MVBCY 芯片研制

王 锋，陈玉飞

（中车大连电力牵引研发中心有限公司， 辽宁大连116052）

多功能车辆总线（MVB）是主流列车控制网络，其具有实时性强、可靠性高等特点。搭建MVB网络系统需要以MVB 协议控制芯片为基础。

目前市场上使用的专用MVB 协议控制芯片主要由国外公司提供。国内有数家厂商研制出了以FPGA 为基础的MVB 板卡或设备，并已经有大规模的成熟应用。

中车大连电力牵引研发中心有限公司于2008年研制出了自主的MVB IP 核，采用FPGA 芯片写入自主MVB IP 核的方式实现MVB 设备。装载自主MVB IP 核的FPGA 芯片已经装车应用30 000 多片。2018 年，将自主研制的MVB IP 核进行芯片化，完成了MVBCY 的流片。

1 MVBCY 的技术参数

MVBCY 芯片在设计上满足IEC 61375-3-1、IEC 61375-3-2 标准规定的要求，芯片的总体技术参数如下［1-2］：

（1）MVB 数据传输服从曼彻斯特编码，数据速率1.5 Mb/s；

（2）基本周期（过程+监控+消息+保护相）时间1.0 ms；

（3）传输介质：EMD 或ESD；

（4）数据完整性：每64 位数据有8 位CRC 校验，汉明距离=8；

（5）过程数据：可寻址端口4 095 个；

（6）消息数据：可缓冲消息包个数：收发队列各256 个；

（7）监视数据：全网扫描；

（8）支持MVB：1～4 类设备功能、以及不带CPU 的MVB 1 类设备功能；

（9）引脚封装：QFP144；

（10）工作温度：-40℃～85℃；

（11）晶振频率：24 MHz。

2 设计方案

2.1 研制流程

MVBCY 芯片研制流程如图1 所示，设计包含前端设计、后端设计、芯片加工、芯片集成、产品制造和批量流片。前端设计主要是寄存器传输级RTL 设计，实现MVB 协议功能，设计完成后进行前端功能性仿真验证，所有功能验证正确后才能进行下一步；后端设计主要是对前端设计的RTL代码进行综合、约束、布局和布线，然后进行门电路验证以及静态时序分析，其中静态时序分析包括综合后的时序分析和布局布线后的时序分析，对所有可能的路径进行检查，不存在遗漏关键路径的问题，同时要验证保持建立时间，时钟脉冲宽度测试，组合反馈电路测试等，验证通过后生产GDS 版图，用于芯片加工；芯片加工主要是按照流片工艺要求，对GDS 版图进行样片流片，然后封装成特定结构外形的芯片；芯片集成是通过硬件设计将芯片集成到测试电路板上，然后进行测试软件的设计和联调，测试通过后认为芯片的功能是正确的；产品制造是对芯片进行产品设计并进行产品的特定测试，包括一致性测试和型式试验，通过测试后，芯片的性能达到应用要求，方可对芯片进行批量投产流片。

图1 芯片设计流程

2.2 前端设计

2.2.1 功能结构

MVBCY 芯片功能结构如图2 所示，包括如下功能模块：用于实现帧发送的编码器发送模块；用于实现帧接收及帧的错误检测的译码器接收模块；用于与应用处理器之间通信的用户接口模块；用于总线控制的内部总线模块；用于完成不带CPU 单独数据通信逻辑的1 类设备模块；用于实现中断控制的中断控制模块；整个芯片的主控制模块。

前端设计在前期以FPGA 为基础的MVB 板卡设计中已经基本完成，但为了实现流片，需要对前端设计进行部分更新以适应流片需要。

（1）对原有自主设计的MVB 4 类设备网卡进行了更新，补充原来没有实现的部分功能，使得MVBCY 芯片能够适应更多的客户需求。包括：消息数据通信功能（包括消息主、从设备功能）；ESD、EMD 接口可配置功能等。

（2）将原来调用的FPGA 内部FIFO 和BUF 的IP 核转换为纯VHDL 代码，这样，MVB 4 类设备的所有设计都转为VHDL 代码实现。另外，将inout类型的IO 引脚分为in 和out 两个引脚，调用SMIC IO 库 实 现IO 引 脚。

2.2.2 功能仿真

在前端设计中，要贯穿始终地验证所设计完成的功能在设计中已正确实现，不同模块和层次的设计结果是否满足要求。该阶段的验证工作主要就是寻找到设计的漏洞，验证得越全面，修改的漏洞越多，那么后续修改成本和时间就会越少。通过设计不同的输入激励或者测试向量施加到设计模型上，使其工作运行，并观察模型的响应，是否与预期设计相符合。部分仿真测试用例内容见表1，前端功能验证如图3 所示。

图2 MVBCY 协议芯片功能框图

表1 仿真测试用例

图3 前端功能验证

2.3 后端设计

后端设计包含了综合、布局布线、仿真验证、功耗分析和物理验证，如图4 所示。综合是使用EDA工具将设计从RTL 转换为逻辑门级，以此决定电路门级结构、寻求时序、面积、功耗的平衡，增强电路的可测性；布局布线是根据综合阶段产生的门级网表决定内核单元、宏模块等电路部件位于版图平面的位置，并给出连接这些单元、宏模块和引脚的一组连线；仿真验证主要是时序仿真，这里区别于前端设计的功能仿真，此阶段的仿真包括综合后的路径检查和布局布线后信号建立、保持时间最坏情况下的检查；功耗分析是根据约束文件要求分析电路动静态压降和电子迁移情况；物理版图验证主要是针对设计规则进行检查和验证版图实现的功能和网表描述的是否一致。后端设计完成后生成的GDS 文件用于芯片流片加工。

2.4 芯片加工

芯片加工由代工厂加工制造，代工厂按照设计提供的GDS 文件，将版图数据定义的图形固化到掩模上。一张掩模一方面对应于版图设计中的一层的图形，另一方面对应于芯片制作中的一道或多道工艺。在一张张掩模的参与下，工艺工程师完成芯片的流水式加工，将版图数据定义的图形最终有序的固化到芯片上。芯片加工工艺要求见表2。

封装后要进行封装测试，在IC 测试机上给芯片输入电压和激励，对每颗芯片进行筛选，完成电气参数和基本功能的测试。

2.5 系统集成与测试

基于流片后的MVBCY 芯片进行外围电路设计，基于设备级的硬件平台，完成软件和硬件协同验证、MVB 设备接口一致性测试，验证结果满足标准要求。验证平台如图5 所示，验证的功能见表3。

基于MVBCY 芯片设计的电路板集成于中央控制单元产品，根据IEC 61375-3-2 标准，在MVB一致性测试平台进行了一致性测试，包括物理层测试和性能测试，所有测试项点均通过，见表4。

基于MVBCY 芯片设计的电路板集成于中央控制单元产品，根据GB/T 25119 标准进行了产品的型式试验，所有测试项点均通过，见表5。

完成上述测试后，对MVBCY 芯片进行了装车验证，验证结果表明MVBCY 芯片满足应用的要求。

图4 后端设计流程

表2 芯片工艺要求

图5 集成测试验证平台

表3 验证功能项点

3 结 论

介绍了MVBCY 芯片的研制过程，着重讨论了芯片的功能设计原理、设计流程、测试和验证方法，并介绍了芯片的总体技术参数。设计的MVBCY 芯片满足IEC 61375-3-1 和IEC 62375-3-2 标准要求，实现了芯片的国产化自主研制。MVBCY 芯片已经在机车、地铁列车上装车应用，运行稳定可靠。

表4 一致性测试项点

表5 型式试验项点