基于FPGA的無線充電接收芯片驗證平臺的設計

劉彬彬

摘要：本文以一款基于dw8051的無線充電接收芯片為例，闡述了搭建FPGA原型驗證平臺的幾個步驟，以及設計驗證過程中的出現一些問題的分析及解決。

[關鍵詞]SoCFPGA原型驗證驗證方法學

隨著IC設計技術的發展，目前芯片的設計已進入到Soc的時代。Soc就是將微處理器，數字IP，模擬IP，各類存儲器及膠合邏輯集成在單一芯片上。隨著設計規模及復雜度的提升，成功設計一款芯片的時間和成本也成倍的增加，因此，如何在保證功能的情況下，縮短時間減低成本成了我們關注的焦點。隨著FPGA日趨成熟的工藝技術，不斷降低的功耗和成本，以及不斷增強的規模和速度，使得其在原型驗證有著不可替代的地位。用FPGA作為原型驗證硬件模塊的載體，有兩方面的優勢：一方面是FPGA是邏輯器件，仿真的速度比軟件仿真速度快，另一方面，硬件的物理特性跟實際芯片比較接近，有利于我們比較真實的評估驗證。利用FPGA搭建的驗證平臺，通過模塊級和系統級的驗證，能快速的縮短開發時間，降低開發成本，提高流片的成功率。

本文通過一款以dw8051處理器為核心的無線充電接收芯片，闡述了如何構建和驗證FPGA原型驗證的軟硬件平臺，包括硬件資源的整合，IP替換，測試仿真，綜合實現及軟硬件聯調等。

1基于dw8051無線充電接收芯片的設計

本文所述的是一款應用于無線充電接收系統，滿足WPCQi標準的無線接收芯片，該芯片采用MCS-51系列精簡指令集處理器dw8051作為微控制器。DW8051是由Synopsys提供的可綜合的微控制器IP核。它兼容標準的8051，但為了便于集成，采用了新的外部接口。DW8051除了使用loop進行精準延遲的設計外，兼容大部分的標準51軟件。

基于dw8051的無線接收芯片架構如圖1所示，包括了數字部分和模擬部分，數字部分除了dw8051和SFR總線外，還包括了接口單元，定時器模塊，I2C總線，串口uart，復位及看門狗單元等多個模塊，模擬單元包括fsk解調，ask調制，12位的ADC，LDO，PLL，基準源及驅動mos等，除了這些數字模擬模塊還有RAM及flash等。

2FPGA原型驗證軟硬件平臺的設計

近年來隨著集成電路工藝技術的發展，芯片規模越來越大，應用在RTL代碼驗證的時間，及軟件開發驗證時間越來越多，這都需要借助FPGA原型模擬芯片的行為，來幫助硬件開發和軟件開發者來提高效率，相對于軟件仿真，FPGA硬件結構更接近于真實地芯片，更能有效真實地配合軟件開發，有效真實地反映存在的問題，提高芯片的正確性。但是由于FPGA及ASIC兩者結構的不同，在做FPGA對應ASIC的驗證時，還需要進行相應的修改，才能完成對應的功能驗證。

本文主要就從硬件及軟件兩個方面進行描述。硬件方面主要包括了，FPGA的選型，開發板的購買，ASIC代碼轉換裝入FPGA，調試啟用FPGA原型。軟件方面包括了，軟件程序準備，軟件載入FPGA協同運行。

2.1FPGA選型

FPGA選型需要根據ASIC設計的實際需求進行，如表1所示，ASIC設計通常包括以下一些內容：

（1）容量：包括了純邏輯容量，存儲容量，dsp單元容量等。

（2）內置IP：包括時鐘IP，存儲控制器IP，cpu等。

（3）接口：普通的IO接口及專用的高速接口如PCIE，LVDS接口等。

（4）速度：資源占用率在50%左右時的速度，一般被用來評估原型。

針對以上內容進行分析，其中純邏輯容量，即ASIC中組合電路與觸發器的容量，直接替換成FPGA的邏輯資源。需要內置存儲單元，比如單雙端口的ram，rom，ffo等來對asic中的存儲IP進行替換。需要有dsp器件來替換asic中的乘加運算。還需要一些內置的IP，比如分頻模塊PLL，時鐘模塊MMCM等，對于接口的要求，一般FPGA足夠多的I0口都能滿足要求，除非一些特定的專用口。影響速度的因素較多，包括設計規劃，代碼風格，資源情況等等，這些可以再選擇一款容量足夠的FPGA后，經過代碼替換，編譯綜合后得到一個大概的數據，根據這個數據再來選擇速度更合適的FPGA。綜上所述，根據以上的限定信息來進行FPGA的選型。

2.2FPGA原型板選擇

本課題的原型驗證硬件平臺結構如圖2所示，該驗證平臺的主芯片采用altera公司高性價比FPGA：cycloneII系列EP2C8Q208C8N，此芯片資源豐富，價格適中，非常適合中小型芯片驗證，板載EPCS16N串行配置芯片，同時支持jtag和as模式;系統的工作時鐘由50M的有源晶振提供，IO口3.3V電壓由電源管理芯片1085提供，FPGA的1.2V的內核電壓由1117穩壓芯片提供，板子預留有足夠的IO口，可以通過擴展IO，將驗證板與子板相連，進行系統級的驗證。本課題采用的是主板加子板的驗證模式，主板是FPGA原型板，子板是AD采集及mos驅動管子等分立元件搭建的板子，盡量使搭建的FPGA原型驗證平臺跟真實芯片一致。

2.3ASIC代碼轉換

FPGA原型驗證的關鍵是盡可能的使FPGA模擬真實芯片的功能，盡可能的接近真實的芯片，但在實際的使用過程中，由于FPGA與ASIC自身工藝及結構的不同，以及一些規模，速度，功耗上的限制，使得在使用FPGA作為芯片原型驗證時，需要對ASIC的源代碼進行一些修改，替換才能完成對應的功能。整個驗證流程如圖3所示的，本文只對右邊FPGA原型驗證流程進行分析。

2.3.1存儲單元的替換

在本設計中使用的兩個ram一個用來運行程序，一個用來存儲數據，都需要轉換成FPGA內部同樣大小的RAMIP核，本設計中使用了一個rom存儲單元用來存儲BootLoader的程序，同樣在驗證的過程中需要換成同樣大小的ROMIP核。

2.3.2時鐘單元的處理

時鐘門控clockgating一般在ASIC中廣泛使用，一般會在clk模塊中例化成由latch與門組成的門控單元，對某個模塊進行時鐘控制。這些門控單元，如果直接在FPGA中例化為相同邏輯的latch與門，邏輯功能是沒有問題的。但是這時與門出來的受控時鐘，則不能再FPGA的專用時鐘網絡中走線，而是走普通的信號網絡，這樣FPGA能達到的頻率很差。為了糾正這樣情況，可以把對寄存器的門控，放在寄存器端，也就是選用FPGA中行如FDCE這樣帶門控的寄存器。

2.3.3模擬單元的替換

FPGA原型驗證只能驗證數字部分，模擬部分的功能只能通過外部器件，分立元件來實現，本系統中的ASK，FSK，AD，LDO等模擬模塊都是通過一個子板連接到驗證主板上的，而整個系統的電源，復位，時鐘等，也是由主板提供的。其中內核電壓，IO電壓，存儲單元的電壓由驗證板電壓轉換電路提供，而時鐘則有板上的晶振通過PLL模塊轉換提供。

2.3.4其他數字IP的替換

如果使用到一些計算的乘法器，除法器，乘加運算等，還需要一些其他的IP來替換。

2.4代碼的ModelSim仿真

由于對代碼進行了替換，為了保證驗證的等效性，以及便于驗證出差檢查，需先對轉換后的代碼進行仿真驗證，再進行原型板的調試驗證。本設計使用Mentor公司的ModelSim仿真工具進行仿真，modelsim提供了友好的界面，可以很方面的觀察仿真波形信號，并且modelsim可以通過運行腳本文件，方便仿真。Modelsim還提供了仿真覆蓋率的功能，能夠標識此測試激勵仿真驗證了哪些模塊。這些功能有助于提高代碼功能驗證的覆蓋率。

為了驗證代碼替換的正確性，對一些相應的模塊進行仿真測試。本設計中有對RAM，ROM核進行替換，為了驗證這兩個模塊及對這兩個模塊操作運行模塊是否正確，設計了一個激勵，該激勵通過運行8051處理器的程序，來仿真驗證8051對RAM，ROM的數據存儲是否正確。仿真結果可以通過ModelSim查看仿真波形。圖4所示RAM模塊的仿真波形。圖5所示是mcu加載的程序實際的數據。從圖4可看出，運行程序時，從RAM中讀出的mcu程序的數據跟圖5顯示的程序數據是一致的，通過ModelSim仿真不僅可以驗證代碼替換是否等效，功能是否正確，還可以檢查出一些基本得語法錯誤。

2.5原型板的調試

在完成modelsim的仿真后，就可以將編譯綜合后的文件加載到FPGA中，進行原型板的調試。原型板的調試主要一下幾個步驟：確認下原型板電壓電流是否正確是否穩定;確認下輸入時鐘的頻率，相位，偏移，分頻是否正確;確認下FPGA的配置及復位系統是否正確;確認編譯綜合文件是否能加載到FPGA中。3FPGA的原型驗證的實現

在原型板調試完成后，驗證的基本平臺已搭建完成，可以對芯片進行系統完整的驗證。

本文描述的驗證工作主要包括兩部分，一部分是針對芯片內部各個模塊的功能驗證，即模塊級的驗證，另一部分是結合軟件，運行整個mcu系統，進行完整功能的驗證，即系統級的驗證。

3.1模塊級驗證

模塊級的驗證一方面調試時間短，查找問題容易，針對性強，另一方面，分工明確，便于多人合作，效率高。模塊級驗證主要根據功能要求編寫測試激勵，通過modelsim仿真，及板子調試，示波器查看等手段來驗證。本設計的測試激勵主要有兩種方式，一種是直接通過verilog描述語言編寫，一種是通過c語言編寫軟件程序，加載到mcu中，運行meu進行測試。在進行驗證時，根據具體的模塊選擇適合的方式來進行驗證，所有的驗證結果都可以通過modelsim觀測到。圖6所示為測試uart模塊時modelsim捕獲的波形。將串口0接到串口1上，從串口0定時發送數據0xaa，0xa9，0xa8，0xa7，從仿真圖6可以看出在串口1上接收到了同樣的數據：0xaa，0xa9，0xa8，0xa7。

3.2系統級驗證

完成模塊級的驗證后，就可以進行系統級的驗證。整個系統的驗證需要軟硬件協調驗證，包括軟件的編寫，程序的下載，整個系統的運行，系統功能的實現，系統級的驗證包括了大部分的模塊，以及模塊之間的通訊。系統級的驗證能夠驗證出模塊級沒有驗證出的問題，比如模塊之間通訊出錯，模塊之間運行的沖突等等。

本文僅以接收芯片的下載系統原型驗證為例，通過keil軟件編寫一個串口代碼，功能為：固定向pc端發送0xaa的數據，編寫完代碼，編譯生成.hex的文件，將文件存儲到RAMIP核中，經過FPGA進行編譯綜合實現，通過jtag下載到板子上。此時整個驗證環境就搭建好了。此時如果打開串口調試助手，可以看到一直接受到數據0xaa，現在通過keil軟件編寫一個不同功能的串口代碼，看功能是否切換過來，新的串口功能為：將串口從pc端接收到的數據再通過串口發送回pc端，編寫完代碼，編譯生成.hex的文件。如圖7所示，打開上位機，將程序通過上位機軟件下載到meu里面，可以看到下載成功，此時通過PC端的串口調試助手發送數據：676869123456，可以看到串口調試助手也接收到了同樣的數據676869123456。

4結論

文中以驗證基于dw8051無線充電接收芯片為例，詳細的介紹了如何FPGA軟硬件驗證平臺的設計，包括了FPGA的選型，原型板的選擇，ASIC代碼的轉換，modelsim的仿真，原型板的調試及原型的驗證。在驗證的過程中，先從硬件模塊的原型驗證到模塊級的驗證，最后到系統級的驗證，保證原型驗證具有較高的覆蓋率，提高整個平臺的可靠性。應用FPGA原型驗證的方法既可以驗證功能提高流片的成功率，又能縮短開發周期。

參考文獻

[1]張躍玲，張磊，汪健等.FPGA的驗證平臺及有效的SoC驗證方法[J].單片機與嵌入式系統應用，201616（03）：8-11.

[2]馮凌霄，張冰，基于FPGA的SoC原型驗證方法研究[J].電子設計工程，2014，22（16）：44-47.

[3]李維漢，趙韓，張坤，江昊，電動汽車無線充電系統的分析與設計[J].昆明理工大學學報（自然科學版），2015，40（06）：66-70.

[4]胡江浩，張中煒?；赒I協議的無線充電通信系統[J].中國新通信，2016（03）：106-106.

[5]鄧良禹。手機無線充電技術的研究[J].移動信息，2017（09）：7-8.

[6]蘇藝端，虞致國，顧曉峰。一種基于可重用激勵發生機制的SoC驗證平臺[J].計算機工程與科學，2016（07）：1309-1315.

[7]程冀勝.SoC芯片FPGA原型的軟硬件協同驗證[J].單片機與嵌入式系統應用，2017（11）：7-13.

[8]李璐，周春良，馮曦，周芝梅，朱承治.基于DPI-C接口的可擴展SOC驗證平臺[J].電子設計工程，2018（04）：136-140.

[9]虞致國，魏敬和，基于FPGA的ARMSoC原型驗證平臺設計[J].電子與封裝，2007，7（05）：25-28.

[10]豐玉田，付字卓，趙峰，大規模SoC設計中的高校FPGA驗證技術的研究與實現[J].電子技術應用，2006（02）：110-112.

[11]夏飛，劉光明，基于FPGA組的ASIC驗證原型系統和邏輯分割算法的研究與實現[J].計算機工程與科學，2006，28（09）：83-87.

[12]Thomas L， Anderson.Design intents raise verification level [M].Electronic Engineering Times， 2001.

[13]孫海平，丁健，系統芯片（SoC）驗證方法與技術[M].北京：電子工業出版社，2005.

[14]虞致國，魏敬和，基于JTAG的SoC軟硬件協同驗證平臺設計[J].微電子學與計算機，2010（10）：166-168..

[15]張術利，劉忻，基于FPGA的SoC原型驗證的設計與實現[J].電子技術，2011（05）：71-73.

[16]楊安生，黃世震，基于ARMSoC的FPGA原型驗證[J].電子器件，2011，34（03）：247-251.