第41卷第2期2021年4月
铁道机车车辆
RAILWAY LOCOMOTIVE&CAR
Vol.41No.2
2021
Apr.
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）
摘要多功能车辆总线（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，设计了MVB总线协议控制芯片MVBCY、并完成了流片。关键词多功能车辆总线；流片；前端设计；后端设计
中图分类号：TN919；U264文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1008-7842.2021.02.11
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30000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。
前端测试和后端测试的区别1MVBCY的技术参数
MVBCY芯片在设计上满足IEC61375-3-1、IEC61375-3-2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1.5Mb/s；
（2）基本周期（过程+监控+消息+保护相）时间1.0ms；
（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4095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MVB1类设备功能；
（9）引脚封装：QFP144；
（10）工作温度：-40℃~85℃；
（11）晶振频率：24MHz。
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
文章编号：1008-7842（2021）02-0058-05
王锋（1978-）男，教授级高级工程师（收稿日期：2019-12-03）
第2期MVBCY芯片研制
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。
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MVB4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，MVB4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1芯片设计流
程
图2MVBCY协议芯片功能框图
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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
表1仿真测试用例
序号
仿真测试1仿真测试2
仿真测试3仿真测试4仿真测试5仿真测试6仿真测试7仿真测试8仿真测试9仿真测试10仿真测试11仿真测试12仿真测试13仿真测试14仿真测试15仿真测试16
仿真内容
配置4类设备功能并写主帧表，启动主功能
配置4类设备功能并写主帧表，启动主功能，配置
源宿端口
配置MVB从设备，配置源宿端口
MVB波形畸变仿真
线路切换仿真
报文定时仿真
线路干扰仿真
端口配置错误仿真
帧错误仿真
帧匹配错误仿真
帧闲聊
上位机访问中断
上位机仿真时序极限
消息通信
上位机和总线同时频繁访问TM
不带CPU的1类设备仿真
描述
测试主功能是否正常，过程数据主帧、监视数据主帧、事件数据主帧，
主报文定时
测试过程数据通信、监视数据
测试从设备过程数据通信，监视数据
测试译码器性能
测试冗余线路功能
测试接收定时
测试冲突时工况
测试端口配置错误的工况
主帧错误，从帧错误
主从帧不匹配
出现闲聊数据
模拟上位机突然死机、掉电等工况
测试最快访问时间和周期
测试消息数据通信
测试访问冲突工况
测试此1类设备工
况
图3前端功能验证
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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。
3结论
介绍了MVBCY 芯片的研制过程，着重讨论
了
图4
后端设计流程
表2
芯片工艺要求
项目代工厂特殊层时钟封装晶片尺寸
指标SMIC 无24MHz QFP1448in
项目工艺总层数MPW 电源电压DIE 尺寸
指标
0.18um CMOS Logic
1P6M1TM
是
内核：1.8V IO ：3.3V 可容忍5V
3mm×3
mm
图5集成测试验证平台
表3
验证功能项点
序号功能1功能2功能3功能4功能5功能6功能7
功能
MVB 总线管理功能
MVB 总线管理过程、监视等基本通信功能
MVB 从设备功能线路切换功能消息通信功能1类设备功能介质定时
描述
验证是否具有MVB 总线管理功能：过程数据主帧、监视数据主帧、事件数据主帧
验证总线管理器是否能够进行过程数据、监视数据等正常通信验证是否能被配置为MVB 从设备，且能够实现过程数据，监视数据等通信
验证是否能够实现冗余线路切换功能验证是否能够实现消息通信功能
验证在不带CPU 的特殊设置情况下，能够实现基本的1类设备功能
验证报文定时是否满足协议要求
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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MVB⁃CY 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。参考文献
[1]
IEC 61375-3-1：Electric railway Equipment -Train Com⁃munication Network(TCN)-Part 3-1:Multifunction Vehi⁃cle Bus (MVB)[S],2012.[2]
IEC
61375-3-2:Electronic
Railway
Equipment -Train
Communication Network(TCN)-Part 3-2:MVB -Multi⁃function Vehicle Bus Conformance Testing[S],2012.
Design of MVBCY Chip
WANG Feng ，CHEN Yufei
（CRRC Dalian R&D Co.,Ltd.,Dalian 116052Liaoning,China ）
Abstract ：Multifunction Vehicle Bus(MVB)is a popular train management network,MVB is suitable for use in real -time &high reli⁃ability environment.The basic of MVB network is MVB protocol chip.CRRC Dalian R&D Co.,Ltd.had designed and taped out MVB protocol chip MVBCY.
Key words ：MVB ；tape out ；front -end design ；back -end design
表4
一致性测试项点
序号
物理层测试
性能测试
试验项目终端阻抗测试电感测试插入损耗测试
重载测试电路下发送器输出波形测试轻载测试电路下发送器输出波形测试闲置测试电路下发送器输出波形测试
接收器行为测试（200mV ）
源设备帧间隔测试宿设备帧间隔测试主设备帧间隔测试设备状态协议测试RLD 和LAT 标志位测试能力字段测试（总线主）
过程数据测试1-端口实时性和坚固性测试过程数据测试2-不同长度宿端口测试过程数据测试3-源端口数
据无效测试
过程数据测试4-刷新时间测试过程数据测试5-不同长度源端口测试
测试
结果通过通过通过通过通过通过通过通过通过通过通过通过通过通过通过通过通过通过
表5
型式试验项点
序号1234567891011
试验项目外观检查性能试验低温试验高温试验交变湿热试验
电源过电压、浪涌和静电放电试验电快速瞬变脉冲抗扰度试验
射频干扰试验绝缘试验振动、冲击试验低温存放试验
测试结果通过通过通过通过通过通过通过通过通过通过通过
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