MVBCY 芯片研制

王 鋒，陳玉飛

（中車大連電力牽引研發(fā)中心有限公司， 遼寧大連116052）

多功能車輛總線（MVB）是主流列車控制網(wǎng)絡(luò)，其具有實時性強(qiáng)、可靠性高等特點。搭建MVB網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)需要以MVB 協(xié)議控制芯片為基礎(chǔ)。

目前市場上使用的專用MVB 協(xié)議控制芯片主要由國外公司提供。國內(nèi)有數(shù)家廠商研制出了以FPGA 為基礎(chǔ)的MVB 板卡或設(shè)備，并已經(jīng)有大規(guī)模的成熟應(yīng)用。

中車大連電力牽引研發(fā)中心有限公司于2008年研制出了自主的MVB IP 核，采用FPGA 芯片寫入自主MVB IP 核的方式實現(xiàn)MVB 設(shè)備。裝載自主MVB IP 核的FPGA 芯片已經(jīng)裝車應(yīng)用30 000 多片。2018 年，將自主研制的MVB IP 核進(jìn)行芯片化，完成了MVBCY 的流片。

1 MVBCY 的技術(shù)參數(shù)

MVBCY 芯片在設(shè)計上滿足IEC 61375-3-1、IEC 61375-3-2 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求，芯片的總體技術(shù)參數(shù)如下［1-2］：

（1）MVB 數(shù)據(jù)傳輸服從曼徹斯特編碼，數(shù)據(jù)速率1.5 Mb/s；

（2）基本周期（過程+監(jiān)控+消息+保護(hù)相）時間1.0 ms；

（3）傳輸介質(zhì)：EMD 或ESD；

（4）數(shù)據(jù)完整性：每64 位數(shù)據(jù)有8 位CRC 校驗，漢明距離=8；

（5）過程數(shù)據(jù)：可尋址端口4 095 個；

（6）消息數(shù)據(jù)：可緩沖消息包個數(shù)：收發(fā)隊列各256 個；

（7）監(jiān)視數(shù)據(jù)：全網(wǎng)掃描；

（8）支持MVB：1～4 類設(shè)備功能、以及不帶CPU 的MVB 1 類設(shè)備功能；

（9）引腳封裝：QFP144；

（10）工作溫度：-40℃～85℃；

（11）晶振頻率：24 MHz。

2 設(shè)計方案

2.1 研制流程

MVBCY 芯片研制流程如圖1 所示，設(shè)計包含前端設(shè)計、后端設(shè)計、芯片加工、芯片集成、產(chǎn)品制造和批量流片。前端設(shè)計主要是寄存器傳輸級RTL 設(shè)計，實現(xiàn)MVB 協(xié)議功能，設(shè)計完成后進(jìn)行前端功能性仿真驗證，所有功能驗證正確后才能進(jìn)行下一步；后端設(shè)計主要是對前端設(shè)計的RTL代碼進(jìn)行綜合、約束、布局和布線，然后進(jìn)行門電路驗證以及靜態(tài)時序分析，其中靜態(tài)時序分析包括綜合后的時序分析和布局布線后的時序分析，對所有可能的路徑進(jìn)行檢查，不存在遺漏關(guān)鍵路徑的問題，同時要驗證保持建立時間，時鐘脈沖寬度測試，組合反饋電路測試等，驗證通過后生產(chǎn)GDS 版圖，用于芯片加工；芯片加工主要是按照流片工藝要求，對GDS 版圖進(jìn)行樣片流片，然后封裝成特定結(jié)構(gòu)外形的芯片；芯片集成是通過硬件設(shè)計將芯片集成到測試電路板上，然后進(jìn)行測試軟件的設(shè)計和聯(lián)調(diào)，測試通過后認(rèn)為芯片的功能是正確的；產(chǎn)品制造是對芯片進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計并進(jìn)行產(chǎn)品的特定測試，包括一致性測試和型式試驗，通過測試后，芯片的性能達(dá)到應(yīng)用要求，方可對芯片進(jìn)行批量投產(chǎn)流片。

圖1 芯片設(shè)計流程

2.2 前端設(shè)計

2.2.1 功能結(jié)構(gòu)

MVBCY 芯片功能結(jié)構(gòu)如圖2 所示，包括如下功能模塊：用于實現(xiàn)幀發(fā)送的編碼器發(fā)送模塊；用于實現(xiàn)幀接收及幀的錯誤檢測的譯碼器接收模塊；用于與應(yīng)用處理器之間通信的用戶接口模塊；用于總線控制的內(nèi)部總線模塊；用于完成不帶CPU 單獨數(shù)據(jù)通信邏輯的1 類設(shè)備模塊；用于實現(xiàn)中斷控制的中斷控制模塊；整個芯片的主控制模塊。

前端設(shè)計在前期以FPGA 為基礎(chǔ)的MVB 板卡設(shè)計中已經(jīng)基本完成，但為了實現(xiàn)流片，需要對前端設(shè)計進(jìn)行部分更新以適應(yīng)流片需要。

（1）對原有自主設(shè)計的MVB 4 類設(shè)備網(wǎng)卡進(jìn)行了更新，補充原來沒有實現(xiàn)的部分功能，使得MVBCY 芯片能夠適應(yīng)更多的客戶需求。包括：消息數(shù)據(jù)通信功能（包括消息主、從設(shè)備功能）；ESD、EMD 接口可配置功能等。

（2）將原來調(diào)用的FPGA 內(nèi)部FIFO 和BUF 的IP 核轉(zhuǎn)換為純VHDL 代碼，這樣，MVB 4 類設(shè)備的所有設(shè)計都轉(zhuǎn)為VHDL 代碼實現(xiàn)。另外，將inout類型的IO 引腳分為in 和out 兩個引腳，調(diào)用SMIC IO 庫 實 現(xiàn)IO 引 腳。

2.2.2 功能仿真

在前端設(shè)計中，要貫穿始終地驗證所設(shè)計完成的功能在設(shè)計中已正確實現(xiàn)，不同模塊和層次的設(shè)計結(jié)果是否滿足要求。該階段的驗證工作主要就是尋找到設(shè)計的漏洞，驗證得越全面，修改的漏洞越多，那么后續(xù)修改成本和時間就會越少。通過設(shè)計不同的輸入激勵或者測試向量施加到設(shè)計模型上，使其工作運行，并觀察模型的響應(yīng)，是否與預(yù)期設(shè)計相符合。部分仿真測試用例內(nèi)容見表1，前端功能驗證如圖3 所示。

圖2 MVBCY 協(xié)議芯片功能框圖

表1 仿真測試用例

圖3 前端功能驗證

2.3 后端設(shè)計

后端設(shè)計包含了綜合、布局布線、仿真驗證、功耗分析和物理驗證，如圖4 所示。綜合是使用EDA工具將設(shè)計從RTL 轉(zhuǎn)換為邏輯門級，以此決定電路門級結(jié)構(gòu)、尋求時序、面積、功耗的平衡，增強(qiáng)電路的可測性；布局布線是根據(jù)綜合階段產(chǎn)生的門級網(wǎng)表決定內(nèi)核單元、宏模塊等電路部件位于版圖平面的位置，并給出連接這些單元、宏模塊和引腳的一組連線；仿真驗證主要是時序仿真，這里區(qū)別于前端設(shè)計的功能仿真，此階段的仿真包括綜合后的路徑檢查和布局布線后信號建立、保持時間最壞情況下的檢查；功耗分析是根據(jù)約束文件要求分析電路動靜態(tài)壓降和電子遷移情況；物理版圖驗證主要是針對設(shè)計規(guī)則進(jìn)行檢查和驗證版圖實現(xiàn)的功能和網(wǎng)表描述的是否一致。后端設(shè)計完成后生成的GDS 文件用于芯片流片加工。

2.4 芯片加工

芯片加工由代工廠加工制造，代工廠按照設(shè)計提供的GDS 文件，將版圖數(shù)據(jù)定義的圖形固化到掩模上。一張掩模一方面對應(yīng)于版圖設(shè)計中的一層的圖形，另一方面對應(yīng)于芯片制作中的一道或多道工藝。在一張張掩模的參與下，工藝工程師完成芯片的流水式加工，將版圖數(shù)據(jù)定義的圖形最終有序的固化到芯片上。芯片加工工藝要求見表2。

封裝后要進(jìn)行封裝測試，在IC 測試機(jī)上給芯片輸入電壓和激勵，對每顆芯片進(jìn)行篩選，完成電氣參數(shù)和基本功能的測試。

2.5 系統(tǒng)集成與測試

基于流片后的MVBCY 芯片進(jìn)行外圍電路設(shè)計，基于設(shè)備級的硬件平臺，完成軟件和硬件協(xié)同驗證、MVB 設(shè)備接口一致性測試，驗證結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。驗證平臺如圖5 所示，驗證的功能見表3。

基于MVBCY 芯片設(shè)計的電路板集成于中央控制單元產(chǎn)品，根據(jù)IEC 61375-3-2 標(biāo)準(zhǔn)，在MVB一致性測試平臺進(jìn)行了一致性測試，包括物理層測試和性能測試，所有測試項點均通過，見表4。

基于MVBCY 芯片設(shè)計的電路板集成于中央控制單元產(chǎn)品，根據(jù)GB/T 25119 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了產(chǎn)品的型式試驗，所有測試項點均通過，見表5。

完成上述測試后，對MVBCY 芯片進(jìn)行了裝車驗證，驗證結(jié)果表明MVBCY 芯片滿足應(yīng)用的要求。

圖4 后端設(shè)計流程

表2 芯片工藝要求

圖5 集成測試驗證平臺

表3 驗證功能項點

3 結(jié) 論

介紹了MVBCY 芯片的研制過程，著重討論了芯片的功能設(shè)計原理、設(shè)計流程、測試和驗證方法，并介紹了芯片的總體技術(shù)參數(shù)。設(shè)計的MVBCY 芯片滿足IEC 61375-3-1 和IEC 62375-3-2 標(biāo)準(zhǔn)要求，實現(xiàn)了芯片的國產(chǎn)化自主研制。MVBCY 芯片已經(jīng)在機(jī)車、地鐵列車上裝車應(yīng)用，運行穩(wěn)定可靠。

表4 一致性測試項點

表5 型式試驗項點