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电路设计的基本流程范文1
关键词：集成电路设计；版图；CMOS
作者简介：毛剑波（1970-），男，江苏句容人，合肥工业大学电子科学与应用物理学院，副教授；汪涛（1981-），男，河南商城人，合肥工业大学电子科学与应用物理学院，讲师。（安徽?合肥?230009）
基金项目：本文系安徽省高校教研项目（项目编号：20100115）、省级特色专业项目（项目编号：20100062）的研究成果。
中图分类号：G642?????文献标识码：A?????文章编号：1007-0079（2012）23-0052-02
集成电路（Integrated Circuit）产业是典型的知识密集型、技术密集型、资本密集和人才密集型的高科技产业，是关系国民经济和社会发展全局的基础性、先导性和战略性产业，是新一代信息技术产业发展的核心和关键，对其他产业的发展具有巨大的支撑作用。经过30多年的发展，我国集成电路产业已初步形成了设计、芯片制造和封测三业并举的发展格局，产业链基本形成。但与国际先进水平相比，我国集成电路产业还存在发展基础较为薄弱、企业科技创新和自我发展能力不强、应用开发水平急待提高、产业链有待完善等问题。在集成电路产业中，集成电路设计是整个产业的龙头和灵魂。而我国集成电路设计产业的发展远滞后于计算机与通信产业，集成电路设计人才严重匮乏，已成为制约行业发展的瓶颈。因此，培养大量高水平的集成电路设计人才，是当前集成电路产业发展中一个亟待解决的问题，也是高校微电子等相关专业改革和发展的机遇和挑战。[1-4]
一、集成电路版图设计软件平台
为了满足新形势下集成电路人才培养和科学研究的需要，合肥工业大学（以下简称“我校”）从2005年起借助于大学计划，和美国Mentor Graphics公司、Xilinx公司、Altera公司、华大电子等公司合作建立了EDA实验室，配备了ModelSim、IC Station、Calibre、Xilinx ISE、Quartus II、九天Zeni设计系统等EDA软件。我校相继开设了与集成电路设计密切相关的本科课程，如集成电路设计基础、模拟集成电路设计、集成电路版图设计与验证、超大规模集成电路设计、ASIC设计方法、硬件描述语言等。同时对课程体系进行了修订，注意相关课程之间相互衔接，关键内容不遗漏，突出集成电路设计能力的培养，通过对课程内容的精选、重组和充实，结合实验教学环节的开展，构成了系统的集成电路设计教学过程。[5，6]
集成电路设计从实现方法上可以分为三种：全定制（full custom）、半定制（Semi-custom）和基于FPGA/CPLD可编程器件设计。全定制集成电路设计，特别是其后端的版图设计，涵盖了微电子学、电路理论、计算机图形学等诸多学科的基础理论，这是微电子学专业的办学重要特色和人才培养重点方向，目的是给本科专业学生打下坚实的设计理论基础。
在集成电路版图设计的教学中，采用的是中电华大电子设计公司设计开发的九天EDA软件系统（Zeni EDA System），这是中国唯一的具有自主知识产权的EDA工具软件。该软件与国际上流行的EDA系统兼容，支持百万门级的集成电路设计规模，可进行国际通用的标准数据格式转换，它的某些功能如版图编辑、验证等已经与国际产品相当甚至更优，已经在商业化的集成电路设计公司以及东南大学等国内二十多所高校中得到了应用，特别是在模拟和高速集成电路的设计中发挥了强大的功能，并成功开发出了许多实用的集成电路芯片。
九天EDA软件系统包括ZeniDM（Design Management）设计管理器，ZeniSE（Schematic Editor）原理图编辑器，ZeniPDT（physical design tool）版图编辑工具，ZeniVERI（Physical Design Verification Tools）版图验证工具，ZeniHDRC（Hierarchical Design Rules Check）层次版图设计规则检查工具，ZeniPE（Parasitic Parameter Extraction）寄生参数提取工具，ZeniSI（Signal Integrity）信号完整性分析工具等几个主要模块，实现了从集成电路电路原理图到版图的整个设计流程。
二、集成电路版图设计的教学目标
根据培养目标结合九天EDA软件的功能特点，在本科生三年级下半学期开设了为期一周的以九天EDA软件为工具的集成电路版图设计课程。
电路设计的基本流程范文2
一、完善课程设置
合理设置课程体系和课程内容，是提高人才培养水平的关键。2009年，黑龙江大学集成电路设计与集成系统专业制定了该专业的课程体系，经过这几年教学工作的开展与施行，发现仍存在一些不足之处，于是在2014年黑龙江大学开展的教学计划及人才培养方案的修订工作中进行了再次的改进和完善。首先，在课程设置与课时安排上进行适当的调整。对于部分课程调整其所开设的学期及课时安排，不同课程中内容重叠的章节或相关性较大的部分可进行适当删减或融合。如：在原来的课程设置中，“数字集成电路设计”课程与“CMOS模拟集成电路设计”课程分别设置在教学第六学期和第七学期。由于“数字集成电路设计”课程中是以门级电路设计为基础，所以学生在未进行模拟集成电路课程的讲授前，对于各种元器件的基本结构、特性、工作原理、基本参数、工艺和版图等这些基础知识都是一知半解，因此对门级电路的整体设计分析难以理解和掌握，会影响学生的学习热情及教学效果；而若在“数字集成电路设计”课程中添加入相关知识，与“CMOS模拟集成电路设计”课程中本应有的器件、工艺和版图的相关内容又会出现重叠。在调整后的课程设置中，先开设了“CMOS模拟集成电路设计”课程，将器件、工艺和版图的基础知识首先进行讲授，令学生对于各器件在电路中所起的作用及特性能够熟悉了解；在随后“数字集成电路设计”课程的学习中，对于应用各器件进行电路构建时会更加得心应手，达到较好的教学效果，同时也避免了内容重复讲授的问题。此外，这样的课程设置安排，将有利于本科生在“大学生集成电路设计大赛”的参与和竞争，避免因学期课程的设置问题，导致学生还未深入地接触学习相关的理论课程及实验课程，从而出现理论知识储备不足、实践操作不熟练等种种情况，致使影响到参赛过程的发挥。调整课程安排后，本科生通过秋季学期中基础理论知识的学习以及实践操作能力的锻炼，在参与春季大赛时能够确保拥有足够的理论知识和实践经验，具有较充足的参赛准备，通过团队合作较好地完成大赛的各项环节，赢取良好赛果，为学校、学院及个人争得荣誉，收获宝贵的参赛经验。其次，适当降低理论课难度，将教学重点放在掌握集成电路设计及分析方法上，而不是让复杂烦琐的公式推导削弱了学生的学习兴趣，让学生能够较好地理解和掌握集成电路设计的方法和流程。第三，在选择优秀国内外教材进行教学的同时，从科研前沿、新兴产品及技术、行业需求等方面提取教学内容，激发学生的学习兴趣，实时了解前沿动态，使学生能够积极主动地学习。
二、变革教学理念与模式
CDIO（构思、设计、实施、运行）理念，是目前国内外各高校开始提出的新型教育理念，将工程创新教育结合课程教学模式，旨在缓解高校人才培养模式与企业人才需求的冲突。在实际教学过程中，结合黑龙江大学集成电路设计与集成系统专业的“数模混合集成电路设计”课程，基于“逐次逼近型模数转换器（SARADC）”的课题项目开展教学内容，将各个独立分散的模拟或数字电路模块的设计进行有机串联，使之成为具有连贯性的课题实践内容。在教学周期内，以学生为主体、教师为引导的教学模式，令学生“做中学”，让学生有目的地将理论切实应用于实践中，完成“构思、设计、实践和验证”的整体流程，使学生系统地掌握集成电路全定制方案的具体实施方法及设计操作流程。同时，通过以小组为单位，进行团队合作，在组内或组间的相互交流与学习中，相互促进提高，培养学生善于思考、发现问题及解决问题的能力，锻炼学生团队工作的能力及创新能力，并可以通过对新结构、新想法进行不同程度奖励加分的形式以激发学生的积极性和创新力。此外，该门课程的考核形式也不同，不是通过以往的试卷笔试形式来确定学生得分，而是以毕业论文的撰写要求，令每一组提供一份完整翔实的数据报告，锻炼学生撰写论文、数据整理的能力，为接下来学期中的毕业设计打下一定的基础。而对于教师的要求，不仅要有扎实的理论基础还应具备丰富的实践经验，因此青年教师要不断提高专业能力和素质。可通过参加研讨会、专业讲座、企业实习、项目合作等途径分享和学习实践经验，同时还应定期邀请校外专家或专业工程师进行集成电路方面的专业座谈、学术交流、技术培训等，进行教学及实践的指导。
三、加强EDA实践教学
首先，根据企业的技术需求，引进目前使用的主流EDA工具软件，让学生在就业前就可以熟练掌握应用，将工程实际和实验教学紧密联系，积累经验的同时增加学生就业及继续深造的机会，为今后竞争打下良好的基础。2009—2015年，黑龙江大学先后引进数字集成电路设计平台Xilinx和FPGA实验箱、华大九天开发的全定制集成电路EDA设计工具Aether以及Synopsys公司的EDA设计工具等，最大可能地满足在校本科生和研究生的学习和科研。而面对目前学生人数众多但实验教学资源相对不足的情况，如果可以借助黑龙江大学的校园网进行网络集成电路设计平台的搭建，实现远程登录，则在一定程度上可以满足学生在课后进行自主学习的需要。其次，根据企业岗位的需求可合理安排EDA实践教学内容，适当增加实践课程的学时。如通过运算放大器、差分放大器、采样电路、比较器电路、DAC、逻辑门电路、有限状态机、分频器、数显键盘控制等各种类型电路模块的设计和仿真分析，令学生掌握数字、模拟、数模混合集成电路的设计方法及流程，在了解企业对于数字、模拟、数模混合集成电路设计以及版图设计等岗位要求的基础上，有针对性地进行模块课程的学习与实践操作的锻炼，使学生对于相关的EDA实践内容真正融会贯通，为今后就业做好充足的准备。第三，根据集成电路设计本科理论课程的教学内容，以各应用软件为基础，结合多媒体的教学方法，选取结合于理论课程内容的实例，制定和编写相应内容的实验课件及操作流程手册，如黑龙江大学的“CMOS模拟集成电路设计”和“数字集成电路设计”课程，都已制定了比较详尽的实践手册及实验内容课件；通过网络平台，使学生能够更加方便地分享教学资源并充分利用资源随时随地地学习。
四、搭建校企合作平台
电路设计的基本流程范文3
电路设计
当有了产品的排布规划后，电子工程师开始设计电路。一般可以把电路分为两个主要的组成部分：基本电路和重要电路。基本电路包含一些被动组件和主动组件。被动组件包括电阻、电容、电感、二极管等；主动组件包含专用集成电路（ASIC）,中央处理器（CPU）,控制器（Controller）,内存（Memory）,传感器（Sensor）,驱动器（driver）,逻辑芯片（LogicIC）,电源芯片（PowerIC）等。重要电路包含前端（AFE）、中央处理器专用集成电路（CPUASIC）、固件内存（FirmwareMemory）、接口（Interface）等。然后将需要要完成的电路分割成多个单元，并画出一个能表示各个单元功能的原理框图。在设计过程中，要考虑到可靠、经济等因素，对每一单元电路进行可行性分析和优缺点分析。
在设计电路的过程中需要注意以下几点：
（1）详细拟定单元电路的性能指标以及与前后级之间的关系，分析电路的组成形式。具体制作时，可以模拟成熟的先进电路，也可以进行创新，但都必须保证性能要求。单元电路本身不仅要制作合理，各个单元之间也要互相配合，要注意各个部分的输入信号、输出信号以及控制信号之间的关系。
（2）组件的工作电流、电压、频率和功耗等参数应能满足电路指标的要求。
（3）元器件的极限参数必须留有充裕量，一般应大于额定值的1.5倍。
绘制电路图
当我们的电路设计完成后，机构结构部分的设计也已经初步完成了，这样接下来我们就要开始绘制电路图了。绘制电路图前需要一个布线控制图（controldrawing）。件，哪个地方可以放多高的组件等讯息。有了布线控制图（Controldrawing）,再加上我们前面完成的系统框图、各部分电路设计、器件选择完成的基础上，就可以进行电路图的绘制。电路绘制有很多的注意事项，重点需要注意以下几点：
（1）布局合理、排列均匀。每一单位电路的组件尽量集中布置在一起。
（2）注意信号的流向。一般从输入端或信号源开始，按照信号的流向依次排向各单元电路，而反馈通路的信号则与此相反。
（3）PCB板上的信号走线尽量不换层，数字器件和仿真器件要分开，尽量远离。
（4）贴片（SMT）或双列直插（DIP）有极性元件的正极需统一方向，标识清楚。PCB的每条路线（TRACE）都要有一个作为测试用的测试点（TESTPAD）。
（5）跟EMI工程师讨论确定主要零件的摆放、power的规划、高速讯号走线、模拟讯号的走线。这是因为即使在整个PCB板中的布线完成得都很好，但由于电源、地线的考虑不周到而引起的干扰，会使产品的性能下降，有时甚至影响到产品的成功率，好的布局可增加生产速度，降低不良率，降低产品成本，提升产品竞争力。
硬体（H/W）和韧体（F/W）的配合
设计完成了还不够，要让各功能实现还需要韧体（F/W）的配合，H/W工程师必须了解如何控制自己所设计的机台,而控制的方式就要提供输入输出映射（IOMapping）给F/W工程师,让F/W工程师知道怎么控制，IOMapping是指在专用集成电路（ASIC）上有可控制的IO端，且这些IO端口是由硬体工程师自己去定义要控制哪些部分。
电路设计的基本流程范文4
关键词：微电子；集成电路；课程群；亲产业
中图分类号：G642.0文献标志码：A文章编号：1674-9324（2019）19-0163-02
一、引言
微电子（集成电路）被称为现代信息社会的“食粮”，是一个国家工业化和信息化的基础。自2014年我国《国家集成电路产业发展推进纲要》，设置千亿级的集成电路发展基金以来，南京、合肥、重庆、成都、武汉、厦门等地相应出台了区域性的集成电路发展政策。厦门依据毗邻台湾的区位优势，设立了500亿人民币的集成电路产业基金，并陆续了《厦门市加快发展集成电路产业实施意见》和《厦门集成电路产业发展规划纲要》，拟形成区域性的集成电路产业集聚地，打造集成电路千亿产业链，最终形成我国集成电路的东南重镇。
在此背景下，厦门政府在集成电路设计、生产制造、封测以及人才储备，全方位进行布局和规划。设计方面：紫光集团投资40亿元设立紫光展锐产业园、研发中心项目，引进展讯等国内通信芯片设计的龙头企业。厦门优讯、矽恩、科塔等集成电路设计企业也在高速、射频芯片领域取得可喜进展，仅2016年，厦门就新增加60余家集成电路设计企业。2017年整体产值达到140亿元；生产制造方面：与台湾集成电路巨头联华电子合资设立了联芯12寸晶圆厂项目，总投资达62亿美元，已于2016年12月正式投产；三安集成电路有限公司和杭州士兰微电子股份有限公司，主攻三五族化合物半导体芯片生产；泉州晋华12寸存储器厂则着眼于动态存储器的生产和销售；封测方面则引入通富微电子股份有限公司，力争打造一小时产业生态圈；人才储备方面：厦门政府与中国科学院微电子所共建中国科学院大学厦门微电子工程学院，辅以厦门大学、厦门理工学院、华侨大学等微电子学科，为厦门集成电路的生产和设计输送人才。
在此背景下，我校于2016年12月建立微电子学院，联合台湾交通大学、元智大学等微电子老牌名校，共同探索适合厦门及周边地区的微电子人才培养策略，力求建立较为完善的课程群体系，为在闽的微电子企业培养专业人才。
二、微电子工程专业特点
首先，微电子专业与传统的机械、化工、电子等专业不同，是一门交叉性很强的学科，需要该专业学生系统地学习数字、物理、电子、半导体器件、集成电路设计、电路封装、计算机等多方面的知识理论，并且能够将各门学科融会贯通，熟练运用。其次，微电子专业入门门槛高、知识体系更新速度快，贴近产业。这就要求学生在具有坚实理论基础的同时，实践动手能力较强，才能在短时间内将所学理论和实践结合，迅速融入工业界或者科学研究。第三，微电子是一个庞大的系统专业。从大类上可以分成工艺、器件、设计、封装、测试五个大方面。但每一個大类又可分为几个甚至数十个小门类。如设计类又可细分为模拟集成电路、数字集成电路、射频集成电路、混合信号集成电路等四个门类。而例如数字集成电路，又可继续分为数字前端、数字后端、验证、测试等小方向。各个方向之间知识理论差异较大，对学生素质提出了极高的要求[1]。
三、微电子工程课程群实践
（一）微电子工程专业培养策略
结合厦门微电子产业特点，以市场需求为导向，同时充分利用海峡两岸交流方面的优势，立足于我校“亲产业、重应用”的办校原则，我校微电子工程专业设置为工艺和设计两大类方向，应对周边产业需求，对该专业学生进行差异化培养。在本科前两年公共课的基础上，大三学年，根据学生兴趣及教师双向筛选，确定学生未来两年的学习方案，分别在器件/制造、模拟/数字集成电路设计两方面进行课程教授和实践锻炼，培养专业门类细化、适应企业实用化需要的高素质、实践型人才。同时，在一些专业课程讲授上，聘请台湾方面有经验的教师和工程师，结合产业现状进行教授和辅导。
（二）微电子工程专业培养目标
对于我校应用型本科院校的定位，区域产业经济和行业的发展是重要的风向标，因此在微电子专业人才培养上必须突出“工程型、实用型和快速融入型”的特点。主要培养目标如下：（1）掌握半导体器件及工艺的基本理论基础、电子线路的基本理论与应用、计算机使用、电子系统信号处理的基本知识、集成电路及板级设计的基本技能。（2）具备半导体及集成电路设计、制造，PCB板级设计、制造、测试的基本能力，工程项目管理、品质管理、设备维护的基本素养。（3）能在半导体、集成电路设计、制造行业，从事集成电路设计、制造、研发、测试、品质管理、厂务管理、设备维护等相关工作，毕业三到五年后通过自身学习逐步成长为本领域的骨干技术人员和具有较强工作能力的核心工程师[2]。
（三）微电子工程专业课程群制定实践
基于我校应用型本科“亲产业”的学校定位，在微电子专业课程群建设中，我们首先引入CDIO的教学理念。CDIO（Conceive-Design-Implement-Operate，即构思—设计—实施—运作）工程教育是以理论教学为基础，工程实际反馈互动为主要形式的培养方案[3，4]。基于此，课程群制定从知识逻辑（课程环节）和项目实施（工程实践）两个角度，对学生的综合素质进行培养、锻炼。
电路设计的基本流程范文5
以集成电路为龙头的信息技术产业是国家战略性新兴产业中的重要基础性和先导性支柱产业。国家高度重视集成电路产业的发展,2000年,国务院颁发了《国务院关于印发鼓励软件产业和集成电路产业发展若干政策的通知》(18号文件),2011年1月28日,国务院了《国务院关于印发进一步鼓励软件产业和集成电路产业发展若干政策的通知》,2011年12月24日,工业和信息化部印发了《集成电路产业“十二五”发展规划》,我国集成电路产业有了突飞猛进的发展。然而,我国的集成电路设计水平还远远落后于产业发展水平。2013年,全国进口产品金额最大的类别是集成电路芯片,超过石油进口。2014年3月5日,国务院总理在两会上的政府工作报告中,首次提到集成电路(芯片)产业,明确指出,要设立新兴产业创业创新平台,在新一代移动通信、集成电路、大数据、先进制造、新能源、新材料等方面赶超先进,引领未来产业发展。2014年6月,国务院颁布《国家集成电路产业发展推进纲要》,加快推进我国集成电路产业发展,10月底1200亿元的国家集成电路投资基金成立。集成电路设计人才是集成电路产业发展的重要保障。2010年,我国芯片设计人员达不到需求的10%,集成电路设计人才的培养已成为当前国内高等院校的一个迫切任务[1]。为满足市场对集成电路设计人才的需求,2001年,教育部开始批准设置“集成电路设计与集成系统”本科专业[2]。
我校2002年开设电子科学与技术本科专业,期间,由于专业调整,暂停招生。2012年,电子科学与技术专业恢复本科招生,主要专业方向为集成电路设计。为提高人才培养质量,提出了集成电路设计专业创新型人才培养模式[3]。本文根据培养模式要求,从课程体系设置、课程内容优化两个方面对集成电路设计方向的专业课程体系进行改革和优化。
一、专业课程体系存在的主要问题
1.不太重视专业基础课的教学。“专业物理”、“固体物理”、“半导体物理”和“晶体管原理”是集成电路设计的专业基础课,为后续更好地学习专业方向课提供理论基础。如果基础不打扎实,将导致学生在学习专业课程时存在较大困难,更甚者将导致其学业荒废。例如,如果没有很好掌握MOS晶体管的结构、工作原理和工作特性,学生在后面学习CMOS模拟放大器和差分运放电路时将会是一头雾水,不可能学得懂。
但国内某些高校将这些课程设置为选修课,开设较少课时量,学生不能全面、深入地学习;有些院校甚至不开设这些课程[4]。比如,我校电子科学与技术专业就没有开设“晶体管原理”这门课程,而是将其内容合并到“模拟集成电路原理与设计”这门课程中去。
2.课程开设顺序不合理。专业基础课、专业方向课和宽口径专业课之间存在环环相扣的关系,前者是后者的基础,后者是前者理论知识的具体应用。并且,在各类专业课的内部也存在这样的关系。如果在前面的知识没学好的基础上,开设后面的课程,将直接导致学生学不懂,严重影响其学习积极性。例如:在某些高校的培养计划中,没有开设“半导体物理”,直接开设“晶体管原理”,造成了学生在学习“晶体管原理”课程时没有“半导体物理”课程的基础,很难进入状态,学习兴趣受到严重影响[5]。具体比如在学习MOS晶体管的工作状态时,如果没有半导体物理中的能带理论,就根本没办法掌握阀值电压的概念,以及阀值电压与哪些因素有关。
3. 课程内容理论性太强,严重打击学生积极性。“专业物理”、“固体物理”、“半导体物理”和“晶体管原理”这些专业基础课程本身理论性就很强,公式推导较多,并且要求学生具有较好的数学基础。而我们有些教师在授课时,过分强调公式推导以及电路各性能参数的推导,而不是侧重于对结构原理、工作机制和工作特性的掌握,使得学生(尤其是数学基础较差的学生)学习起来很吃力,学习的积极性受到极大打击[6]。
二、专业课程体系改革的主要措施
1“。 4+3+2”专业课程体系。形成“4+3+2”专业课程体系模式:“4”是专业基础课“专业物理”、“半导体物理”、“固体物理”和“晶体管原理”;“3”是专业方向课“集成电路原理与设计”、“集成电路工艺”和“集成电路设计CAD”;“2”是宽口径专业课“集成电路应用”、“集成电路封装与测试”,实行主讲教师负责制。依照整体优化和循序渐进的原则,根据学习每门专业课所需掌握的基础知识,环环相扣,合理设置各专业课的开课先后顺序,形成先专业基础课,再专业方向课,然后宽口径专业课程的开设模式。
我校物理与电子科学学院本科生实行信息科学大类培养模式,也就是三个本科专业
大学一年级、二年级统一开设课程,主要开设高等数学、线性代数、力学、热学、电磁学和光学等课程,重在增强学生的数学、物理等基础知识,为各专业后续专业基础课、专业方向课的学习打下很好的理论基础。从大学三年级开始,分专业开设专业课程。为了均衡电子科学与技术专业学生各学期的学习负担,大学三年级第一学期开设“理论物理导论”和“固体物理与半导体物理”两门专业基础课程。其中“固体物理与半导体物理”这门课程是将固体物理知识和半导体物理知识结合在一起,课时量为64学时,由2位教师承担教学任务,其目的是既能让学生掌握后续专业方向课学习所需要的基础知识,又不过分增加学生的负担。大学三年级第二学期开设“电子器件基础”、“集成电路原理与设计”、“集成电路设计CAD”和“微电子工艺学”等专业课程。由于“电子器件基础”是其他三门课程学习的基础,为了保证学习的延续性,拟将“电子器件基础”这门课程的开设时间定为学期的1~12周,而其他3门课程的开课时间从第6周开始,从而可以保证学生在学习专业方向课时具有高的学习效率和大的学习兴趣。另外,“集成电路原理与设计”课程设置96学时,由2位教师承担教学任务。并且,先讲授“CMOS模拟集成电路原理与设计”的内容,课时量为48学时,开设时间为6~17周;再讲授“CMOS数字集成电路原理与设计”的内容,课时量为48学时,开设时间为8~19周。大学四年级第一学期开设“集成电路应用”和“集成电路封装与测试技术”等宽口径专业课程,并设置其为选修课,这样设置的目的在于:对于有意向考研的同学,可以减少学习压力,专心考研;同时,对于要找工作的同学,可以更多了解专业方面知识,为找到好工作提供有力保障。 2.优化专业课程的教学内容。由于我校物理与电子科学学院本科生采用信息科学大类培养模式,专业课程要在大学三年级才能开始开设,时间紧凑。为实现我校集成电路设计人才培养目标,培养紧跟集成电路发展前沿、具有较强实用性和创新性的集成电路设计人才,需要对集成电路设计方向专业课程的教学内容进行优化。其学习重点应该是掌握基础的电路结构、电路工作特性和电路分析基本方法等,而不是纠结于电路各性能参数的推导。
在“固体物理与半导体物理”和“晶体管原理”等专业基础课程教学中,要尽量避免冗长的公式及烦琐的推导,侧重于对基本原理及特性的物理意义的学习,以免削弱学生的学习兴趣。MOS器件是目前集成电路设计的基础,因此,在“晶体管原理”中应当详细讲授MOS器件的结构、工作原理和特性,而双极型器件可以稍微弱化些。
对于专业方向课程,教师不但要讲授集成电路设计方面的知识,也要侧重于集成电路设计工具的使用,以及基本的集成电路版图知识、集成电路工艺流程,尤其是CMOS工艺等相关内容的教学。实验实践教学是培养学生的知识应用能力、实际动手能力、创新能力和社会适应能力的重要环节。因此,在专业方向课程中要增加实验教学的课时量。例如,在“CMOS模拟集成电路原理与设计”课程中,总课时量为48学时不变,理论课由原来的38学时减少至36学时,实验教学由原来的10学时增加至12个学时。36学时的理论课包含了单级运算放大器、差分运算放大器、无源/有源电流镜、基准电压源电路、开关电路等多种电路结构。12个学时的实验教学中2学时作为EDA工具学习,留给学生10个学时独自进行电路设计。从而保证学生更好地理解理论课所学知识,融会贯通,有效地促进教学效果,激发学生的学习兴趣。
电路设计的基本流程范文6
关键词：光伏系统；数据采集；CPLD；单片机
中图分类号：TP274.2 文献标识码：A DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.02.018
0引言
当光伏阵列处于遮阴条件时，需要对每个电池板进行光照强度的采集，以便完成最大功率点跟踪控制的设计，使光伏阵列更高效稳定地工作[1]。高速数据采集系统在现代工业的各个领域中应用越来越广泛，基于单片机、ARM的数据采集技术已经很成熟，作为一种复杂可编程逻辑器件，CPLD(ComplexProgrammableLogicDevice)这些年来发展迅猛，以其极高的集成度、稳定的性能以及高速、易用的特点，在各个领域都得到了广泛的应用[2]。因此，本文为了实现对光照强度数据进行多路并行采集，采用CPLD作为核心器件进行系统设计。在检测控制系统中，当需要采集的信号特别多时，传统的方法是利用单片机及其他芯片扩展系统资源来实现，但是这样做会增加大量的外部电路和系统成本，并且增大了系统设计的复杂性。CPLD是一种具有丰富的可编程I/O引脚的器件，具有在系统可编程、使用方便灵活、可用I/O端口多的特点，可实现复杂的数字逻辑功能。和单片机结合可较容易实现数据的采集任务[3]。FIFO(FirstInputFirstOutput)是一种广泛应用在设计中的用来作为缓冲的存储器，它能对数据进行快速顺序的存储和发送，主要用来解决不同速率器件间的速率匹配问题。本系统通过精心设计FIFO体系结构，可以实现FIFO工作性能的大幅提升[4]。
1硬件电路设计
本设计的接收点为将每一路光照强度传感器产生的模拟量转化为CPLD可以接收并处理的数字量的信号调理电路，将它直接连入I/O口即可。本设计使用了40个接收点来接收40块光伏电池板的光照强度数值，由于受到芯片资源的限制，故使用了3片CPLD同时工作。本设计选用的CPLD芯片为Altera公司的MAXIIEPM1270T144C5N芯片，此芯片在所有CPLD系列中其单位I/O成本最低，功耗最低，包含1270个LE，相当于40000门数、980个等效宏单元数、8KB用户可用Flash比特数。硬件电路设计如图1。
1.1CPLD采集电路的设计
因为数据通过信号调理电路已经转化为CPLD可以直接读取的数字量，所以各信号直接接入CPLD的普通I/O口即可。设计时对精度、稳定性、功率等方面综合考虑，采用了50MHz有源晶振。CPLD在线编程和芯片自身的测试可通过JTAG接口来实现。
1.2通信电路设计
系统与上位机通信数据输出电路采用了无线传输模块和RS232串口通信电路，采用双通信是为了适应不同环境下的工作，无线传输模块采用了挪威NORDIC公司的NRF905射频发射芯片。RS232串口通信电路则采用以MAX232电平转换芯片为核心设计而成的串口通信电路。
1.3电源电路设计
本系统控制器单片机与CPLD使用的都是3.3V电源，但是液晶显示屏、电池供电等采用的是5V电源，故需要对电源进行变换才能给芯片供电，故对电源模块进行了设计，采用了以稳压块LM1117T为核心的5V转3.3V电路。
1.4控制电路设计
系统数据采集芯片采用的是CPLD，但是控制核心采用了TI公司的MSP430F169单片机，MSP430具有处理能力强、运算速度快、低能耗、片内资源丰富、方便高效的开发环境等优点，被广泛应用在各种工业场合。
2软件设计
2.1CPLD采集数据主程序设计
由于CPLD芯片的设计特点，工作方式不像单片机等属于顺序执行，而是采用速度更快的并行执行，这意味着所有的接收口可以同时工作。每串数据都有起始位和停止位，并且起始位都为低电平，停止位为高电平。检测数据是否开始传输只需判断是否来了低脉冲，但这也可能是误差信号，所以需设置判断是否是真正的起始位，本设计采用的方法是每隔十分之一数据位的时间检测一次，如果连续五次都为低脉冲，则确认为有效数据，并且每隔一个数据位开始接收。由于篇幅限制，只给出如图2所示的一路数据端的主程序流程图。
2.2CPLD内部FIFO算法判断程序设计
为达到高速缓存的目的，以及解决存入数据与取出数据的速率不同步的问题，设计了一套FIFO寄存器的执行流程，因为CPLD是并行操作，所以流程图中各个判断位是同时执行。图3为CPLD内部FIFO寄存器的执行程序。
2.3单片机程序流程图
单片机作为控制核心，但由于单片机I/O资源有限，所以3片CPLD采集芯片的输出端接在一起，这就意味着需要MSP430单片机对CPLD进行片选控制，否则会出现数据紊乱。流程图中的寄存器状态位为本设计中设定的一个标志位，设定的依据为当数据超过FIFO寄存器的2/3时，就认定FIFO即将溢出，将状态位置1，否则置0。当读取到其中一片CPLD芯片的寄存器状态位为1时，就让其余2片CPLD所有的数据输出为高阻态，即输出丧能。控制核心单片机则作为数据的接收端根据需要来产生时钟信号，被选中的CPLD按照单片机的时钟信号进行数据传输，如图4所示。
3实验结果分析
仿真验证是CPLD设计中的重要一环，Altera公司的CPLD自带的QuartusII软件本身带有仿真功能，但是无法使用TestBench(类似于一种激励产生器)，对于复杂的设计，画波形图显然不是明智的选择。而Modelsim是业界最优秀的HDL仿真软件，其突出优点能为用户提供全面完善以及高性能的验证功能，不需要硬件就能对CPLD的设计进行仿真,而且能够观察具体的模拟波形图[5]。本系统根据设计目标要求做了实验验证，如图5所示。CPLD的仿真验证使用Modelsim-altera编写了脚本程序对光照强度数据采集结果进行了实验。Lock信号是单片机读取数据的时钟信号，高电平时读取一串数据的高8位，低电平时读取数据的低8位，data为输出信号，txdb模拟输入的信号。仿真显示能够顺利读取数据，基本达到了设计要求。图6为Modelsim的仿真波形图，从图中可直观地看出读取的数据。
4结论
本文研究设计了基于CPLD和MSP430F169单片机的光伏数据采集系统，完成了电路板的设计，测试了工作性能。通过不断地在线编程完善和调试，该系统可以快速可靠地进行数据采集和处理，效果理想，可以应用于光伏系统中。
参考文献
[1]龚耀，林小玲.光伏系统数据采集的设计与实现[J].仪表技术与传感器，2011(8)：108.
[2]张云梓.基于CPLD的高速数据采集系统的实现[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2013.
[3]程明，毕立恒，杨晓光.基于CPLD的数据采集系统的设计[J].自动化技术与应用，2007(8)：100.
[4]李冬，赵志凯.一种高性能异步FIFO的设计与实现[J].微电子学与计算机，2010(8)：145.
