集成电路设计与集成系统(6篇)

集成电路设计与集成系统篇1

关键词：航空;设计光纤;以太网;智能数据;采集装置

中图分类号：TP212;TP274文献标识码：A文章编号：1006-8937（2016）03-0070-02

1背景概述

近年来，我国航空航天技术取得了快速的发展，智能数据采集装置也越来越多被应用于航空设计中，满足了我国航空航天发展的需要。智能数据采集装置是整个航空航天系统中的重要装置，它直接影响了我国航空航天设计的整体性能。将基于光纤以太网的智能数据采集装置应用于我国航空航天设计中，有利于我国航天设计整体性能的优化。

智能数据采集装置在航空航天设计中一般被应用于对相关直流电压及各种开关量进行采集，实现监控系统及告警节点的通信功能。监控系统对它们进行统一的监控和控制。但是，由于相关因素的制约，通信效率相对比较低，带宽也比较小，无论是监控策略还是相关装置的数字化都不够灵活。光纤的通信性能体积比较小，相对比较优越，带宽容量大，抗干扰能力很强。同时其改造成本相对比较低，有利于社会效益和经济效益的同步实现，能够从根本上提升通信质量。

2智能数据采集装置的硬件设计

2.1直流电压采集电路

直流电压采集电路需要直流电压采样通道对相关电路进行选择，然后对直流控制母线和合闸母线进行相应的电压采集。蓄电池组电压和霍尔线圈剩余电流所转换的电压采集电路都可以用这种方式进行电压采集。将其应用于航空航天设计过程中，能够保证其整体采集装置性能的优化，从根本上提高我国航空航天设计水平，实现航空设计过程中各项基础设备的优化[1]。

2.2交流量采集电路

交流量采集电路由交流电压和电流的采集电路组成，能够对进线电源的电压、电流、有功和无功信息进行监控。交流采集电路的原理是在主备二路进线三相交流电压采集通过互感器降压和隔离之后，用AC/DC的有效值将芯片转换成直流电压，然后将相关结果输入芯片中来采集电压值[2]。

光耦继电器选择电路通过相关的芯片来实现，通过对输出管脚进行配置来选择合适的采样通道。降压与隔离电路对采集电流或电压通道的选择是通过电压互感器将输入端和采集端进行隔离，然后通过多路通道复用芯片CD4051实现的。有效值芯片AD736将交流电压转换成直流电压输出，然后经过电阻进行分压和电容滤波，进行相关采样。依据相关的采样数据能够进行相应的数据信息处理和有功无功的相关计算[3]。

2.3开关量采集电路

开关量采集电路主要对各种开关的状态量、控制母线出线开关量、合闸母线出线开关量等状态量进行采集。在航空设计过程中，相关设计人员要认识到开关量采集电路系统的重要作用，结合开关量采集电路的实际发展情况和性能，对其进行优化设计。技术人员可以对开关量采集电路进行设计，依据不同的需求对路数进行不同的设置。

线路数量随着性能的需求变化而变化。设计人员在开关量采集电路的设计过程中要针对实际的航空需求来开展，避免线路设置的盲目性和不合理等。开关量输入的公共端都是相同的，其开入电源都是由内部电路依据相关情况提供的。

2.4开出量控制电路

开出量控制电路是航空设计过程中的重要组成部分。它直接影响了设备的总体性能。开出量控制电路是结合相应的控制策略，对继电器的动作进行自动控制，以满足其告警、控制和状态等相关需求。可以对TLP521芯片的输入端引脚的高低电平进行控制，来实现继电器的相关动作，低电平控制继电器开出。设计人员在对开出量控制电路进行设计的过程中要结合设备的具体运行情况进行合理的规划和安排。

2.5光纤以太网线路

本文通过对传统的串口通信模式进行改变，并将光纤通信应用于以太网线路中，提高整体通信质量。这些通信过程中，采用以太网数据报送文件对传输数据进行封装，以提高数据的传输质量和效率，并结合直流电源系统对数据吞吐量进行相应的要求。

光纤以太网线路主要由网络隔离变压器、光纤收发器、光电转换和收发一体化模块组成。通过相关的硬件电路实现以太网和光纤的桥接。网络隔离变压器采用的是TS6121C芯片，光纤收发器则是采用传输容量为的IP113A芯片[4]。

3智能数据采集装置的软件设计

3.1改进的控制策略

由于发展水平的制约，传统的智能数据采集装置不能满足相关的软件设计要求，通过监控装置实现的，智能数据采集装置对数据的反馈和相关控制命令的执行过程都相对比较复杂。不仅需要对下位装置进行逐个轮询，而且需要在下位装置的相关数据交换完成之后，才能进行下一个数据的交换，不仅浪费时间，而且不利于及时发现数据传输过程中的异常。

将光纤以太网应用于数据采集装置中，能够对控制策略进行相应的提升和优化。当智能数据采集装置在数据和信息的采集过程中发生问题，可以实现实时主动上传，并且对其他数据没有影响。

如果出现故障，能够及时将故障信息反馈给相关的监控装置。然后监控装置结合数据采集的具体情况对实时控制处理信息进行下放。

3.2流程设计

软件流程设计由数据处理、采样和监控装置通信交互三部分组成。技术人员可以通过定时中断对开关状态量进行采集。并根据相关的采集数据和通信信息对相关数据进行解码，严格按照相关要求和流程进行相应的规划，从根本上提升整体设计质量[5]。

4结语

以光纤以太网为前提的智能数据采集装置不仅能够避免复杂电磁环境中受到干扰，而且能够实现数据采集和显示以及故障处理的实效性，有利于监控装置和采集装置进行相关的数据交流，实现了数据交换方式的多样化。

技术人员要充分认识到以光纤以太网为前提的智能数据采集装置在航空航天设计过程中的重要作用，从根本上对智能数据采集装置进行优化，以提高我国航空航天设计水平。

参考文献：

[1]梁彩云，谢业平，李泳凡，等.飞/发性能一体化技术在航空发动机设计中的应用[J].航空发动机，2015，（3）.

[2]陈起磊，王志新.基于DSP永磁智能断路器数据采集系统的分析与设计[J].低压电器，2012，（1）.

[3]蒋莹莹，毛乃虎，张雷，等.基于光纤以太网的智能数据采集装置[J].低压电器，2013，（18）.

集成电路设计与集成系统篇2

关键词：FPGACPCI高速通信电路设计

中图分类号：TP274.2文献标识码：A文章编号：1007-9416（2013）04-0091-03

在工业现场信号采集处理领域里，随着数据量和对环境要求苛刻性的不断增加，对于数据采集处理平台的要求也不断提高。将CPCI架构应用到数据采集处理平台，其本身所具有的通用性、热插拔、可扩展性、高可靠性等特性非常适合数据采集处理系统。为了提高数据采集和处理效率，数据采集系统以FPGA为处理核心，加上高性能的数据转换芯片，实现各种信号的实时采集处理。这种采用FPGA+CPCI总线混用的硬件系统把几个方面的优点结合到一起，既兼顾了速度和灵活性，又满足了底层数据实时同步采集和高层数据狭速运算的要求。

本文重点介绍基于FPGA和CPCI的数据采集系统的硬件电路设计与功能实现。

1系统硬件框图

高速数据采集系统的硬件原理框图1所示。

由上图可知，高速数据采集系统主要由以下电路组成：多路开关控制电路、模拟信号调理电路、FPGA控制电路、存储电路、CPCI转换接口。

2具体的硬件电路设计

2.1多路通道选择电路设计

集成多路模拟开关芯片是程控增益放大等常用器件，其性能的好坏对系统的设计指标有着重要的影响。

在这里我们从经济和性能角度出发，选择ADI公司的ADG508。ADG508为单芯片CMOS模拟多路复用器。ADG508根据3位二进制地址线A0、A1和A2所确定的地址，将8路差分输入之一切换至公共差分输出。所有器件均提供EN输入，用来使能或禁用器件。禁用时，所有通道均关断[1]。

ADG508均采用增强型LC2MOS工艺设计，适合高速数据采集系统和音频信号开关应用。接通时，各通道在两个方向的导电性能相同，输入信号范围可扩展至电源电压范围。在断开条件下，达到电源电压的信号电平被阻止。所有通道均采用先开后合式开关，防止开关通道时发生瞬时短路。设计本身具有低电荷注入特性，当切换数字输入时，可实现最小的瞬变。

本设计中实现8路差分工作模式，多路开关电路设计如图2所示[2]。

如上图所示，八路通道号与外部模拟量相接，通道选择A0～A2和使能端EN与FPGA连接，通过FPGA可以实现对多路复用器进行开关控制和通道选择。

2.2A/D电路设计

AD转化主要分为两个步骤：先实现连续时间信号离散化，这需要对连续时间信号进行采样，随后完成量化。

通常模拟信号通过50欧电阻传输，为了避免阻抗不匹配，在这里引入一个50欧匹配电阻，减少信号反射、振铃等问题，尽量保证信号无损失无失真地进入系统。

为了提高AD芯片的接收性能，抑制由电源和地引入的共模寄生噪声。这里采用单端转差分电路，较少轨道塌陷和电磁干扰。具体电路设计如图3所示[3]。

为了得到芯片最有性能，AD采样需要提供高质量低相位噪声的时钟信号，这里采用时钟芯片来直接产生。

2.3存储部分

数据存储器读写模块用来对AD6645采集后的数据进行存储及读取。为了保证FPGA控制核心与工控机通信一次性读取大量数据，本系统中用到了两片外部SRAM（KM681000BLP），其中一片用来对采集过来的数据进行存储，另一片用来读取存储在SRAM中的采集数据，以便与工控机进行通信[4]。系统运行过程中，两片SRAM轮流进行读写操作，这将大大提高并口通信速度及数据吞吐量。FPGA控制核心与KM681000BLP接口原理图如图4所示。图中Data0-Data7为双向数据总线；We为存储器写信号，低有效，高无效；Oe为存储器读信号，低有效，高无效；Cs为片选，低有效，高无效。

本系统对两片SRAM（SRAM1、SRAM2）轮流进行读写是通过乒乓传输结构来实现的，该结构可以保证该系统通道采样和数据传输连续进行。乒乓传输控制原理如图5所示[5]。

乒乓传输控制原理：输入数据流通过“输入数据流选择单元”，等时地将数据流分配到SRAM1、SRAM2中。在第1个缓冲周期，将输入的数据流缓存到SRAM1[6]。在第2个缓冲周期，通过“输入数据流选择单元”的切换，将输入的数据流缓存到SRAM2，与此同时，将SRAM1缓存的第1个周期的数据通过“输出数据流选择单元”的选择，送到“数据流运算处理模块”被运算处理。在第3个缓冲周期，通过“输入数据流选择单元”的再次切换，将输入的数据流缓存到SRAM1，与此同时，将SRAM2缓存的第2个周期的数据通过“输出数据流选择单元”的切换，送到“数据流运算处理模块”被运算处理。如此循环，周而复始。

2.4CPCI接口部分

本设计主控FPGA芯片是采用CPCI总线接口形式，我们采用PLX公司的PC工9045芯片实现FPGA与CPCI总线接口的无缝连接[7]。

2.4.1基于FPGA的PCI总线设计分析

整个CPCI接口设计的思路为：FPGA通过协议转换芯片PCI9054，跟CPCI总线进行连接。FPGA内部采取异步双口RAM来进行高速数据缓冲。通过verilogHDL控制FPGA异步双口RAM，从而实现嵌入式CPU与CPCI板卡之间的高速传输。

PCI9054协议转换芯片的Local总线模式有三种，分别为M，J和C模式，本设计选用C模式工作方式。

在这种工作模式下，9054芯片通过片间逻辑控制，将PCI的地址线和数据线分开，很方便地为本地工作时序提供各种高难工作方式，一般较为广泛的应用于系统设计中。对于这种工作方式，设计者只要严格的把握时序的控制，把local端和PCI端的各种时序控制线的时序过程严格控制，就可以很好的应用9054芯片。

在C模式下，PCI9054协议转换芯片通过片内的逻辑控制单元将CPCI数据总线和局部地址进行分开。这种方式可以灵活为FPGA，CPU等处理单元提供各种独立的工作方式，从而有效地降低系统开发的难度。

2.4.2基于FPGA的PCI总线设计实现

PCI9054协议转换芯片支持DMA传输方式，主方式和从方式。DMA传输方式的数据要快很多，对于FPGA控制来说从模式方式，更利于FPGA控制。从模式传输方式的设置可以使CPCI总线上的其它主设备方便地访问PCI9054局部总线上的配置芯片和内存。具体的传输示意图如图6所示。

2.5电源设计

在本次设计中，基于PCI的数据采集卡上的所有芯片都采用3.3V电源供电。但考虑到目前大部分PC机系统中只有SV的PCI插槽的现状，我们将PCI适配卡引脚组合设计为SV型，并利用电压转换电路将主机板提供的5V电源换为3.3V电源（本次设计中我们使用的LT1587），这样既达到了低功耗的目的，又实现了SV信号环境兼容。而在设计基于CPCI的数据采集卡时，也采用了同样的处理方法。电压转换电路如图7所示。

2.6时钟设计

时钟电路框图如图8所示。时钟网络中，MC100LVEP完成了主要的时钟产生功能，它的特点就是能同时接收两路差分时钟的输入，通过CLKSEL的高低电平信号控制来选择使用哪一路时钟；同时还在于它的多路差分时钟输出，共计10路，低抖动，低时钟偏差，完全符合本文设计的需要。

参考文献

[1]夏成海.基于Linux的嵌入式无线监测数据采集系统的设计：[硕士学位论文].北京邮电大学，2011.

[2]张宏壮，王建民.基于Linux的嵌入式数据采集系统.微计算机信息，2008：20.

[3]陈立新，梁明.基于ARM和Linux的数据采集系统以其在电能质量监测中的应用.环境技术，2010：03.

[4]吴健.基于FPGA的PCI数据采集卡的研究与开发：[硕士学位论文].中南大学，2008：5.

[5]刘剑.基于PCIExpress和DDRⅡSDRAM的高速数据传输系统的研制：[硕士学位论文].南京信息工程大学，2009：5-1.

集成电路设计与集成系统篇3

关键词：STM32F103，数据采集，数据通信

仿真驾驶模拟器是机械、电子及计算机技术为一体的复杂系统，该系统由驾驶室与电动伺服装置组成的仿真驾驶单元，计算机、投影机和环形幕组成显示单元及驾驶数据采集模块单元组成。仿真驾驶模拟器除可进行模拟驾驶训练外，还具有汽车驾驶技能形成性评价、个性化培训计划、交通事故经典案例教学、驾驶案例性测评等的汽车驾驶应用培训教学。论文格式。论文格式。其中数据采集单元实时采集仿真驾驶室内的各操纵机构状态，并将采集到的数据经串口传送到上位机，上位机通过汽车动力学模型及当前路况信息计算出当前速度、加速度、方向、位置等信息作为计算机实时生成图象和控制电动伺服缸动作依据，同时依据采集到的数据完成对驾驶行为过程回放、行为分析、技能等综合评估。

1数据采集系统总体设计

如图1所示，数据采集系统主要由各检测模块及检测电路、单片机、采集芯片、通信接口和上位机组成。其中采集芯片是系统的核心部件，采用ARM核心的STM32F103芯片，采集芯片控制系统的变速器、转向盘、加速踏板及各种开关等的位置状态，包括对数据进行采集、存取、时间参数设置与主机通信等。时钟信号也是由采集芯片产生，定时对采集芯片机产生复位信号，使主单片机完成一次数据采集，然后又进入休眠状态。其中转向装置采用光电编码器和现场可编程逻辑正列（FPEG）组成数字式传感器，通过RS232与STM32通信。

数据采集系统在工作时，对模拟数据首先要通过放大器对信号进行处理后传送到STM32F103的ADC模块转化为数字信号，对开关量和数字传感器信号通过I/O或通信接口传送到STM32F103，最后采集来的信号按照一定的通信协议发送到上位机处理。

图1汽车模拟器数据采集系统总体设计

2硬件设计

仿真驾驶室内的需要检测各种模拟装置的信号。这些状态根据采用的传感器可分为三类：数字量、模拟量和开关量。

2.1模拟量的采集

加速踏板、离合器踏板和行车制动踏板（三踏板）的踏板行程分别反映供油量大小、离合器结合程度及制动力大小，所以传感器应采集出的是连续变化的量，即是模拟量。模拟量的采集要去抗干扰能力强，在设计中选择了线性位移传感器与三踏板的机械连接组成。线性位移传感器的阻值变化特性为直线型，能够准确反映三踏板行程的大小。

STM32核心为CORTEX-M3，内部集成了2个1Msps12bit的独立ADC，2个ADC前端由两个多路切换器组成16路的模拟输入通道，并将每个模拟输入通道的结果存入对应的16个A/D转换数据寄存器（ADDR）中。并且内部高达72MHZ的主频，高达1.25DMIPS/MHZ的处理速度，ADC最高速采样的时候需要1.5+12.5个ADC周期，高速的DMA传输功能，灵活强大的4个TIMER等。加速踏板、离合器踏板和行车制动踏板模拟信号经多路模拟开关和信号调理电路经相应的控制电路与ADC0、ADC1和ADC2三个模拟通道相连，完成对信号的采样与转换。

2.2开关量采集

模拟的操作有大量的开关量信号。组合开关、点火开关等采用EQ153型实车开关来实现仿真驾驶的开关操作功能，在实车开关上都有微动开关，主芯片可通过光电隔离器与微动开关相连，提取开关量，并转换为标准逻辑电平进行处理。变速器采集模块采用两个PCB电路板构成变速器模拟装置，一个PCB电路板装有4对发光二极管和光敏三极管，一对放光二极管和光敏三极管构成一路采集，固定于变速器外壳内与机械结合采集档位杆操作动作，变速器采集模块与主控板I/O采集接口连接，当有档位使能动作时，主控单片机要实时采集到变速器的使能动作。手制动采集模块选用行程开关模拟，采集手制动动作，行程开关安装于手制动控制杆底侧，手制动采集模块接线端子与主控板I/O接口连接，主控板能实时采集到手制动操作使能。

2.3转向盘关电编码设计

转向盘度采集模块采集转向盘的旋转的角度、方向。考虑在实际驾驶中转向盘要求有一定的间隙，在采集时，采集精度要低，所以选用了以光电编码为原理的码盘检测机构与转向盘的转向立柱连接用于模拟转向装置，光电编码为750个脉冲/圈，将转向盘的角位移转换为电脉冲输出。光电编码单独采用现场可编程逻辑阵列(FPGA)数据处理，FPGA不仅具有高精度的同步传输能力，而且具有速度高、体积小、抗干扰能力强的优点。如图2所示，由光电编码器输出的A相、B相和Z相脉冲信号经光电耦合器抑制传输过程中的高频噪声信号后送入FPGA处理器，在FPGA中按照倍频和鉴别方向设置等进行计数处理，得到实时脉冲数，最后通过RS232与采集芯片通信，并传输到主控芯片STM32F103。

图2转向盘光电编码硬件设计

2.3与主机的通信接口

由于数据采集单元与上位机的主控室距离较长，所以采用传输距离可达1000多米，传输速率10Mbs的RS485总线通信标准。通信接口芯片采用Sipex公司的SP3075E芯片，接口设计如图3所示。论文格式。

图3通信接口连接图

3软件设计

模拟器数据采集系统在数据采集过程中，应完成多路模拟信号的采集和转换，在上位机指令下将采集到的数据按一定的通信协议向上位机发送，并根据上位机下传的各种输出信号直行相应的操作并开始下一次数据采集，将采集的数据储存在采集系统的存储器中，等待上位机的上传指令。按照采集任务，主程序可分为多路AD转换模块、RS485通信模块和中断服务程序模块，软件流程图如图4所示。

图4主程序流程图

3.1AD信号采集程序片段及注释

ADC1->CR2.B.ADON=1;//开启ADC

ADC1->SMPR1.W=0;//设置每个通道的采样时间

ADC1->SQR1.W=0;//设置序列转换长度和通道

ADC1->CR1.B.SCAN=1;//扫描模式开启

ADC1->SQR1.B.L=5;//转换长度为6

ADC1->CR2.B.DMA=1;//使用DMA

ADC1->CR2.B.EXTTRIG=1;//使用外部触发信号

ADC1->CR2.B.CAL=1;//开始ADC校准

3.2通信接口程序片段及注释

与上位机的通信模块使用了两个中断，分别用于接收和发送中断。通信模块中还需设置破特率BRR。

USART1->BRR.W=UARTclk/Bud;//设置波特率

USART1->CR1.B.UE=1;//使能UART1模块

USART1->CR1.B.TE=1;//使能UART1模块发送功能

USART1->CR1.B.RE=1;//使能UART1模块接收功以

USART1->CR3.B.DMAT=1;//发送使用DMA方式

USART1->CR1.B.TCIE=0;//禁止UART1模块发送完成中断

USART1->CR1.B.RXNEIE=1;//使能UART1模块接收中断

NVIC->ISER2.B.UART1=1;//使能UART1的中断

NVIC->ISER1.B.DMA1_CH4=1;//使能DMA结束中断

4结束语

本文阐述了汽车仿真驾驶模拟器数据采集系统的设计，经实践表明，STM32主控芯片具有强大的数据运算和处理能力，保证了汽车仿真模拟驾驶器数据采集系统能够以高精度和高准确度工作，完成对模拟器数据的采集。

参考文献：

[1]孙洪波等.TMS320C5000系列DSP系统设计与开发实例[M].北京:电子工业出版社,2004.

[2]周立功等.ARM嵌入式系统教程[M].北京:北京航空航天大学出版社,2005.

[3]张志勇.数据采集系统硬件设计与实现[J].应用能源技术,2009,10:36-38.

集成电路设计与集成系统篇4

【关键词】集成电路;测试管理系统;开发;利用

伴随着科学技术的不断发展，半导体集成电路也出现了日新月异的变化，结构复杂、大规模、速度快、功能多的电路逐渐得到有效开发，半导体制造工艺技术逐渐完善，其中尤为特别的是数字电路变化。基于此种形势下，对集成电路测试提出了更高的要求。在以往测试软件编制中，程序主要以测试流程为导向，坚持自上至下原则进行排列，将程控指令、测试参数、测试结果等都纳入文本测试软件中，这种编程面向过程，语法规则特定。但工程师必须要具有一定的编程技能，由于编程过程复杂，自动化测试不具高效性、快速性和同步性。目前，伴随着半导体技术的不断进步，图形化编程语言编程为工程师提供一个有效的可编程平台。笔者主要综合自身多年来在半导体企业从事集成电路测试工作实践和管理经验，深入探究集成电路测试系统管理及其开发应用，旨在实现集成电路测试精细化管理的要求和行业可持续发展。

1.集成电路测试设备及配件概述

1.1集成电路测试设备功能分析

针对集成电路测试设备及功能而言，主要体现在四个方面：

（1）测试机。测试机主要参考因素包括硬件架构端子数、操作系统环境、时钟速度、程序开发工具、应用程序等，早期测试机多以C、Pascal等程序语言为开发工具，目前VB应用广泛，各种辅助应用程序为测试工程师提供了发展时机;

（2）晶圆针测机。目前，四寸至十二寸晶圆均经针测机在晶舟与测试机间进行存取，此种设备对机械自动化、结构精密度、运转稳定度要求较高;

（3）器件分类机。分类机主要执行测试机与集成电路成品间的电性接触，按照测试程序中定义结果进行分类;

（4）预烧炉。早期预烧炉主要提供预烧条件中所需电流、偏压、波形电路机制，目前主要以封装类型为依据来进行设计，对被测器件具有承载作用。

1.2集成电路测试机原理

测试机多由高性能量测仪器构成，而测试系统属于测试仪器与计算机控制的综合体。计算机控制主要是经由测试程序执行指令集对测试硬件进行控制，最终由测试系统提供测试结果。为保证测试结果的一致性，必须要对测试系统进行定期校正处理，一般应用校正芯片对测量仪器精准性进行验证。目前，多数测试系统可测试具有特定类别特征的集成电路，通用器件种类包括数字、内存、混合信号、模拟。一般而言，测试系统包括来源内存、捕捉内存、测试样本或扫描向量内存、端子电路，而测试方法主要采用施加与测量模式，通过设置测量范围、测量极限、设备性能参数而完成测试作业。

2.集成电路测试数据分析

为了开发集成电路测试管理系统，必须要详细分析现有的产品管理过程与测试流程，从而优化系统功能与框架设计。首先，要对现有产品测试数据进行统计分析。一般而言，集成电路测试生产线上具有4个左右的测试平台，每个测试平台对不同产品、测试参数所提供的测试数据、时间不尽相同。通常状况下，测试结果属于生产过程总体情况的直接反映指标，优化测试参数，能获取产品良率信息。在现阶段，由于测试参数较多，且各个参数间能产生不同程度的交互效应，最终影响统计性质。目前，就测试统计工具分析方法而言，主要包括两种：一是比较分析，二是相关性分析。譬如在不同条件下，可对每片晶片测试参数进行比较分析，观察测试参数之间的差异性。同时，可将测试参数与WS数据、测试数据、iEMS数据进行相关性分析，寻找相关性诱因。以上两种分析方法均在明确现有历史数据对产品设备、生产状况的影响下进行。应用现有数据预测产品特征，考虑到测试问题具有复杂性，工程师往往无法对测试结果的准确性进行优化判断。

在实际分析过程中，可综合多种统计手段来进行分类效果预测。具体而言，必须要注意四个问题：

（1）明确好坏组。基于掌握历史测试数据的基础上确定好坏组分组规则;

（2）对测试参数进行删选。择取与另一平台测试数据具有相关性的测试参数，并进行集合，在此基础上择取好坏组间差异显著的测试参数;

（3）对主成分进行综合分析。针对具有差异性的测试参数而言，必须要作正交化处理，将测试参数间的交互作用及时消除;

（4）判别分析。对待预测晶圆至好坏两组距离进行计算，应用具有统计学意义的Mahalanobis距离将常用远近距离进行替代，并将其归纳到距离近的那组，实现分类目标。此流程可优化最终结果，同时在研究过程中还可运用判别分析、分析流程等筛选方法。

3.集成电路测试管理系统设计

3.1集成电路测试系统数据库概念与逻辑设计

针对集成电路测试系统数据库概念设计而言，主要包括四类方法：一是自顶向下，二是自底向上，三是逐步扩张，四是混合策略。就测试管理开发而言，主要应用自底向上方法，即首先勾画局部概念结构，并将各个局部进行集合，最终获取全局概念结构。于构建概念模型前，必须要深入分析需求分析中形成的数据，把握数据实体属性，构建实体间关系。在数据库开发时期，开发环境择取Web应用框架（Django），按照系统情况，于数据流图中择取适当数据流图，每部分均与一个局部应用相对应，联系各个局部数据流程图，检查概念模型图设计的精准性。

概念结构属于数据模型的基础，为了达到测试管理系统要求，要将概念结构转化为数据模型。在数据库管理系统中，通常只支持网状、关系、层次三种模型中的某一具体数据模型，导致各个数据库管理系统硬件具有局限性。因此，在逻辑结构设计中，首先要对概念结构进行转化，促使其常用网状、层次模型，并基于特定数据库系统辅助下，促使转化为数据模型。同时，数据库择取MySQL，降低总体拥有成本。

3.2集成电路测试系统数据库物理设计

就集成电路测试系统数据库物理设计而言，首先要明确数据库物理结构，再对其进行综合评价，其内容主要包括三个方面：

（1）数据储存结构。在对数据存储结构进行评价时，要将维护代价、存取时间、空间利用率作为考虑因素。一般而言，将冗余数据消除，能有效节约存储空间，但易增大查询代价，故要权衡利益，择取折中方案。MySQL属于关系型数据库，聚簇功能强大，为了保证查询速度，可将属性上存在相同值的元组进行集中，存入物理块中;

（2）数据存储位置。在开展数据库物理设计时，可将MySQL数据库中的用户表空间与系统文件相对应的数据存入磁盘驱动器中，以达索引与数据库软件、表分类存放目的。针对MySQL数据库而言，可将不同用户建立的表进行分类存放，可最大限度地优化数据库;

（3）数据存取路径。在关系数据库中，要明确存取路径，寻找索引构建方法。索引作为一种数据库结构，主要包括三种形式：一是簇索引，二是表索引，三是位映射索引。在MySQL数据库中，利用索引可提高聚集中数据与表检索速度。科学应用索引，能降低磁盘I/O操作次数。

4.集成电路测试管理系统的实现与开发利用

4.1集成电路测试数据输入

在测试生产线上，由于每天都会出现大量的晶圆测试作业，故针对产品测试管理系统来讲，必须要将晶圆信息输入到相应数据库中，便于后续功能操作的实现。在现有测试生产线上，一部分产品信息可实现自动输入，譬如每片晶圆均存在自身产品批次与编号，于晶圆制造中可将此类信息标记在晶圆表面上，经由晶圆针测机自动识别装置进行读取。待读取完毕后输入到相关的测试结果中。而就其它无法自动输入信息而言，譬如测试接口、针测卡、测试设备等信息，必须要进行手动输入。

基于把控生产线实际状况的基础上，每名录入员均需进行班组个人生产日报的录入，工作量相对较大，同时考虑到系统实际需要，于每2小时需要进行一次数据录入，故必须要重视录入速度。当数据被录入子菜单时，其每页面设计必须要采用Django的第三方控件，利用其强大功能以达无鼠标操作目标。从本质上来讲，输入员将该子页面打开后，仅有键盘可进行输入操作，方便较为快捷，与用户实际需求吻合。

4.2集成电路测试结构文件上传

针对集成电路测试管理系统而言，必须要将测试设备工作站所定义的测试结果文件输入数据库，最终才能构成数据分析报表。待晶圆测试完毕后，测试设备将构成晶圆测试结果的文件转变成一个传送信号，上传到数据库服务器，而服务器会依据文件发送信头，最终接纳测试结果文件。

针对测试管理系统为而言，为了确保其传送速度，本文研究中实现了三个方面的优化处理：

（1）针对测试结果文件传送而言，主要应用实时传送原则，即传送时机择取为测试结果文件组成后，对以往分批次传送方式进行了优化补充。从整体上来讲，有助于预防文件过大而促使传送速度滞后，对服务器正常运行具有一定的辅助作用;

（2）文件上传后并未直接植入数据库中，而是暂时存入原始数据暂存器中，有助于防止某些无效格式测试结果文件被上传。譬如在测试中存在了人为中断现象，而诱导某些测试数据最终转变为冗余数据。经由原始数据暂存器剔除此类无效格式文件，能最大限度地确保数据库文件的精准性。此外，经由原始数据暂存器对测试结果文件权限进行整合配置。譬如在存储过程中可允许访问统计结果，不允许访问某些重要数据。从某种角度上来讲，极大地提高了数据库的安全性;

（3）针对测试管理系统开发而言，主要采用存储过程进行统计，包括生产盘存月报、生产日报、周报、月报、季报、年报、设备异常报警率、生产良率表等。基于应用程序界面上，分开统计功能与查询功能，应用统计功能对存储过程进行调用，基于服务器端作用下对信息开展各类汇总作业，并录入历史存表中。而利用查询功能自历史表中对已计算数据进行调用，完善了系统性能，增强了查询效率。

4.3集成电路测试在线预警、测试数据查询与分析

就集成电路测试在线预警功能模块而言，主要因测试生产线工程师少，在测试过程中，无法及时发现出现的误测或不良测试，为测试工程师及早发现问题提供了有力的帮助。而针对集成电路测试数据查询而言，该模块主要考虑到用户对生产线实时数据具有查询需求，涵盖产品负责人、芯片产品、测试日期、测试站点等信息。同时，数据查询模块还可查询各类良率分析报表，其中查询功能与统计功能单独使用，有助于用户自主选择，其查询内容涵盖测试平台比较报表、良率分析年报、季报、月报、日报等。

5.结束语

综上所述，本文主要以集成、高效、全方位、先进企业管理要求为出发点，进行集成电路测试管理系统开发设计，旨在提升集成电路企业管理水平，增强市场核心竞争力，对半导体测试行业中的企业生产管理系统具有至关重要的作用。在实际开发过程中，由于对现有测试生产线上出现的测试数据无法全面管理，故无法深入分析影响集成电路测试生产效率提高的因素，因此在前期做了大量设备与测试方法研究。在测试管理系统数据库设计完成时，以前台开发工具（Django）、后台数据库（MySQL）为导向，开发了与用户操作需求的吻合的集成电路测试管理系统。在整体开发过程中，立足于数据库并发控制、查询优化等技术难题角度，确保了高效查询速度与数据操作的完整性，最终集成电路测试管理系统实现了五个功能，包括测试数据录入、测试结果文件上传、产品测试在线预警、数据查询与分析和测试运行相关报表生成，与企业信息化、自动化、精益化管理需求相一致，具有较大的应用前景。

参考文献

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集成电路设计与集成系统篇5

【关键词】惯性稳定平台；硬件电路；FPGA+DSP；控制系统；电机驱动

DesignedAndImplementationofhardwarecircuitformagneticlevitationinertialstabilizationplatform

YETao1，2YUXiao-nan2

（1.SchoolofInformationandCommunicationEngineering，NorthUniversityofChina，TaiyuanShanxi030051，China；

2.BeijingAerospaceControlInstitute，Beijing100039，China）

【Abstract】Inthispaper，theworkingprincipleofmagneticlevitationinertialstabilizationplatformisintroduced.Thehardwarecircuitdesignschemeofinertialstabilizationplatformisgiven，andthehardwarecontrolsystembasedonFPGA+DSPisdesigned.Thecompositionofthehardwarecircuit，thedigitalcircuitsystem，andthecomponentsandfunctionsofeachcircuitaredescribed.Theprocessoftherotarytransformer、thecontrolsystemandthemotordriverdesignaredescribedindetail.

【Keywords】Inertialplatform；Hardwarecircuit；FPGA+DSP；Controlsystem；Motordriver

0引言

惯性稳定平台是实现高分辨率航空对地观测的关键设备，使用惯性稳定平台能够有效的隔离载体运动对遥感载荷产生的干扰[1]。惯性稳定平台可以承载较重的的有效载荷，通过固连于台体的陀螺敏感由机载机身角运动，线振动或者其他因素引起的台体干扰角运动，通过反馈控制计算机和电机的作用，驱动台体进行反向补偿运动，从而是有效载荷的视轴稳定在惯性空间里。在此基础上，利用高精度定位定向系统（POS）测量水平姿态基准，与陀螺稳定回路进行复合控制，使有效载荷视轴准确跟踪当地垂线，保证高分辨率对地观测。介绍以FPGA+DSP结构为核心的稳定平台硬件系统设计。利用FPGA逻辑控制能力和并行处理机制实时的采集POS、陀螺、角度传感器的数据，并通过DSP完成控制回路计算。

1惯性稳定平台硬件系统总体设计

稳定平台电路采用以FPGA+DSP为核心的数字、模拟混合电路系统，主要包括数据采集、信息处理、电机驱动、电源转换等部分。数据采集部分主要包括陀螺角速率、旋转变压器、光栅尺、POS（高精度定位定向系统）等信息的采集。信号处理部分以DSP处理器为核心，通过外设接口的地址总线、数据总线、控制总线将FPGA中的数据读到内存中[2]，然后经过相应的数据处理和控制策略解算，输出驱动电机的使能信号和PWM信号。电机驱动部分主要包括功率放大、光耦隔离、电机换向等部分。由CPLD根据霍尔信号产生电机控制的换向表。电机使能信号、功放后的PWM信号和换向表三者共同作用实现对无刷电机的控制。其硬件电路系统设计总体框图如下图1所示。

惯性稳定平台系统采用通过FPGA+DSP协同处理的主要基于FPGA和DSP各自的优势决定。FPGA支持并行和流水结构。这样可以通过多个处理单元并行工作，很适合多传感器的数据的并行采集。由于FPGA在复杂算法实现的局限性，因此，在FPGA的基础上增加DSP核，以提高控制回路的计算能力。同时，DSP专注于回路的控制运算，从而提了系统的响应速率。

2数字电路系统设计

惯性稳定平台硬件电路系统主要分为FPGA模块和DSP模块。其中FPGA选择XILINX公司生产的XC3S500E，该FPGA拥有丰富的逻辑资源和乘法器资源，能够充分满足设计任务对传感器数据采集和处理的要求，并为后续的功能扩展预留了足够的逻辑资源[3]。而DSP选择TI公司生产的TMS320F2812，具有较高的性价比，灵活的指令系统和操作性能，高速的运算性能。把最适合电机和运动控制应用的设备嵌入到其中。其DSP运算主频可达150MHz，可以满足系统对控制回路计算的任务要求。

2.1FPGA模块

惯性稳定平台系统对数字量输出的传感器，可以采用串行通信的方式进行数据采集。其中MESM陀螺和光栅尺采用RS-422接口，POS采用RS-232接口。FPGA模拟串口通信的接口协议完成MESM陀螺、光栅尺、POS数据的采集。而旋转变压器输出的是正余弦的模拟信号，需要通过一个轴角转换芯片AD2S80A转化为数字量，便于FPGA采集。

根据任务精度的要求不同，旋转变压器的采集可以分为单通道和双通道。单通道RDC转换电路具有结构简单、抗冲击性能和抗震性能良好、可靠性高、成本相对较低等优点[4]，主要应用与精度要求不太高的场合。本文采用单通道旋转变压器的数据采集，其硬件电路原理框图如图2所示。

FPGA通过逻辑单元进行分频产生2KHz的方波信号，通过一个中心频率为2KHz带宽为100Hz的二阶带通滤波，选择基频为2KHz的正弦信号，在经过比例放大电路，放大到均值为4V，最大能够提供0.75A的电流，频率为2KHz的正弦波作为旋转变压器的激磁信号。然后通过FPGA生成AD2S80A轴角转换芯片的控制时序，完成轴角转换芯片对旋转变压器的采集。其RDC控制时序图如下图3所示。

其中fpga_clk为时钟信号；rdc_xc_cs和rdc_zc_cs分别为x轴和z轴的AD2S80A端口的控制信号；rdc_a0_x和rdc_a0_z分别为x轴和z轴的位选信号。

2.2DSP模块

DSP主要负责陀螺稳定回路、姿态调平/跟踪回路、位置锁定回路的控制计算；电机控制量PWM；使能信号的输出。此外DSP利用其嵌入式SPI外设接口实现对加速度传感器的A/D采集和数据处理、DSP通过并行总线和FPGA进行数据交互。

系统选用的加速度计为石英绕性加速度计。石英绕性加速度计输出信号是与外部加速度成正比的输出电流信号，此信号需要经过一个高精密采样电阻转化为电压信号[3]，在通过模拟滤波后，接入到AD7734芯片的输入端，然后DSP利用其SPI接口外设对AD7734进行数据采集。

3模拟电路系统设计

模拟电路系统主要功能有过流保护、过压保护、电压转换、信号光耦隔离、方位无刷电机的换相和驱动、俯仰和横滚有刷电机驱动信号功率放大；系统方位轴电机选用直流无刷力矩电机。直流无刷力矩电机采用霍尔元件做位置传感器实现位置反馈，利用电机霍尔信号产生精确的换相控制[5]。稳定平台的俯仰、横滚轴端的电机则是选用直流有刷电机。其电机驱动框图如图4所示。

4结束语

本文介绍了磁悬浮稳定平台的硬件组成。设计一种基于FPGA+DSP的稳定平台控制系统，利用FPGA和DSP各自优势，简化电路设计，提高系统的响应速率。系统主要分为两个部分，数字电路系统是系统计算处理的核心，主要负责信息的采集和处理，模拟电路系统是主要负责电机的驱动和系统电源的供应。通过硬件系统测试，该设计系统中FPGA能够实时的、稳定的采集传感器数据；DSP能够准确、实时的完成回路的控制运算；CPLD能够产生精确的换向表完成对回路电机的控制。

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集成电路设计与集成系统篇6

关键词：电力巡检；FPGA；光纤IMU；数据采集系统；上位机

中图分类号：TN911?34文献标识码：A文章编号：1004?373X（2013）16?0034?04

0引言

无人机电力安全巡检主要是针对我国高压、特高压电力线路日常安全维护和应急处置等业务需求，通过研制无人机多传感器集成的电力线路安全巡检系统装备[1]，完成复杂地形条件下超视距无人直升机电力线路安全巡检，促进我国电网线路安全、高压巡检和应急保障技术的发展进步。而惯性测量单元（InertialMeasurementUnit，IMU）主要通过陀螺仪和加速度计等传感器敏感载体的加速度和角度率信息通过数据采集系统将这些原始数据传递给导航计算机进行滤波计算，从而为无人机电力巡检系统中光学、激光雷达等载荷提供高精度的位置、姿态基准[2]，同时为惯性稳定平台提供精确的指向。

目前国内采用测量单元的主要有挠性、光纤和激光三种，针对无人机电力巡检的飞行平台和特殊环境，对多传感器系统的重量、体积和功耗有较严格的限制，这就要求IMU重量体积小，功耗低，精度高。其中，光纤陀螺相对于挠性陀螺，具有启动快，精度高，可靠性高等一系列优点[1]，而相对于激光陀螺，光纤陀螺的重量体积小，功耗低。因此，本文设计了一种基于FPGA硬件平台的无人机电力巡检用的光纤IMU数据采集系统，与上位机系统通过相应的串口通信电路实现光纤陀螺和加速度计输出信号和温度信号的采集、存储。

1无人机电力巡检系统结构

无人机巡检系统主要是利用飞行平台系统、POS系统、稳定平台系统、多传感器系统、电力线路走廊三维建模及可视化系统等多种系统组合，通过各软件系统之间数据交换、程序调用和设置外部通信接口，获取、处理多种传感器数据并进行电力线路故障诊断，最终完成无人机电力系统的巡检。系统结构如图1所示。

图1中，光纤惯性测量单元IMU通过惯性测量组件敏感载体的加速度和角速率信息，在利用数据采集系统将其采集、存储，发送给导航计算机计算出位置、速度和姿态信息，并组合差分GPS数据，最终获得高精度的位置、速度姿态信息[1]。其一方面输出载荷的角速率信息和实时位置信息，以便于稳定平台隔离掉外部扰动对载荷的影响，进而对其进行姿态调整；另一方面，通过后处理提供高精度的航迹和姿态信息，以便于激光、红外、紫外、CCD相机等传感器通过外方位元素计算出影像数据，为后期基于多种传感器进行电力线走廊的故障诊断识别提供一致的数据基础。

由此可见，数据采集系统能否采集到准确、可靠，能如实反映载机运动状态的特征信息直接影响到无人机电力巡检系统能否高效完成巡检工作，为此给出了光纤IMU数据采集系统的设计。

2数据采集系统总体设计

2.1总体结构设计

数据采集系统主要完成IMU的数据采集、数据同步和数据发送。为满足POS系统短时间高精度测量载荷相位中心的要求，必须实现对惯性器件的高频、高精度采样，而可编程逻辑器件（FPGA）是最佳选择，其运行速度快，核心频率可以达到几百MHz，可轻松实现对脉冲信号的高频采集；I/O接口资源丰富，可以很容易连接陀螺信号、加速度信号、温度信号以及GPS秒脉冲信号等，可实现大规模系统的设计；内部逻辑程序可以并行运行，同时处理不同任务，可以实现对3路陀螺数据和加速度计数据以及温度数据的并行采样，进一步提高采样速率；同时其可以通过PCB板设计实现硬件系统，通过程序设计实现软件设计，具有较高的可靠性和非常大的灵活性、自由性。因此本数据采集系统采用FPGA作为核心器件[1]，基于XilinxISE软件开发环境利用VHDL语言对其内部逻辑进行编程实现对IMU惯性器件的数据采集[1]，其结构如图2所示。

图中光纤陀螺测量的角速度信息以角增量的形式输出并根据内部电路转化为脉冲信号，而加速度计测量的加速度信息以电流信号输出，需通过对应的I/F转换电路转换为脉冲信号。光纤陀螺的温度信号由数字温度传感器18b20直接输出数字信号，而加速度计的内置温度传感器输出为模拟温度信号，需要通过搭建A/D转换电路和运放电路实现信号的采集，增加了系统的重量、体积和功耗。因此，本文同样采用数字温度传感器18b20直接实现加速度计的数字温度信号的采集。最终通过FPGA的逻辑电路实现对陀螺和加速度计脉冲信号以及多路数字温度信号的采集，并利用串口发送给上位机，实现数据的采集和存储。

3系统软硬件实现

3.1FPGA脉冲采集系统设计

根据光纤惯性测试组件的构成，光纤陀螺输出、温度输出以及经过I/F转换后的加速度计输出均为脉冲信号，因此通过设计FPGA脉冲计数电路实现对脉冲信息的采集。系统的核心处理器FPGA采用Xilinx公司生产的XC3S400，工作频率可达200MHz，配置芯片选用XCF02S。FPGA通过XilinxISE软件开发环境利用VHDL语言对其内部逻辑进行编程，实现输入脉冲信号的计数采集，再将采集的光纤陀螺和加速度计信号、温度信号输出信息通过通用串口形式与上位机通信，上位机通过相应的软件实现数据的采集和存储。其最小应用系统包括时钟电路、电源模块，配置电阻和存储器等问题。时钟电路采用25MHz的贴片无源晶体振荡器作为时钟源，根据系统所需时钟频率对其编程设置；电源模块采用LD1117系列的电压转换模块，将供电电压5V转换为3.3V，2.5V和1.2V的稳定电压，分别为FPGA提供3.3V的bank电压，2.5V的参考电压和1.2V的内核电压，同时为数字温度采集DS18B20芯片和RS422串口电路提供3.3V的电压；而在FPGA的每个电压处都会配置0.1μF的贴片电容滤除噪声，保证FPGA可靠性。

3.2温度采集电路设计

温度采集电路是数据采集系统设计中重要的一环，因为光纤IMU中的惯性测量组件对温度比较敏感，随着环境温度的变化，惯性仪表的零偏和标度因数将会产生变化，直接影响器件的输出精度，而在无人机电力巡检中，巡检地势高度以及四季天气环境的变化，都会引起其内外部温度大小的变化，从而影响数据输出的精度，因此需要对陀螺仪，加速度计以及采集电路板的周围环境进行温度监控并在后期软件处理中给予温度补偿。

本文主要采用美国Dallas公司生产的单总线数字式温度传感器，可用一根I/O数据线传输多个温度点的外置DS18B20芯片。与传统的热敏电阻相比，它能够直接测温度，不需要A/D转换器，测温范围在55～125℃之间，测量精度为0.1℃，符合无人机电力巡检的温度测量要求。在此系统中采用串并相结合的方法，扩展2路温度脉冲计数器，其结构如图3所示。

图3温度采集结构图

其中DQ1测量数据采集板的温度，而DQ2用一根数据线串联8个DS18B20，在每一通道处配置4.7kΩ的电阻，分别测量3个加速度计的温度、3个陀螺的温度、I/F板的环境温度以及IMU结构体的内部温度，从而形成分布式网络点测试结构。其主要基于XilinxISE软件开发环境利用VHDL语言对其内部逻辑进行编程，从而实时监测各个惯性器件和IMU内部数据采集系统各部分的温度。其程序设计流程如图4所示。

3.3数据通信电路设计

数据通信部分主要包括时间同步模块和数据输出模块。数据输出模块主要是将陀螺数据、加速度计数据和多路温度数据打包发送给上位机。而时间同步模块要是完成IMU与GPS的时间同步，利用GPS的PPS秒脉冲作为时钟基准输入给IMU，同时利用IMU输出的IPS作为同步脉冲输出，保证二者输出数据的同步性。二者的数据通信电路以RS422接口形式提供，将采集的陀螺和加速度计的数据以及温度数据以ASCII码的形式通过串行接口发送给上位机，上位机利用设计的数据采集软件实现数据的接收、解码和储存等相关处理，通信电路主要包括两方面：波特率产生模块和发送模块。

波特率产生模块：系统外接25MHz的无源晶振，通过分频产生同步422通信所需要的115200b/s的波特率。波特率的计算：[1115200125×106=217]个系统时钟周期，为得到50%的占空比的波特率时钟，因为[2172]=108.5不是整数，因此使得计数器在计数到108时将输出置高，之后在计数到216时将输出置低并重新计数，就可实现所需的波特率的时钟。

发送模块：RS422串口采用3.3V的MAX3488芯片，发送模块如图5所示，其中PPS是由GPS输入的秒脉冲，IPS则由IMU输出，保持与GPS的时间同步。IMUorderin则是由上位机输入的命令，同时通过IMUdataout输出数据给上位机，从而完成数据的传送接收。

4系统实现

基于上述最小系统和电路的设计，构建了轻小型式光纤IMU数据采集系统，应用于无人机电力巡检系统中，图6为其硬件实物图，电源模块板为整个系统提供电源，数据采集板和[IF]转换板一起固定在结构体侧面，三个轴向的光纤陀螺和加速度计的输出以及温度信号通过数据采集电路板进行采集，并通过RS422接口发送给导航计算机，从而实现光纤陀螺IMU和温度信息的采集。

5结语

研制无人机多传感器集成的电力线路安全巡检系统装备，完成现场性能测试和适应性巡检，对促进我国电网线路巡检具有重要的意义。而光纤IMU数据采集系统是无人直升机电路巡检装备中必不可少的部分。本文从系统结构和硬件实现两方面给予了分析设计，最终实现了稳定的光纤IMU数据采集系统，保证无人机电力巡检中各传感器的正常工作，促进我国电力巡检事业的快速发展。

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