新型专用计量芯片的数字电路设计研究.pdf

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1、鼬面鲴毋天洋大蓼中国近代第一所大学硕士学位论文学科专业：煎电壬堂皇固焦电王堂作者姓名：筮瞳指导教师：韭世盐副垫撞天津大学研究生院2 0 0 6 年1 月中文摘要随着我国各项改革的进一步深化以及水资源的紧张，各类计量用水、气表得到广泛应用，预计流量计量仪表产业将成为一个产值几百亿元的新兴产业；而且，它的持续发展期显然在1 0 年以上。项目“新型专用计量芯片”将研发一款用于各类无磁流量仪表的智能计量芯片，该芯片具有计量方法先进、精度高、功耗低、智能化、接口简单等特点。该项目是天津市科委科技攻关项目，本人主要负责系统的整体规划设计、无磁计量算法，以及数字部分设计，研发工具为S y n o p s y

2、 s 公司的相关设计工具。成功地研发具有自主知识产权的新型专用计量芯片将打破国外公司在该领域的垄断，有力地支持我国计量仪表产业的发展，具有巨大的经济效益和社会效益。全文采用自顶向下(T o p D o w n)的设计流程，对系统设计、算法设计、功能仿真，逻辑综合，F P G A 验证等内容进行了详细阐述。设计过程中将面积优化和降低功耗作为优先考虑的问题，尽可能减少实际使用器件的数量和降低算法硬件实现的复杂程度。关键词：无磁计量L c 传感器阻尼1 2 CA b s t r a c tW i t hd e e p e rr e f o r m si ne v e r ya s p e c ta

3、n dt h el a c ko fw a t e rr e s o u r c e，m a n ys p e c i f i cw a t e ra n dg a sm e t e r sa r ew i d e l yu s e d I ti se v a l u a t e dt h a tm e t r i cm e t e ri n d u s t r yw i l lb e c o m ean e wp r o m i s i n go n ew h i c hw i l ly i e l dt e nb i l l i o nR M Bp e rs i n g l ey e a

4、r,a n dw i l ll a s ta tl e a s t1 0y e a r s T h ep r o j e c t N e wM e t e r i n gA S I C”w i l ld e v e l o pa l li n t e l l i g e n tm e t e r i n gc h i pw h i c hC a nb ea p p l i e dt oa l lk i n d so f n o n m a g n e t i cv o l u m em e t e r s T h i ss p e c i f i cc h i ph a st h ec h a

5、 r a c t e r i s t i c so fa d v a n c em e t e r i n gm e t h o d，h i g hp r e c i s i o n，l o w-p o w e r,i n t e l l i g e n t i z a t i o na n di n t e r f a c es i m p l i c i t y T h i sp r o j e c ti st ot a c k l et h ek e yp r o b l e m sb r o u g h tf o r w a r db yT i a n j i nS c i e n c

6、 e&T e c h n o l o g yC o m m i t t e e Ia r nm a i n l yi nc h a r g eo f d e s i g n i n gt o p l e v e ls t r u c t u r e，d e v e l o p i n gt h en o n m a g n e t i cm e t e r i n ga l g o r i t h ma n dd e s i g n i n gt h ed i g i t a lp a r to ft h i sc h i pu s i n gr e l a t e dt o o l sp r

7、 o v i d e db yS y n o p s y s S u c c e s s f u li m p l e m e n t a t i o no fan e wm e t e r i n gA S I Cw h i c hh a si n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t yw i l lb r e a km a r k e tm o n o p o l i z a t i o no ff o r e i g nc o m p a n i e s，s u p p o r tt h ed e v e l o p

8、 m e n to fo u rm e t r i cm e t e ri n d u s t r ya n db r i n gh u g ee c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t s T h es y s t e ms p e c i f i c a t i o n，a l g o r i t h md e s i g n，l o g i cs y n t h e s i s，f u n c t i o n a ls i m u l a t i o na n df i n a lF P G Av a l i d a t i o na l e

9、d e s c r i b e di nd e t a i li nt h i st h e s i sa d o p t i n gat o p-d o w nm a n n er T h en u m b e ro fe l e c t r o n i cc o m p o n e n t si sd e c r e a s e dt ot h el o w e s tl e v e ls i n c et h er e d u c t i o no fc h i pa r e aa n dp o w e ra r eo f p r i m ec o n c e r ni nt h i s

10、d e s i g n K E YW O R D S：n o n-m a g n e t i cm e t e r i n g，L Cs e n s o r,d a m p e d，1 2 CI I I 独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤生盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名珠桅签字日期：知。占年1 月J r 日学位论文版权使用授权书本学位论文作

11、者完全了解盘鲞盘茔有关保留、使用学位论文的规定。特授权墨生盘生可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。(保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名：，；k 险导师签名：弓长屯中仁签字日期：钾，年月一日签字日期：印一年月a 厂日第1 章绪论1 1 集成电路的发展第1 章绪论从1 9 5 9 年第一个只有4 个晶体管的集成电路问世，到今天，一个芯片上可集成数十亿个晶体管，集成电路技术发生了惊人的变化，它经历了小规模(S S I)、中规模(M S I)、大规模(L

12、S I)、超大规模(v L s I)阶段，目前已经进入特大规模U L S I 阶段。而专用集成电路A I S C(a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t)的提出和发展说明集成电路进入了一个新阶段。通用的、标准的集成电路已不能完全适应电子系统的急剧变化和更新换代，而A S I C 产品才能达到要求。这也是自8 0 年代中期以来，A S I C 得到广泛传播和重视的根本原因。估计到2 0 1 0年专用集成电路的设计规模会达到4 0 0 0 万个晶体管【l】。随着集成电路的深亚微米制造技术、设计技术的迅

13、速发展，集成电路已进入片上系统时代。所谓片上系统，又称为系统级芯片，就是系统级集成电路，其英文缩写为S O C(S y s t e mO l lac h i p)或者S L I(S y s t e mL e v e lI C)。系统级集成电路(S O t)是在A S I C 的基础上发展起来的电路，它可以在单一硅芯片上实现信号采集、转换、存储、处理和I O 等功能，或者说在单一芯片上集成了数字电路、模拟电路、信号采集和转换电路、存储器、M P U、M C U、D S P、M P E G 等，实现了一个系统的功斛2 1。当器件的特征尺寸降到深亚微米级时，器件的物理特性和电学特性将会发生很大的变化

14、。互连线所引起的延迟在整个单元延迟中所占的比例越来越大；深亚微米连线变细，连线间距变小，连线变长，这就增加了连线的分布电容。由于信号频率很高，所以会引入串扰影响和噪声影响；由于互连线变细，易于引起电迁徙和热载流子效应，因此在集成电路的设计策略上发生了较大的变化，即要从原来面向电路单元的设计策略先安排电路模块，然第1 章绪论后考虑互连引线，更改为面向电路互连引线的设计策略先安排电路互连线网，然后再挂电路模块，这样便可以从总体设计上保证芯片高速工作。1 2 超大规模集成电路的典型流程现今电路设计主要有两种方法：一种使用硬件描述语言对系统进行行为级的分层描述，采用先进的E D A 工具进行综合，可以

15、得到满足要求的逻辑电路；另一种是人工对电路进行设计。前种方法适用于规模较大的集成电路，它的主要优点是设计时间短，功能清晰，缺点是综合出来的电路没有规则型，很难对电路进行分析，且各方面指标很难达到最佳化。后种方法其电路清晰，可以人工对电路结构进行优化，但它设计周期较长，一般适用于规模较小的电路。现在一般两种方法混合使用，对有些频繁使用或对整个系统的性能有重要影响的模块已采用后种方法【3 1。图1-1 给出了使用硬件描述语言的设计者典型使用的设计流程1 4 J：1 设计规范设计规范抽象地描述了所设计电路的功能、接口和整体结构。这时，没有必要考虑如何用具体电路来实现系统结构。2 行为级描述通过分析电

16、路的功能、性能、所要满足的标准以及其他的问题后，可以用硬件描述语言来编写行为级描述。并进行行为级描述的行为算法优化与功能仿真。3 R T L 描述完成了行为级描述的行为算法优化与功能仿真以后，通常需要进行向寄存器传输级(R 1 L)描述的转换。转换后的R T L 描述同样需要进行仿真验证。在R T L 描述中，设计者必须描述出所设计电路的数据流。在这步以后，设计过程是在计算机辅助设计工具的帮助下完成的。4 逻辑综合并得到相应的网表逻辑综合的目标是将R T L 的H D L 代码映射到具体的工艺上加以实现，因此从这一步开始，设计过程与实现工艺相关联。实现自动逻辑综合的前提第1 章绪论是要有逻辑综

17、合库的支持。自动综合工具将设计指标作为综合过程的约束条件，在给定的包含工艺参数的综合库中选取最佳单元，实现综合过程。对于比较复杂的设计，通常需要考虑测试问题，一般可用测试综合工具在逻辑电路的内部安排相应的测试电路。图1-1 集成电路设计的基本流程3 一第1 章绪论5 门级仿真逻辑综合后的仿真叫做门级仿真。逻辑综合工具把R T L 描述转换成门级网表。门级网表是使用门级电路以及门电路之间的连接来描述电路的方式。门级仿真与行为级仿真和R T L 仿真不同的是，门级仿真包含了门单元的延时信息，因而门级仿真需要相应的工艺的仿真库的支持。6 布局和布线并得到相应的物理版图这一步通常是借助布局布线的E D

18、 A 软件来完成。主要是进行布局规划，布局，时钟树的插入及全局布线；插入时钟树后的网表一般要重新进行综合，用F o r m a l i t y 验证插入时钟树前后的网表；全局布线后进行静态时序分析；之后进行细节布线以及版图后静态时序分析。7 后仿真在版图生成之后，把从版图中提取的参数反标到门级网表中，进行包含门延时、连线延时的门级仿真，称作后仿真。这一步主要是进行时序模拟，如果时序不能满足设计要求，通常需要修改版图的布局布线、逻辑综合的约束条件，有时也有可能回到R T L 描述、行为级描述甚至设计规范或算法实现上加以调整。之后是进行功耗分析和D R C&L v S 验证，生成G D S I I

19、 文件。8 生产版图得到验证后就可以送往生产厂家生产。1 3 课题背景1 3 1 背景和市场随着我国各项改革的进一步深化以及水资源的紧张，各类计量用水、气表得到广泛应用，以供热体制改革为例1 5 1。供热体制改革中“热”将作为一种商品在中国形成巨大消费市场，也预示着热计量和温控装置市场在中国的启动，中国启动城镇供热制度改革，使今后城镇供热系统的建设、运营和管理都将趋于市场化，为更多中外企业参与第l 章绪论投资提供巨大商机，“热”将作为一种商品在中国形成巨大消费市场。此外，供热改革将热量计费方式由按建筑面积收费变为按实际用热量收取，也预示着热计量和温控装置市场在中国的启动。中国城镇供热协会理事长

20、李秀介绍说，由于今后中国有集中供暖需要地区的新建住宅必须安装计热和温控装置，现有住宅也将逐步改装，这一市场将是非常巨大的。当供热(冷1 计量收费在全国开展后，仅热量表每年需求数量将近千万套，以每台1 0 0 0 元计将有近百亿元的市场。据统计，热量表包括户用表、楼用表和热力站总表，本身还需配套的基础产品(如流量计、测温头等)和配件(郊阀门、过滤器等)。此外实施热计量必然要发展势力系统平衡调控设备，以及施工、安装、调试、维护、服务系统等一系列相关产业。热计量仪表产业将成为一个产值几百亿元的新兴产业；而且，它的持续发展期显然在1 0 年以上 6】。1 3 2 国内外现状和必要性目前我国的计量供热改

21、革刚刚起步，欧洲发达国家的一些专业公司进入中国市场比较早。如：丹麦的丹佛斯公司，法国的斯伦贝谢公司，德国的费特拉公司等等。应该说是他们在中国引进了热量计收费的概念，传授了欧洲的经验，提供了热量表、温控阀及配套系统，在中国进行了计量节能效果的试点实验，建成了生产温控阀等相关设备的专业生产公司，等等。他们在促进中国建筑节能计量收费事业的启动和发展中发挥了重要的作用。现在中国市场上宣传、销售热量表的外国公司已有2 0 家左右。3 4 年前，欧洲出口到中国的户用热量表，每只价格为3 0 0 0 元以上。现在，已降到1 0 0 0 多元。国内的热量表生产企业大部分尚处于起步阶段，现在，全国已有数十家企业

22、单位研制或小批量生产了各具特色的热量表【饥。供热计量仪表产业是一个关系到促进我国建筑节能事业发展的产业，而且本身就具有几百亿的产值，将带动一批相关产业的发展，解决若干万人的就业问题，是可持续发展的新兴热点产业，肯定要建立在国产化的基础上。由于其应用环境的特殊性绝大部分仪表采用电池供电，因此所采用各类集成电路要求精度高、功耗低。其中核心电路如微处理器，传感器信号处理电路第1 章绪论都要从国外进口，因此研发出种类型高精度、低功耗的专用芯片将打破国外公司在该领域的垄断，有力地支持我国计量仪表产业的发展，具有巨大的经济效益和社会效益。1 4 主要研究内容目前计量用水表最主要的叶轮式流量计【8 1，所用

23、的传感器多数是磁电式，采用磁传递干簧管脉冲式计数。但存在以下问题：由于在叶轮上安装了磁性材料，不可避免会受到磁场影响。在强磁场附近，普遍出现磁传失效的现象；同时由于国内的管道大部分采用铁质的，随着管道的老化和水中含铁屑成分，水中(尤其是热水)的金属杂质会吸附在磁头上，导致采数不准确例。为了保证计量的准确性和可靠性，本项目采用无磁流量传感模块计量方式，研发一款用于各类无磁流量仪表的智能计量芯片，该芯片具有计量方法先进、精度高、功耗低、智能化、接口简单等特点。2 0 0 4 年天津大学专用集成电路设计中心和天津万华股份有限公司，以及深圳矽谷有限公司就开始联合开发新型专用计量芯片，该款芯片主要用于水

24、、气、热等计量仪器中。随着工作的进展，该项目得到了天津市科委的支持，成为天津市重点科技攻关项目。该芯片为新型无磁流量仪表的智能计量专用芯片，主要包括传感器激励、数字化处理、多通道计数、1 2 C 协议等；主要技术难点是低功耗计数算法的设计和实现。计数算法模块将采用先进的E D A 工具进行个模块功能仿真、逻辑综合仿真和F P G A 验证。该电路最多可以连接4 个传感器，可探测9 0 度的转动，3 V 时功耗小于8 微安。以上技术问题，是开发具有自主知识产权新型无磁流量仪表的智能计量专用芯片需要面对的主要技术难题，直接关系到芯片功能和性能。解决这些技术难题将加快该芯片的研发进程，也将为我市集成

25、电路设计业的发展贡献力量。第2 章无磁计量芯片的系统设计第2 章无磁计量芯片的系统设计2 1 无磁计量技术应用2 1 1 前言流量是日常生活和工业生产中最常见的物理量之一，与温度、压力、物位一样，是一般热工生产过程的重要参数。人们依靠这些参数对生产流程进行监督和控制，并实现生产流程的自动化。自古以来流量测量都是人类文明一种标志。埃及人用尼罗河流量计来预报年成的好坏。古罗马人修渠引水，采用孔板测量流量。直到本世纪5 0 年代，工业中使用的主要流量计只有孔板、皮托管、浮子流量计三种。被测介质的范围也较窄，测量准确度也只满足低水平的生产需要。二战后，随着国际经济和科学技术的迅速发展，流量计量日益受到

26、重视，流量传感器和仪表随之迅速发展起来。尽管如此，由于流量测量技术的复杂化，以及科学技术的迅速发展向流量计量提出更新更高的要求，流量计量的现况远不能满足生产的需要，还有大量的流量计量技术问题有待进一步研究解决。目前计量用水表最主要的叶轮式流量计，所用的传感器多数是磁电式，采用磁传递干簧管脉冲式计数。但存在以下问题：由于在叶轮上安装了磁性材料，不可避免会受到磁场影响。在强磁场附近，普遍出现磁传失效的现象；同时由于国内的管道大部分采用铁质的，随着管道的老化和水中含铁屑成分，水中(尤其是热水)的金属杂质会吸附在磁头上，导致采数不准确。为了保证计量的准确性和可靠性，本项目采用国外(美国、德国)在上世纪

27、末相继推出一种新型测试技术无磁计量技术。下面是结合本项目具体对无磁计量技术的应用加以介绍：第2 章无磁计量芯片的系统设计2 1 2 传感器原理当有流体流过计量设备的旋转轮(叶轮)，从而机械带动旋转轮转动1 1 0 l。通过检测此转动再进行信号处理可以得到流体流量。为了检测此转动，需要放置谐振L C 传感器在旋转盘附近(比如旋转轮的上方)。传感器在计量设备中的相对位置如图2 一l 所示。其中旋转盘的一半区域被涂了金属阻尼材料(比如铜)，如图2 2。图2 1 传感器与计量设备的相对位置图2 2 阻尼涂片每个传感器都是有电感电容构成的一个L C 振荡电路，如图2 3。L C振荡电路的激励都由传感器一

28、侧的简单脉冲提供。第2 章无磁计量芯片的系统设计bt，冉f 1r 飞图2 3 传感器的激励信号产蚴使用谐振L C 传感器的基本原理与L C 电路振荡时电感器辐射的磁场干扰有关【1 1 1。上述振荡由L C 传感器脉冲引起，激励后的振荡频率是传感器的基本频率，计算如下：，l-，雠兰矿公式(2-1)加入激励后，L C 衰减振荡电路将会围着电感线圈产生交替变化的电磁场。如果此时有导电材料被放置到交替变化的的电磁场中，在导电材料中会产生一种旋转电流，将会使L C 电路的能量消失的更加快。阻尼(导电)材料对振荡衰减速度影响因素有以下几点：阻尼材料的距离和位置。阻尼材料的尺寸和格式。阻尼材料的导电性和渗透

29、性。衰减振荡能用下式来计算。W)=r o 奉e x p(一6 搴f)c o s(c o*t)公式(2-2)6：阻尼常数。：角频率阻尼振荡的角频率由阻尼常数决定。第2 章无磁计量芯片的系统设计：2 牛万+毛：乒 公式(2 3)l6=r-上式中，。幸C。导电材料影响着阻尼常数6。采样率是有最大旋转频率和系统(传感器个数，传感器之间的夹角，阻尼覆盖角度)决定的，下式是计算2 个传感器，阻尼覆盖角度为1 8 0。系统的最小采样率公式：s a m p l i n gr a t e ：2 3 6 o _ _ 2 孛r o t a t i o 拧。“公式(2 4)其中，s a m p l i n gr a

30、t e m。：最小采样率a：2 个两个传感器间的夹角r o t a t i o n。：最大旋转频率一旦电路进入振荡，则L Cf o s c 输出随存储能量的消耗渐渐衰减为零【1 2】。振荡时，通过传感器的电流产生磁场，磁场通常情况下不受外部因素影响。但如果有金属表面靠近振荡的电感器时，如前面所解释，产生的旋转电流将会使L C 电路的能量消失更快，信号衰减速率就会快很多。下面以两个成9 0。放置的传感器为例进行说明。图2 4 显示了详细的传感器配置视图，并显示了减振轮(d a m p i n gw h e e l)以及相应的输出信号。图2 4 传感器配置与振荡第2 章无磁计量芯片的系统设计如图2

31、 4 所示，传感器1 受到转动轮金属涂层部分的影响。与未受影响的传感器2 的信号输出相比，振荡衰减率增加。由磁场切割在金属表面形成的感应涡流(旋转电流)增加了L C 传感器的负载，从而加快了激励振荡的存储能量的消耗。增加的衰减率也可称为金属表面产生的传感器衰减【1 3】。2 1 3 检测原理如何检测流量表中叶轮的旋转，从而实现对液体或气体体积的计量。还是以两个成9 0。放置的传感器为例进行说明。图2 5 是检测流量表中叶轮旋转的原理图。图2 5 检测流量表中叶轮旋转的原理图图中长方形部分是专用计量芯片，并由其产生L C 振荡电路所需要的激励信号。由L C 振荡电路组成的是无磁传感器，两个传感器

32、固定不动，电感L 下面的叶片由流量表中的涡轮带动旋转。叶片的一半涂有特殊的阻尼材料(图中灰色部分)，当L 处于没有阻尼材料的半边叶片时，输出正常衰减的正弦波(u n d a m p e d)。当L 处于涂有阻尼材料的半边叶片时，输出衰减幅度增大的正弦波(d a m p e d)。传感器输出的正弦波作为计量芯片的输入，通过计量芯片对信号进行处理，判定叶片旋转的状态，包括旋转的角度和旋转方向，计量芯片数据处理后通过1 2 C 和单片机通信，达到计量流体体积的目的。第2 章无磁计量芯片的系统设计图2-6 叶片旋转状态的检测原理图2-6 所示为叶片旋转状态的检测原理，当计量芯片检测到两个无磁传感器的状

33、态发生四次连续变化时，就认为叶轮旋转了一周。通过识别传感器状态变化的顺序，也可以检测出水流的方向。2 2 计量芯片设计概述2 2 1 结构概述由图2 5 可知传感器L C 电路都置于计量芯片的外部，做为芯片的输入信号，对于芯片的内部按功能又可以分为两个主要的模块。如图2 7 所示，传感器输出的正弦衰减波作为计量芯片的输入，输入信号首先通过模拟第2 章无磁计量芯片的系统设计电路把模拟信号转换成数字电路可以识别的数字信号。计量芯片的数字电路对信号进行处理，判定叶片旋转的状态，包括旋转的角度和旋转方向，数字电路处理后的信号通过1 2 C 发送给M C U，M C U 发送并通过1 2 C 传回的控制

34、信号再由数字电路部分对传感器和芯片内电路实现控制。从而达到计量流体体积和节能的目的。2 2 2 模拟电路部分图2 7 计量芯片结构框图将流量传感器输出的衰减波形转换成数字量，要经过比较器，放大器等模拟电路处理，其中最主要的是比较器电路。比较器电路是将一个模拟信号与另一个模拟信号进行比较，根据比较结果输出一个二进制信号。这里指的模拟信号就是在给定的时间点上，信号可以具有连续幅值中的任一值。严格地讲，一个二进制信号的概念太理想化了，在现实世界中，两个二进制状态间是有过渡区的1 1 4 J。图2 8 给出了比较器的一种表示符号。由于比较器的许多特性跟高增益放大器相同，所以比较器的符号也跟运算放大器类

35、似。第2 章无磁计量芯片的系统设计v Pv NV o图2-8 比较器电路符号振荡检测以及更重要的变化衰减率检测用简单的比较器与电压参考实施。我们用有关振荡信号驱动比较器的一个输入，用参考信号驱动其它输入，这样，如比较器输出大于参考电压，就会与传感器输出发生振荡：如振荡低于比较器参考电压，则比较器输出会变为零。闭锁比较器输出，就完成了模拟传感器系统到数字域的转变，可进行u C 处理。如果我们仔细校准比较器参考与信号具体点上的衰减和未衰减振荡间的下降，那么比较器输出就会反映传感器的状态。如果我们以通用数模转换器(D A C)替代参考的话，那么就可以方便地校准参考电压，并能根据系统稍有不同的传感器的

36、要求积极修改参考电压，或对测量系统施加磁滞。如图2-9 所示，当输入信号幅值大于参考电压V R E F 时，比较器输出一个脉冲，通过计脉冲的个数可以很容易地判定正弦波的衰减状态。k F咄山圳心0Iu r 幽q。d图2-9 正弦波衰减幅度的检测原理第2 章无磁计量芯片的系统设计2 2 3 数字电路部分此模块为本无磁流量仪表的智能计量芯片的核心部分，其功能为从模拟电路部分读取比较后的数字信号，选用适当的算法识别阻尼信号，并根据需要决定使用传感器个数和算法计算得出旋转数量并通过1 2 C 和单片机通信，达到计量流体体积的目的。同时，该模块还要控制传感器的选通，比较器的选通，输出各种时序控制信号来达到

37、算法的需要和节能的目的。该模块详细算法将在第三章中详细说明。2 2 41 2 C 协议应用2 2411 2 C 总线的基本概念1 2 C 总线是P h i l i p s 公司推出的芯片问串行传输总线【”】，它以二根连线实现了完善的全双工同步数据传送，可以方便的构成多机系统和外围器件扩展系统。1 2 C 总线支持任何I c 生产过程(N M O S、C M O S、双极性)。两线一一串行数据S D A 和串行时钟S C L 线在连接到总线的器件间传递信息。每个器件都有一个唯一的地址识别(无论是微控制器，L C D 驱动器，存储器或键盘接口)，而且都可以作为一个发送器或接收器(由器件的功能决定)

38、。举例来说，很明显L C D 驱动器只是一个接收器而存储器则既可以接收又可以发送数据。除了发送器和接收器外，器件在执行数据传输时也可以被看作是主机或从机(见表2-1)。主机是初始化总线的数据传输并产生允许传输的时钟信号的器件，此时任何被寻址的器件都被认为是从机。第2 章无磁计量芯片的系统设计表2-I1 2 C 总线术语的定义术语描述发送器发送数据到总线的器件接收器从总线接收数据的器件主机初始化发送产生时钟信号和终止发送的器件从机被主机寻址的器件多主机同时有多于一个主机尝试控制总线但不破坏报文仲裁是一个在有多个主机同时尝试控制总线但只允许其中一个控制总线并使报文不被破坏的过程同步两个或多个器件同

39、步时钟信号的过程2 2 4 21 2 C 协议的基本工作原理1 2 C 总线是一个多主机的总线这就是说可以连接多于一个能控制总线的器件到总线。图2 1 0 是一个典型的1 2 C 总线应用系统。由当时数据传输的方向决定传输数据的过程如下：假设微控制器A 要发送信息到微控制器B1)微控制器A(主机)寻址微控制器B(从机)2)微控制器A(主机)发送器发送数据到微控制器B(从机)接收器3)微控制器A 终止传输如果微控制器A 想从微控制器B 接收信息l 微控制器A(主机)寻址微控制器B(从机)2 微控制器A(主机)接收器从微控制器B(从机)发送器接收数据3 微控制器A 终止传输甚至在这种情况下主机微控

40、制器A 也产生定时而且终止传输。连接多于一个微控制器到1 2 C 总线的可能性意味着超过一个主机可以同时尝试初始化传输数据，为了避免由此产生混乱发展出一个仲裁过程，它依靠线与连接所有1 2 C 总线接口到1 2 C 总线，如果两个或多个主机尝试发送信息到总线在其他主机都产生0 的情况下，首先产生一个l 的主机将丢失仲裁。第2 章无磁计量芯片的系统设计图2 1 0 使用两个微控制器的1 2 C 总线配置举例在1 2 C 总线上产生时钟信号通常是主机器件的责任。当在总线上传输数据时，每个主机产生自己的时钟信号，主机发出的总线时钟信号只有在以下的情况才能被改变：慢速的从机器件控制时钟线并延长时钟信号

41、或者在发生仲裁时被另一个主机改变。S D A 和S C L 都是双向线路，都通过一个电流源或上拉电阻连接到正的电源电压，当总线空闲时这两条线路都是高电平。连接到总线的器件输出级必须是漏极开路或集电极开路才能执行线与的功能。1 2 C 总线上数据的传输速率在标准模式下可达1 0 0 k b i t s，在快速模式下可达4 0 0 k b i t s，在高速模式下可达3 4 M b i t s，连接到总线的接口数量只由总线电容是4 0 0 p F 的限制决定2 24 31 2 C 协议的工作时序1 2 C 总线具体信号传输只需S D A 数据和S C L 时钟两根线，其中的S D A数据线用来传输

42、各控制信号的数据及这些数据占有的地址等内容，S C L 时钟线用来统一主控器件与被控制器件的之间的时序 1 6】。依据1 2 C 总线的传输协议，总线工作时的具体时序图2 1 1 如示：第2 章无磁计量芯片的系统设计l!I 一一!$D A _ 1 _；叵X 二 =烃一二 口：厂rlIlIlIIIs 1 了u 飞厂u、，L 八，乙仃S t a r tA C KS t q aC t m d R J o nC o n d i b o n图2-1 11 2 C 总线工作时序1)起始信号(S t a r tC o n d i t i o n)：在时钟S C L 为高电平期间，数据线S D A 出现由高电

43、平向低电平的变化，用于启动1 2 C 总线，准备开始传送数据。2)停止信号(S t o pC o n d i t i o n)：在时钟S C L 为高电平期间，数据线S D A出现由低电平向高电平的变化，用于停止1 2 C 总线上的数据传送。3)应答信号(A C K)：1 2 C 总线的第9 个脉冲对应应答位，若S D A 总线上显示低电平则为“应答”(A)，若S D A 线上显示高电平则为“非应答”(A)。数据传输必须带响应，相关的响应时钟脉冲由主机产生，在响应的时钟脉冲期间发送器释放S D A 线，在响应的时钟脉冲期间接收器必须将S D A 线拉低，使它在这个时钟脉冲的高电平期间保持稳定的

44、低电平。通常被寻址的接收器在接收到的每个字节后必须产生一个响应(应答信号)。当从机不能响应时(例如它正在执行一些实时函数不能接收或发送，从机必须使数据线保持高电平)，主机然后产生一个停止条件终止传输或者产生重复起始条件开始新的传输。4)数据传送：1 2 C 总线起始信号或应答信号之后的第l 8 个时钟脉冲对应一个字节的8 位数据传送。在脉冲高电平期间，数据串行传送；在脉冲低电平期间，数据准备，允许总线上数据电平变化。发送到S D A 线上的每个字节必须为8 位，每次传输可以发送的字节数量不受限制，每个字节后必须跟一个响应位。首先传输的是数据的最高位(M S B)。如果从机要完成一些其它功能后(

45、例如一个内部中断服务程序)才能接收或发送下一个完整的数据字节，可以使第2 章无磁计量芯片的系统设计时钟线S C L 保持低电平迫使主机进入等待状态，当从机准备好接收下一个数据字节并释放时钟线S C L 后数据传输继续。2 244 计量芯片1 2 C 读写信号计量芯片通过1 2 C 协议与M C U 进行通信，M C U 读取芯片中的各种中断信号和旋转状态信号，并写入各种控制信号。具体如下：读取信号：0 0 字节B y t eB i t 7B i t 6m t S s i t4B i t 3B i t 2B i t lB i t O帅A E N A B L EB E N A B L EC E N

46、 A B L E D E N A B L EE R R O R T A Gl F-、w O L LI F-、唧1 E RI F _ V C Y CA E N A B L E：O：传感器A 关闭，不在采样周期中使用E R R O R T A G7I FW O L L：1：传感器A 开启，在采样周期中使用0：传感器B 关闭，不在采样周期中使用1：传感器B 开启，在采样周期中使用0：传感器C 关闭，不在采样周期中使用1：传感器C 开启，在采样周期中使用0：传感器D 关闭，不在采样周期中使用1：传感器D 开启，在采样周期中使用O：状态正常l：状态出错0：没有中断1：全翻转(旋转一周)中断标记0：没有中

47、断1：1 4 翻转(旋转1 4)中断标记I F _ V C Y C：0：没有中断1：传感器A D 采样周期完成，产生中断0 1，0 2 字节B y t eB i t 7m t 6B i t 5B i t 4埘t 3B i t 2B i t lB i t 0O lV I E R C N T 7 V I E R C N T 6 V I E R C N T S V I E R C N T 4 V I E R C N T 3 V I E R C N T 2 V I E R C N T I V I E R C N T O0 2V I E R C N T l lV I E R C N T l lV I E

48、 R C N T l l V I E R C N T l lV I E R C N T l IV I E R C N T l 0V I E R C N T 9 V I E R C N T 8第2 章无磁计量芯片的系统设计V I E R C N T 0 11：1 4 旋转计数器(1l 位加1 位符号位表示旋转方向)0 3，0 4 字节B y t eB i t7B i t 6B i t 5B i t 4O jV I E r T 7V I E l l 百V I E T T 5V I E T r 40 4E T T l 5V l E l T l 4 V I E T T l 3V I E T T l 2

49、V I E T T 0 1 5：1 6 位的采样脉冲计数器0 5 字节B i t 2E T T 2V I E T T l OB i t lV I m lV I E mB y t eB i t 7埘t 6B i t 5B i t 4B i t 3B i t 2B i t IB i t 0帖D A T E DC N T D 6C N T D 5C N T D 4C N T D 3C N T D 2C N T D lC N T D OC N T D 0 6：上个采样周期D 传感器的脉冲个数计数值D A T E D：0：D 传感器当前状态为阻尼态1：D 传感器当前状态为非阻尼态0 6 字节B y t

50、eB i t70 6D A T E CC N T C 0 6：D A T E C：0 7 字节B y t eB i t 70 7D A T E BC N T B O 6：D A T E B：0 8 字节B y kB i t70 3D A T E AC N T A 0 6：D A T E A：B j t 肼t 5B i t 4B i t 3B i t 2B i t lB“0C N T C 6C N T C 5C N T C 4C N T C 3C N T C 2C N T C IC N T C 0上个采样周期c 传感器的脉冲个数计数值0：C 传感器当前状态为阻尼态l：C 传感器当前状态为非阻尼态