基于SoC的固网短信芯片的硬件仿真设计

论文摘要

中国电信最近在许多地区开通了一项通过固定电话网收发短信息的业务。固网短信电话终端产品也就应运而生,现在市场上的固网短信电话终端产品大多采用微处理器加上外围专用芯片、或将FSK与DTMF制各用一块集成电路、或采用带FSK调制的单片机加DTMF集成电路的板卡式设计,目前,英国已出现将这些模块整合到一起的SOC芯片产品。SoC(片上系统)设计就是将微处理器、模拟IP核、数字IP核和存储器(或片外存储控制接口)集成在同一芯片上,以完成其复杂的功能和多样化的任务。本文的设计就是采用SoC设计技术中的Top Down设计流程,对固网短信终端系统进行了模块功能规划、VHDL描述、功能仿真、逻辑综合、形式验证等方面的设计,其目的就是将固网短消息系统电路中的MCU、CID、和DTMF模块、以及字符显示所需的字库等存放的ROM等一并整合到一块专用SOC芯片中,来解决传统组合电路或板卡式电路中的以下几个问题:①功耗太高;②由于印制板上部件数和管脚数太多而容易导致板卡失效;③风冷要求高;④硬件开销大而使产品开发成本太高……本设计的主要工作是从基于FPGA的角度来模拟固网短信专用SoC芯片的主要功能模块,实现了其中的8051内核、FSK调制模块和DTMF信号产生模块的硬件设计和仿真验证。最后还将部分模块的仿真结果下载到硬件进行了测试,给出了验证结果。文中的设计方法和流程体现了基于FPGA的可编程片上系统(SOPC)在设计上的灵活性、功能的可剪裁性、软硬件的可编程性以及良好的集成性等特点。文中的研究表明:基于SOC的固网短消息芯片的硬件仿真设计可以提高系统电路性能,缩短产品设计周期,减小设计风险,大规模生产可以大大降低产品开发成本,提高产品竞争力,因此这样的设计方案具有一定的通用性和实用性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究现状综述
• 1.2.1 系统芯片（SoC）设计概述
• 1.2.2 系统芯片（SoC）验证流程及验证方法
• 1.2.3 SoC 发展展望
• 1.3 固网短消息（SMS）芯片设计现状
• 1.3.1 现有固网短消息接收终端产品介绍
• 1.3.2 SMS-SOC 集成芯片的优势
• 1.3.3 固网短消息（SMS）芯片设计原理
• 1.4 本文所做的主要工作
• 2 SOC 硬件设计流程及仿真工具
• 2.1 VHDL 语言简介及其TOP DOWN 设计方法
• 2.2 系统设计流程
• 2.2.1 基于 HDL 的 FPGA 设计流程
• 2.2.2 固网短信电话专用 SoC 芯片系统硬件设计方框图
• 2.3 本设计使用的设计工具
• 2.3.1 MATLAB/Simulink 工具介绍
• 2.3.2 Altera DSP Builder 工具介绍
• 2.3.3 Altera QuartusⅡ工具介绍
• 2.3.4 ModelSim 工具介绍
• 2.3.5 Synplify Pro 工具介绍
• 3 8051 内核的设计及其仿真验证
• 3.1 结构功能分析与系统模块划分
• 3.1.1 8051 结构功能简介
• 3.1.2 8051 核内部结构功能分析
• 3.1.3 8051 的工作方式
• 3.1.4 8051CPU 时序
• 3.1.5 系统模块划分
• 3.2 8051 核内部各模块具体设计
• 3.2.1 8051 核心模块设计
• 3.3 存储器模块设计
• 3.3.1 程序存储器（ROM）模块设计
• 3.3.2 数据存储器（RAM）模块设计
• 3.4 8051 核内部各模块仿真验证
• 3.4.1 仿真验证概述
• 3.4.2 8051 核各主要模块的功能仿真验证
• 3.4.3 逻辑综合及时序仿真
• 4 DTMF 发生器模块的设计
• 4.1 DTMF 介绍
• 4.1.1 DTMF 信号的产生
• 4.1.2 电信标准对 DTMF 信号的规定
• 4.2 DTMF 发生器原理分析
• 4.2.1 概念设计
• 4.2.2 参数计算
• 4.3 模块构筑
• 4.3.1 正弦波发生器子模块设计
• 4.3.2 频率控制器子模块设计
• 4.3.3 频率合成子模块的设计
• 4.3.4 整体模块的设计
• 4.4 模块验证仿真
• 4.4.1 对正弦波发生器的 Simulink 系统级仿真验证
• 4.4.2 用 QuartusⅡ进行VHDL 代码的编译、分析、综合和仿真
• 4.4.3 用 ModelSim 观察模拟波形
• 4.5 本章小结
• 5 FSK 调制模块的设计及验证
• 5.1 FSK 简介
• 5.1.1 FSK 在电话系统中的应用
• 5.1.2 电信 FSK 信号标准
• 5.2 FSK 模块分析
• 5.2.1 DDS 频率合成技术简介
• 5.2.2 原理框图分析
• 5.2.3 参数计算
• 5.3 FSK 模块构造和验证
• 5.3.1 基于 MATLAB/Simulink 的系统级设计
• 5.3.2 对模块的 Simulink 系统级仿真
• 5.3.3 转换为 VHDL 描述后的设计
• 5.3.4 在 QuartusⅡ环境下的仿真
• 5.3.5 ModelSim 下的仿真验证
• 5.3.6 基于 FPGA 的硬件测试及验证
• 6 总结与改进
• 6.1 总结
• 6.2 改进
• 致谢
• 参考文献
• 附录 攻读硕士期间参加科研工作和发表论文情况