用于完善智能电表设计的FPGA到ASIC的研究

时间： 2024-01-30 来源：TOPPOWER官网

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许多嵌入式系统设计首先使用FPGA来实现。这可能是为了更快地进行原型设计或提供软件开发平台。有时，生产开始后，FPGA仍保留在设计中。但通常情况下，计划是将FPGA（或多个FPGA）转换为ASIC以进行批量制造。

人们很容易认为这种转换几乎是自动的。只需使用ASIC库重新编译经过验证的FPGA RTL代码，验证生成的网表，然后将文件发送到后端设计车间。但要获得结果，过程可能没那么简单，特别是如果有机会将多个芯片整合到ASIC中或需要混合信号功能时。

以下为智能电表的FPGA到ASIC转换项目。该设计说明了转换过程中的许多重要细微差别。这表明寻找合适的转化合作伙伴的重要性。

智能电表设计

乍一看，电表很简单。它监控客户场所入口处的电力线电压和电流，并记录输送的累积能量（在美国通常以千瓦小时为单位）。传统上，这项任务是由相当聪明的电动机驱动机械计数器来完成的。

但智能电表则不同。智能电表消除了机电移动部件，对电压和电流进行采样并以数字方式累加它们的乘积。它还提供了一种远程阅读的方式，消除了人们拿着铅笔和剪贴板挨家挨户走动的情况。在我们正在讨论的设计中，还有其他功能，例如如果电表检测到异常电压或电流事件，则切断客户驻地的电源并向网络控制中心故障。

由于智能电表的大部分功能都在软件中，因此硬件相对简单，且大多与I/O相关（图1）。在客户的原型中，硬件包括主机处理器、充当 I/O集线器的FPGA、各种传感器、主要通过串行接口连接的显示器，以及用于返回网络的电力线通信(PLC)的子系统控制中心。后一个元素被证明是设计的重要组成部分。

图 1客户的初始设计包括 FPGA 和外部主机 CPU

实现 EMI 和 ESD 合规性是整个设计过程中关注的一个问题。智原科技 PLC 接口需要独特的媒体访问控制器 (MAC)、物理层接口 (PHY) 和模拟前端 (AFE)。在原型设计中，所有这些功能都在FPGA中实现。然而，PLC 接口还需要外部线路驱动器和电源线耦合器。

FPGA 到 ASIC 转换的主要目标是降低成本，部分是通过消除一些外部组件来实现的。然而，在具有挑战性的使用环境中满足静电放电 (ESD) 和电磁干扰 (EMI) 抗扰度规范的需求（对于基于 FPGA 的 AFE 来说是一个真正的难题）也给设计团队带来了沉重的压力。

转换过程

FPGA 到 ASIC 的转换过程远非自动化，而是涉及设计服务公司和客户之间的大量交互。结果是基于 ARM 的混合信号 ASIC 设计减少了芯片数量（图 2）。

图 2 ASIC 设计包括内部 CPU、外部控制信号的复杂复用以及电力线通信接口的模拟前端

首先评估智能电表架构。我们决定，除了实现 FPGA 作为 I/O 集线器和 PLC 接口的现有功能外，ASIC 还可以承担主处理器的功能。这导致了基于 ARM Cortex-M4F CPU 内核、AHB-Lite 系统总线和 ARM 外设总线的相当传统的架构。

系统总线将接口连接到内部存储器以及主要子系统。其中包括千兆位 MAC、DMA 控制器，以及 CRC 控制器和 AES 加密引擎（因为数据完整性和安全性对此应用至关重要）。

大量的 I/O 引脚通过复用连接到外设总线。该设计包括用于 CPU 的内部 ROM 和 SRAM、内部电子保险丝及其控制器，以及用于外部 SDRAM 和串行闪存的接口。

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