基于C8PSK的HART调制器的设计

论文摘要

HART是一种现场总线协议,其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信。C8PSK是指8相相移键控调制技术,基于C8PSK技术的调制器是工业现场总线控制器中的通信模块,它负责把工业现场中各种设备及仪表的状态和控制信息转换成适合在双绞线上传送的数据形式,将控制信息由主机发送给各种设备,或者将状态信息由现场设备发送给主机进行分析。由于当前应用于HART总线中的调制器是基于频移键控的调制方式,它用1200Hz表示数字“1”,用2200Hz表示数字“0”,因此其传输速率只有1200bps,而C8PSK调制器则可达到9600bps,目前市面上还没有C8PSK调制器产品,因此本设计具有重要的研究意义。HART物理层协议规定了物理层信号的传送方式,本文将按照该物理层协议来阐述C8PSK调制器的设计。本文首先给出其系统架构,利用MATLAB进行算法实现和性能分析。本文按照标准的数字IC设计流程设计该调制器,先划分模块,再进行RTL级设计,本文根据C8PSK调制方式的数据特点,对根升余弦滤波器的实现方法进行了改进,在芯片实现的复杂度与系统性能之间取得了良好的折中,降低了实现的难度,且减少了功耗。本文利用UMC 0.18um标准单元库进行了综合,再进行时序分析,最后利用自动布局布线工具生成了调制器模块的版图。本设计经过验证其功能正确,代码覆盖率达到了100%,且综合后的时序满足要求,建立时间裕量为4.27ns,保持时间裕量为0.33ns,面积为11453um~2,验证表明该设计满足C8PSK物理层协议所规定的性能指标。本文设计的HART调制器既可作为IP核嵌入到现场总线控制器芯片中,也可以利用FPGA来实现,直接应用于现场总线中。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 现场总线概述
• 1.1.1 现场总线简介
• 1.1.2 现场总线技术的特点
• 1.2 HART总线的发展
• 1.3 HART调制解调芯片研制的意义
• 1.4 C8PSK调制解调器的优点
• 1.5 论文内容安排
• 第二章 HART协议介绍
• 2.1 C8PSK物理层
• 2.1.1 信号传输格式
• 2.1.2 数据格式
• 2.1.3 C8PSK物理层发送要求
• 2.1.4 C8PSK物理层接收要求
• 2.2 数据链路层
• 2.3 本章小结
• 第三章 C8PSK调制原理和仿真分析
• 3.1 C8PSK调制原理
• 3.1.1 C8PSK调制过程
• 3.1.2 扰码电路
• 3.1.3 方根升余弦滚降滤波器
• 3.2 C8PSK调制算法仿真和验证
• 3.2.1 算法仿真
• 3.2.2 算法验证
• 3.3 本章小结
• 第四章 C8PSK调制器的设计
• 4.1 数字IC设计流程
• 4.2 C8PSK调制器的模块划分
• 4.3 C8PSK调制器的RTL级设计
• 4.3.1 时钟产生模块
• 4.3.2 SFR总线接口
• 4.3.3 扰码模块
• 4.3.4 映射电路
• 4.3.5 SRRC及混频器
• 4.4 C8PSK调制器的综合
• 4.4.1 综合概述
• 4.4.2 C8PSK调制器的综合
• 4.5 C8PSK调制器的版图设计
• 4.6 本章小结
• 第五章 C8PSK调制器的验证
• 5.1 验证概述
• 5.2 主要的验证手段概述
• 5.2.1 功能仿真技术
• 5.2.2 静态时序分析
• 5.2.3 形式验证
• 5.3 主要的验证策略
• 5.3.1 自顶向下的验证流程
• 5.3.2 自底向上的验证流程
• 5.3.3 基于平台的验证流程
• 5.3.4 基于系统接口驱动的验证方法
• 5.4 C8PSK调制器的仿真验证
• 5.4.1 SFR总线接口
• 5.4.2 时钟产生模块
• 5.4.3 扰码模块
• 5.4.4 对整个设计作验证
• 5.5 调制器的时序验证
• 5.6 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢