超声热量测量ASIC的芯片级验证

论文摘要

为适应可持续发展的需要,节能问题日益成为科学研究的热门课题。热量计量装置被越来越广泛地应用于供热系统,该装置可以较准确的测量系统中的热量消耗。我国传统的热量计量表多属于机械式热量表,自身存在较多问题。为克服机械热量表的种种缺陷,基于超声波技术的热量测量仪应运而生。超声热量测量仪的计量精度高、使用方便、易于数字化管理。近年来,随着电子技术的发展,电子元器件的成本大幅度下降,使得超声波流量仪表的制造成本大大降低.为了研发具有自主知识产权的国产超声波热量测量仪,本论文对该仪器的核心部分——时间数字转换（TDC）模块进行了系统研究。首先,本文介绍了专用集成电路的设计方法及步骤,系统的讲述了TDC的设计理论基础,并在此基础上提出了双计量模式的TDC IP核架构。其次,对提出的TDC模块进行了子模块划分,将其分为：高速单元、控制器、时钟单元及后处理单元等。最后,针对IC设计流片成功率低的特点,本文重点讨论了验证的必要性,并对验证的方法学进行了系统研究,对该设计进行了全面的验证,方法包括：基于FPGA的功能验证,基于PT的时序验证以及基于Formality的形式验证。本设计基于自顶向下（Top-Down）的设计方法,通过RTL级Verilog HDL完成了各个模块的硬件描述。在XilinxISE集成开发环境中完成了设计的输入以及功能仿真,采用Mentor Graphics Inc.的Modelsim进行了仿真验证,并选用Digilent的Basys电路板完成了该系统的FPGA功能验证。之后针对综合后的门级网表进行了静态时序分析,以期发现综合后的门级网表中是否存在时序不满足的情况。最后,针对RTL级代码以及门级网表进行了等价性验证,验证其RTL级代码与综合后的门级网表是否逻辑等价。本文的主要贡献为：给出了该模块完整的设计方案,完成了ASIC从RTL到综合后门级网表的验证,针对所出现的逻辑以及时序问题进行反馈,较好的解决了布局布线之前功能及时序中的问题。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 超声热测量芯片的现状
• 1.3 TDC技术简介
• 1.4 论文结构
• 第二章 基于TDC的ASIC流程简介
• 2.1 半导体技术的发展
• 2.2 EDA技术概述
• 2.3 超声热量测量芯片的SOC框图
• 2.4 硬件描述语言
• 2.4.1 VHDL
• 2.4.2 VerilogHDL
• 2.5 ASIC设计流程以及常用工具
• 第三章 验证理论
• 3.1 验证理论
• 3.2 验证分类
• 3.2.1 仿真技术
• 3.2.2 静态分析
• 3.2.3 形式验证
• 第四章 TDC芯片模块划分
• 4.1 测量控制电路模块
• 4.2 校准单元模块
• 4.3 精细计数接口模块
• 4.4 精细计数单元模块
• 4.5 粗计数器
• 4.6 内部寄存器
• 4.7 ALU部分
• 第五章 超声热测量TDC的芯片级验证
• 5.1 超声热测量TDC的功能验证
• 5.1.1 FPGA概述
• 5.1.2 FPGA与ASIC设计的区别
• 5.1.3 Basys开发板
• 5.1.4 重要模块的波形图
• 5.2 超声热测量TDC的静态时序分析
• 5.2.1 什么是静态时序分析
• 5.2.2 静态时序分析的流程
• 5.2.3 PT介绍
• 5.3 超声热测量TDC的等价性验证
• 5.3.1 等价性验证的特点
• 5.3.2 等价性验证解决方案的选择
• 5.3.3 等价性验证的局限性
• 5.3.4 等价性验证的流程
• 5.3.5 RTL级对门级网表的验证
• 结束语
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 学位论文评阅及答辩情况表