字调制解调，语音编解码(CODEC)模块采用自适应差分编码（ADPCM)方式，使用8位MCU作为系统中心控制器控制系统工作过程的切换。系统的实现是在研究新型数字无绳电话的基础上，扩展其传输功能，以数字无绳电话的主机为中心建立起一个完整的家庭无线通信网络。它的最大优势在于成本低，系统功能多样，用户可以根据自己家庭的智能化程度进行选择。同样，这套系统还可以作为数字无绳电话进行产品的推广。本论文研究无线数据传输系统核心芯片突发模式控制器(BMC)、系统中心控制器(MCU)的前端设计和ASIC设计。论文是按照芯片的设计与实现过程来安排的，共分为七章。第一章绪论，主要介绍集成电路的发展及面临的问题，说明论文研究的意义及设计的方法与流程。第二章无线数据传输系统的整体分析与设计，主要介绍了系统的整体设计思想和具体设计方案，对系统的各功能模块作出了划分，阐述了BMC的设计流程和语音编解码模块内部结构和接口时序。第三章为设计中使用的器件和开发平台，主要介绍了硬件电路描述语言VHDL的特点，以及对BMC的前端设计环境 Xilinx ISE 5.1软件平台也作了详细地介绍。第四章突发模式控制器的设计，主要介绍了BMC的设计思路、结构划分，分析了每个子模块的功能并介绍了电路设计、描述方法和逻辑仿真及FPGA的验证。第五章芯片的ASIC设计，主要介绍了芯片的综合和布局布线的过程及验证和后仿真。第六章系统中心控制器的设计，主要介绍了系统中心控制器的硬件电路设计和软件设计流程。第七章总结与展望。总结已完成的工作，并给出下一步研究工作的思路。1.4 芯片设计与实现的方法及流程芯片的设计(High Level Design)就是把芯片的行为(behavior)和功能(function)用硬件描述语言(HDL)描述出来，在完成功能仿真(Function Simulation)后，交给综合工具去综合出相应的实际电路，再由布局布线(Placing and routing)工具将电路映射到集成电路中去，最后完成芯片设计。高层次设计与综合技术己不仅仅是实现IC及ASIC的设计方法，而且成为电子系统的设计与实现方法，为系统的集成提供了可靠的设计与实现手段。本论文采用自顶向下(top-down)的正向高层次设计方法，这种设计方法首先需要进行行为设计，要确定芯片的功能、性能及允许的芯片面积和成本。接着进行结构设计，根据芯片的特点，将其分解为接口清晰、相互关系明确的、尽可能简单的子系统，得到一个总体结构。下一步是把结构转换成逻辑图，即进行逻辑设计。接着进行电路设计，将逻辑图进一步转化为电路图。最后是将电路图转换成版图，进行所谓的版图设计。为了提高产品研发的效率，减小投资风险，现代设计方法不再是从底向上，而是由抽象到具体、由顶向下进行，其流程如图1.1所示。本论文对BMC的设计采用VHDL语言，用XILINX公司的ISE5.1软件进行功能仿真和时序仿真，用SYNOPSYS公司的综合软件Design Compiler工具进行综合优化，使用CADENCE公司的Silicon Ensemble完成布局布线，用Virtuoso Layout Editor和Dracula进行了版图设计和验证。对系统中心控制器首先采用8位单片机AT89C52构成硬件控制电路，用单片机C语言进行软件描述。待系统功能验证完毕之后写入已有的8位MCU硬核。然后同BMC、CODEC结合进行综合和ASIC实现。2 无线数据传输系统的整体分析与设计2.1总体分析与设计规划2.1.1设计中主要考虑的问题本论文设计一种适用于低端用户的无线数据传输系统的核心芯片。根据设计任务书(由合作研发的美欧电信技术有限公司提供)，综合考虑无线数据传输系统的特点及应用范围，提出了下面一些设计思想，并根据这些思想进行后面的方案设计。 (1)无线数据传输系统为建立智能住宅无线通信网络而开发，其核心芯片应完成语音编解码、数字调制解调、系统状态控制的片上系统。(2)语音编解码采用自适应差分编码方式(ADPCM)编解码芯片硬核，主要是因为整个系统的设计是由三家公司联合开发，目前美国ATELIC公司已经研制出以ADPCM方式的语音编解码芯片AT8345，那么直接可以将AT8345核嵌入到芯片中完成ASIC设计，这样可以大大减少自主开发的成本。(3)射频采用OOK调制方式，由于它电路简单，理论和应用都己经成熟，研究和生产成本相对较低。根据开发协议，射频单元由新加坡子公司研制开发。(4)采用时分双工的通信工作方式。(5)数字调制解调采用突发模式控制方式(BMC)，突发模式控制器留有8位I/0口作为数据通信接口，数据通信具有纠错和检错功能。由本论文完成设计。(6)系统中心控制器的设计首先采用单片机完成系统工作状态切换等功能的设计，然后将源代码下入公司己有的8位MCU硬核，完成芯片的ASIC设计。由本论文完成设计。(7)论文最终完成的设计应为包括语音编解码模块、BMC、系统中心控制模块的片上系统。2.1.2 总体设计思想与芯片选择论文最关键的设计就是突发模式控制器(BMC)的设计。所以首先要做好BMC的总体设计规划，包括与语音编解码芯片AT8345的接口电路时序、与射频单元的接口电路时序、数字调制与解调的各个子功能模块的划分、芯片的工作频率等。然后根据以上要求选择FPGA或CPLD做前端设计。在前端设计完成之后开始设计系统中心控制器。公司已经拥有自主版权的8位MCU硬核，它完全兼容MCS-51系列单片机，所以选用AT89C52作为系统的中心控制器做相应的硬件和软件开发。软件采用单片机C语言编写源程序。完成BMC和MCU设计之后绘制硬件电路板完成系统功能调试， 系统功能调试成功之后进行包括BMC、系统中心控制模块、语音编解码模块的后端设计。本论文采用了XILINX公司的现场可编程门阵列(FPGA)中Spartan-II系列的XC2S200作为BMC的前端设计。FPGA既继承了ASIC的大规模、高集成度、高可靠性的优点，又克服了普通ASIC设计周期长、投资大、灵活性差的缺点、逐步成为复杂数字硬件电路设计的理想首选。FPGA具体有以下特点:(1)规模越来越大。随着VLSI( Very Large Scale IC ,超大规模集成电路)工艺的不断提高，单一芯片内部可以容纳上百万个晶体管，FPGA芯片的规模也越来越大。单片逻辑门数已俞百万，芯片的规模越大所能实现的功能就越强，同时也更适合于实现片上系统(SOC)。(2)开发过程投资小。FPGA芯片在出厂之前都做过百分之百的测试，而且FPGA设计灵活，发现错误时可直接更改设计，减少了投片风险，节省了许多潜在的花费。所以不但许多复杂系统使用FPGA完成，甚至设计ASIC也要把实现FPGA功能样机作为必需的步骤。(3) FPGA一般可以反复地编程、擦除、在不改变外围电路的情况下，设计不同片内逻辑就能实现不同的电路功能。所以，用FPGA功能样机，能以最快的速度占领市场。甚至在有些领域，因为相关标准协议发展太快，设计ASIC可能跟不上技术的更新，只能用FPGA完成系统的研制与开发。(4)保密性好。在某些场合下，根据要求选用防止反向技术的FPGA,能很好地保护系统的安全性和设计者的知识产权。 (5)FPGA开发工具智能化，功能强大。FPGA开发工具种类繁多、智能化高、功能强大。应用各种工具可以完成从输入、综合、实现到配置芯片等一系列功能。还有很多工具可以完成对设计的仿真、优化、约束、在线调试等功能。这些工具易学易用，可以使设计人员更能集中精力进行电路设计，快速将产品推向市场。 (6) 新型FPGA内嵌CPU或DSP内核，支持软硬件协同设计，可以作为片上可编程系统(SOPC)的硬件平台。 XILINX的Spartan-II系列FPGA由三种可编程电路和一个用于存放编程数据的静态SRAM组成。这三种可编程电路是:可编程逻辑块(CLB-Configurable Logic Block),输入输出模块(IOB-I/0B lock)和互连资源OR-Interconnect Resource)。它的基本结构图如图2.1所示。可编程逻辑块(CLB)是实现逻辑功能的基本单元，它通常规则地排列成一个阵列，散布于整个芯片；可编程输入/输出模块(IOB)主要完成芯片上的逻辑与外部封装脚的接口，它通常排列在芯片的四周；可编程互连资源OR)包括各种长度的连线段和一些可编程连线开关，它们将各个CLB之间或CLB,IOB之间以及IOB之间连接起来，构成特定功能的电路。FPGA的功能由逻辑结构的配置数据决定。工作时，这些配置数据存放在片内的SRAM或熔丝图上。基于SRAM的FPGA器件，在工作前需要从芯片外部加载数据，配置数据可以存储在片外的EPROM 或其它存储体上。用户可以控制加载过程，在现场修改器件的逻辑功能，即所谓现场可编程。 图2.1 XilinxS patarn-II芯片内部结构以及Slices结构图2.2 具体设计方案2.2.1 系统框图系统以BMC完成各种数据接口和数字调制，以中心控制器为控制中心，加上必要的外围电路构成主机和从机。系统中心控制器与BMC之间除了交换数据之外，控制器还对BMC进行必要的控制。图2.2是无线数据传输系统的原理框图。图2.2无线数据传输系统原理框图2.2.2 系统特点BMC是数据通道的连接中心，它主要完成数字的调制与解调、数据传输的纠错和检错、时分双工通信方式的时隙分配以及对语音编解码模块和射频模块的初始化配置。通信过程的状态转换由中心控制器控制。整个无线数据传输系统具有以下特点：(1)可以独立完成数据信息的发送与接收。(2)可以实现语音信息的发送与接收，实现数字无绳电话的功能。(3)实现一个主机与数个从机间的半双工无线数据通信，具有通信信道的自动选择和切换的功能。(4)使用2.42.483GHz的ISM工作频段，信道之间的间隔为250KHz，共4个信道可供选择。2.2.3 芯片的前端设计流程芯片的前端设计就是完成FPGA的设计。一个完整的FPGA设计流程包括电路设计与输入、功能仿真、综合、综合后仿真、实现、布线后仿真和下板调试等主要步骤，如图2.3所示。其中电路设计与输入是根据工程师的设计方法将所设计的功能描述给EDA软件。常用的设计输入方法有硬件描述语言(HDL)和原理图设计输入方法。原理图设计输入法在早期应用得比较广泛，它根据设计要求，选用器件、绘制原理图、完成输入过程。这种方法的优点是直观、便于理解、元件库资源丰富。但是在大型设计中，这种方法的可维护性较差，不利于模块建设与重用。更主要的缺点是:当所选用芯片升级换代后，