伺服控制系统SOC芯片功能分析及测试的研究

摘要

片上系统(System On Chip，SOc)，是将整个系统集成在一个芯片上。一个完整的SOC系统包括微处理器模块、存储器模块、通信接口模块、ADC/DAC模块、电源模块等。
　　本课题是研究一款支持MIPS32指令集的SOC芯片，此款芯片主要用于工业控制和数据采集，它作为NCU（数字控制中心）的核心芯片，实现了数据采集、存储、转换、I/O和对机床的位置控制等功能。为了得到性能稳定的SOC芯片，首先要对SOC芯片的内部功能进行透彻分析，然后进行芯片的功能测试，提高最终的良品率。本文是对一个封装成品芯片进行功能测试，主要思想是根据芯片的具体功能，自主设计一个测试电路板，通过示波器、逻辑分析仪测试其内部功能。
　　本论文首先详细分析此款SOC芯片内部模块的体系结构、性能指标和接口设计，包括CPU处理器、Nand Flash控制器、PWM控制器、DDR2控制器、I2C接口、中断控制、SPI接口、RTC控制器、Watchdog、GPIO寄存器等模块的结构图、时序图、寄存器定义和引脚功能说明，在此基础上，根据此款芯片自身特点，利用Altium Designer winter10设计外围测试电路和芯片选型，包括测试板的电源电路、SDRAM电路、复位电路、时钟电路和Flash存储器电路、LED电路设计，进而完成原理图设计和PCB设计，制版和焊接电路板。最后完成测试电路板实物的软硬件调试，借助示波器观察测试板部分模块的波形。
　　先对SOC芯片内部DAC模块和4路PWM模块的波形测试，然后用软件测试了SOC芯片内部Flash的读写功能、DDR2存储器的拷贝、数学运算的速度和USB访问速度。通过对测试结果比对分析，验证芯片内部这五个模块功能基本符合要求，可以流片生产。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究的背景和意义

1．2 数控系统的简介和发展

1．3 SOC芯片的研究现状

1．4 论文主要工作

1．5 论文结构安排

第二章 NCU(Numerical Control Unit)核心芯片SOC的功能分析

2．1 系统芯片SOC的概念

2．2 NCU中片上系统SOC部分模块功能分析

2．2．1 CPU

2．2．2 SPI控制器

2．2．3 DDR2 SDRAM控制器

2．2．4 UART控制器

2．2．5 PLL电路

2．2．6 PWM控制器

2．2．7 Nand Flash控制器

2．2．8 I2C接口

2．2．10 GPIO寄存器

2．2．11 RTC模块

2．2．9 Watchdog

2．2．12 USB Host

2．2．13 Interrupt控制器

2．2．14 AC／DC

2．3 本章小结

第三章 系统芯片测试技术

3．1 芯片测试的概述

3．2 测试种类

3．3 ATE简介

3．4 SOC芯片的可测性设计

3．4．1 扫描测试

3．4．2 内建自测试

3．5 SOC测试未来的发展方向

3．6 本章小结

第四章 SOC芯片硬件测试电路的实现

4．1 硬件电路板的总体设计

4．2 主要外围电路模块设计

4．2．1 电源部分电路的设计

4．2．2 UART模块电路设计

4．2．3 SDRAM电路设计

4．2．4 测试板复位电路设计

4．2．5 SOC外部FLASH电路设计

4．2．6 时钟电路设计

4．2．7 SD卡电路设计

4．2．8 LED电路设计

4．3 SOC测试板的整体电路原理图

4．4 SOC测试板的PCB设计

4．4．1 测试板PCB尺寸和层数选择

4．4．2 测试板PCB布局和布线

4．4．3 测试板PCB设计注意事项

4．4．4 SOC测试板的PEB总图

4．5 本章小结

第五章 SOC部分模块测试实验结果分析

5．1 系统调试

5．2 SOC测试板进行测试分析

5．2．1 芯片中DAC模块功能验证

5．2．2 芯片的PWM模块功能验证

5．2．3 芯片中Flash模块功能验证

5．2．4 芯片中DDR2模块功能验证

5．2．5 USB访问速度测试

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 论文小结

6．2 不足与改进

参考文献

附录

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况