基于fpga模块化设计的可重构测温技术与工程应用研究

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1、中文图书分类号：TN431.2密级：公开UDC：38学校代码：10005硕士专业学位论文PROFESSIONALMASTERDISSERTATION论文题目：基于FPGA模块化设计的可重构测温技术与工程应用研究论文作者：李经伟专业类别/领域：集成电路工程指导教师：冯士维教授论文提交日期:2017年4月UDC：38学校代码：10005中文图书分类号：TN431.2学号：S201402199密级：公开北京工业大学硕士专业学位论文（全日制）题目：基于FPGA模块化设计的可重构测温技术与工程应用研究英文题目：RESEARCHONRECONFIGURABLE

2、TEMPERATUREMEASUREMENTTECHNOLOGYANDENGINEERINGAPPLICATIONBASEDONFPGAMODULARDESIGN论文作者：李经伟专业类别/领域：集成电路工程研究方向：集成电路及可靠性申请学位：工程硕士指导教师：冯士维教授所在单位：信息学部微电子学院答辩日期：2017年5月授予学位单位：北京工业大学独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它

3、教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：李经伟日期：2017年5月23日关于论文使用授权的说明本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。（保密的论文在解密后应遵守此规定）签名：李经伟日期：2017年5月23日导师签名：冯士维日期：2017年5月23日摘要摘要现场可编程逻辑门阵列（FPGA）具有应用灵活，成本低，运行速度快等技术

4、优势，广泛应用于通信、测试测量、IC设计等领域。随着半导体工艺尺寸不断缩小，FPGA中集成了大规模的可编程逻辑资源和各种知识产权（IP）核，且芯片的应用日趋复杂，导致功耗越来越大，FPGA芯片的工作温度越来越高。高温下器件加速失效，为芯片应用可靠性带来更为严峻的挑战。因此，FPGA器件特性和应用研究日益成为人们关注的焦点。本文从FPGA的温升特性和应用特性两方面展开研究。在温升特性研究方面，分析了FPGA的瞬态温升特性，利用循环振荡器输出频率与温度的线性关系，将其作为智能温度传感器实时测量芯片温度，在可重构技术的基础上提出智能传感网络分布的优化方法

5、；在FPGA工程应用方面，利用模块化设计方法，以FPGA为平台完成多路热阻测量时序控制系统的设计。具体内容包括以下几个方面：一、提出一种基于模糊聚类算法的智能温度传感器分配优化方法。传感器模块阵列均匀分布在FPGA上作为原始布局。从时间和空间上对测得的温度进行分析，建立智能传感网络分辨率与传感器聚类水平间的关系，针对不同应用中的FPGA温升情况实施传感网络布局的动态优化与重构。选用AlteraCycloneIVFPGA为例，当芯片内温度分布梯度范围为0°C到40°C时，在保持测量分辨率为1°C的前提下，该方法可以节约37.5%的传感器资源。二、结合

6、FPGA功耗分析，研究了FPGA内部资源使用情况与芯片温升的关系。提出自加热模块的设计思想，利用FPGA特殊的结构及其内部丰富的逻辑资源搭建自加热模块，使芯片表面呈现不同程度的温度上升，并产生较大的温度梯度。最后将自加热模块用于模拟FPGA运行过程中的温升情况来验证温度传感器分布优化方案。三、以FPGA为核心控制芯片设计了多路热阻测量时序控制系统，利用模块化设计的思想，首先对单路测量系统进行功能模块划分，分别对底层模块进行设计优化，然后再合并到顶层模块。最后对多路测量控制系统进行汇总调试和功能验证。利用该方法主要实现了VDMOS+2路LED模拟热源

7、的热阻测量时序控制系统和8路模块组件散热特性测量时序控制系统的设计，目前均已投入商业应用。关键词：FPGA；温度传感器；自加热；模块化；热阻测量IAbstractAbstractFieldprogrammablegatearray(FPGA)hasmanyadvantages,suchasflexibleapplication,lowcost,fastoperationspeed.Itiswidelyusedinthefieldsofcommunication,testandmeasurement,ICdesignandsoon.Withthesh

8、rinkingofsemiconductorprocess,FPGAintegrateslarge-scaleprogra