年晶振行業(yè)技術(shù)分析：晶振行業(yè)在技術(shù)革新上持續(xù)發(fā)力在當(dāng)前科技飛速進(jìn)展的時(shí)代，通信與電子系統(tǒng)對(duì)時(shí)鐘信號(hào)的精準(zhǔn)度、敏捷性需求與日俱增，晶振作為關(guān)鍵的時(shí)鐘源，其技術(shù)演進(jìn)備受關(guān)注。2025年，晶振行業(yè)在技術(shù)革新上持續(xù)發(fā)力，可編程晶振自適應(yīng)配置技術(shù)嶄露頭角，為諸多領(lǐng)域帶來了新的進(jìn)展契機(jī)。

一、可編程晶振在測(cè)控通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵作用

《2025-2030年全球及中國(guó)晶振行業(yè)市場(chǎng)現(xiàn)狀調(diào)研及進(jìn)展前景分析報(bào)告》指出，隨著彈、箭、衛(wèi)星測(cè)控技術(shù)邁向新高度，其通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)日趨簡(jiǎn)單。為契合通信系統(tǒng)對(duì)多種碼速率通信方式的支持需求，如從Kbps級(jí)至Mbps級(jí)寬碼率范圍的動(dòng)態(tài)調(diào)整，通信系統(tǒng)的時(shí)鐘電路必需具備多碼率時(shí)鐘輸出力量。可編程晶振憑借極寬的頻率范圍和超精細(xì)的頻率辨別率，在這一領(lǐng)域脫穎而出。以某知名公司推出的一款可編程晶振為例，其輸出頻率范圍可達(dá)10-810MHz，頻率可編程辨別率低至28ppt，內(nèi)部集成基于第三代DSPLL的DCO，能輸出高穩(wěn)定性、超低抖動(dòng)的時(shí)鐘信號(hào)，時(shí)鐘相位抖動(dòng)RMS僅為0.5ps。在彈、箭、衛(wèi)星測(cè)控系統(tǒng)中，多以FPGA作為前端核心處理芯片，將可編程晶振的配置功能集成至FPGA，可在維持高集成度的同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)晶振的有效配置。

二、傳統(tǒng)可編程晶振配置方式的逆境

以往基于FPGA實(shí)現(xiàn)可編程晶振配置功能，多采納傳統(tǒng)的HDL編程方式，運(yùn)用VerilogHDL、VHDL等硬件描述語言。然而，這種方式在面對(duì)可編程晶振配置時(shí)，暴露出諸多問題。在配置某型號(hào)可編程晶振時(shí)，涉及的浮點(diǎn)運(yùn)算及狀態(tài)掌握代碼實(shí)現(xiàn)極為簡(jiǎn)單。例如，該晶振內(nèi)部相關(guān)參數(shù)計(jì)算需進(jìn)行大量浮點(diǎn)運(yùn)算，傳統(tǒng)RTL方式實(shí)現(xiàn)這些計(jì)算和搜尋過程，代碼結(jié)構(gòu)與狀態(tài)掌握繁雜，導(dǎo)致開發(fā)周期大幅延長(zhǎng)，調(diào)試工作量劇增，嚴(yán)峻阻礙產(chǎn)品的快速開發(fā)。并且，不同晶振內(nèi)部晶體特性存在差異，傳統(tǒng)方式下，即使輸出相同頻點(diǎn)，針對(duì)不同晶振的配置參數(shù)也各不相同，這在對(duì)軟件版本、流程掌握要求嚴(yán)苛的航天、軍工等領(lǐng)域，無疑增加了軟件管理成本，還易引發(fā)低層次質(zhì)量問題。

三、高層次綜合技術(shù)開啟可編程晶振配置新篇章

為攻克傳統(tǒng)配置方式的難題，高層次綜合技術(shù)(HLS)應(yīng)運(yùn)而生。HLS技術(shù)能將用戶使用高級(jí)語言(如C、C++、SystemC等)描述的設(shè)計(jì)，借助專用工具轉(zhuǎn)換為可由常規(guī)FPGA綜合工具處理的RTL代碼。引入HLS技術(shù)后，可編程晶振自適應(yīng)配置模塊主要涵蓋配置模塊與IIC讀寫函數(shù)兩部分。IIC讀寫函數(shù)猶如底層驅(qū)動(dòng)程序，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)晶振寄存器的讀寫操作并生成IIC接口時(shí)序，包含iic_read_byte()和iic_write_byte()兩個(gè)子函數(shù)。配置模塊則擔(dān)當(dāng)晶振配置參數(shù)的計(jì)算、搜尋以及詳細(xì)配置工作，通過調(diào)用IIC讀寫函數(shù)與晶振寄存器交互。設(shè)計(jì)中還引入IOBUF、STARTUP兩種FPGA原語，IOBUF用于實(shí)現(xiàn)配置模塊與晶振IIC接口的連接，STARTUP為配置模塊供應(yīng)工作時(shí)鐘及復(fù)位信號(hào)。

四、IIC接口設(shè)計(jì)為晶振配置筑牢根基

IIC總線作為一種常用的芯片間互聯(lián)雙向二線制同步串行總線，具有連線少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔等優(yōu)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)多主機(jī)系統(tǒng)的裁決和凹凸速設(shè)備同步。為實(shí)現(xiàn)與可編程晶振的IIC接口互連，需細(xì)心設(shè)計(jì)IIC接口及相關(guān)時(shí)序。利用Xilinx公司的VIVADOHLS高層次綜合工具，以C語言為例，雖該工具支持雙向端口，但要實(shí)現(xiàn)精確讀寫時(shí)序掌握仍具挑戰(zhàn)。為此，在配置模塊外部使用IOBUF連接晶振SDA端口，通過掌握RD_WR信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)IO端口輸入、輸出狀態(tài)的精準(zhǔn)把控，確保SDA端口讀寫時(shí)序的精確性。同時(shí)，將相關(guān)端口合并為無符號(hào)整型指針，利用VIVADOHLS的約束語句，保障端口同步輸出數(shù)據(jù)，并為對(duì)外端口添加指示信號(hào)，便利觀看模塊輸出指令。

五、IIC接口時(shí)序設(shè)計(jì)保障晶振通信精準(zhǔn)無誤

依據(jù)IIC總線協(xié)議，其指令包含寫字節(jié)指令和讀字節(jié)指令，支持單字節(jié)或多字節(jié)讀寫操作。這里著重探討單字節(jié)IIC讀寫接口時(shí)序的實(shí)現(xiàn)。通過對(duì)IIC總線協(xié)議的剖析，其由起始位、停止位、寫數(shù)據(jù)和讀數(shù)據(jù)4種基本時(shí)序構(gòu)成。將IIC總線的讀寫波形存儲(chǔ)于二維數(shù)組中，數(shù)組數(shù)據(jù)單元采納4bit寬度的無符號(hào)整型數(shù)據(jù)，以此模擬SDA與SCL的時(shí)序關(guān)系。例如，IIC數(shù)據(jù)起始位要求SCL為高時(shí)，SDA由高至低，對(duì)應(yīng)4bit無符號(hào)整型數(shù)據(jù)為SCL=0x6，SDA=0xC。主設(shè)備通過IIC總線向從設(shè)備寫1字節(jié)數(shù)據(jù)時(shí)，二維數(shù)組大小為3行*29列*4bit=348bit;讀1字節(jié)數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)組大小為3行*39列*4bit=468bit。考慮到配置模塊工作時(shí)鐘頻率遠(yuǎn)高于晶振IIC總線通信速率，在IIC接口讀寫時(shí)需插入延時(shí)，借助VIVADOHLS中的ap_wait_n(num_clock)語句，實(shí)現(xiàn)對(duì)通信速率的匹配。

六、SI598配置參數(shù)的浮點(diǎn)計(jì)算實(shí)現(xiàn)精度飛躍

在可編程晶振SI598的配置過程中，fXTAL、fDCO、RFREQ等參數(shù)計(jì)算涉及大量浮點(diǎn)運(yùn)算。傳統(tǒng)基于RTL的實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算耗時(shí)費(fèi)勁且調(diào)試?yán)щy。而VIVADOHLS支持IEEE-754標(biāo)準(zhǔn)的單精度和雙精度浮點(diǎn)計(jì)算，鑒于SI598的RFREQ是位寬為38bit的頻率掌握字(低28bit為分?jǐn)?shù)部分，高10bit為整數(shù)部分)，單精度浮點(diǎn)數(shù)無法滿意精度要求，故采納雙精度浮點(diǎn)數(shù)變量保存其浮點(diǎn)參數(shù)。為節(jié)約FPGA硬件資源，程序盡量削減雙精度浮點(diǎn)類型變量的使用，優(yōu)化浮點(diǎn)計(jì)算步驟，其余變量依據(jù)實(shí)際位寬選用VIVADOHLS的任意精度整型數(shù)據(jù)，在浮點(diǎn)與整型數(shù)據(jù)混合計(jì)算時(shí)采納強(qiáng)制數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換。

七、SI598配置模塊的實(shí)現(xiàn)流程解析

SI598配置模塊基于晶振寄存器讀寫操作構(gòu)建，配置參數(shù)搜尋、計(jì)算以及頻率掌握字讀取等操作均在其主體結(jié)構(gòu)內(nèi)完成。配置過程如下：配置程序接收STARTUP原語的時(shí)鐘和復(fù)位信號(hào)后啟動(dòng)，首先讀取新的頻率掌握字。接著通過iic_read_byte()嘗試讀取晶振中RFREQ、N1、HSDIV等相關(guān)寄存器參數(shù)，若讀取勝利則進(jìn)入下一步，否則重復(fù)讀取，若失敗次數(shù)超閾值則退出程序，配置失敗。隨后利用讀取的參數(shù)計(jì)算fXTAI.，依據(jù)搜尋策略確定最優(yōu)N1new、HSDIV參數(shù)組合并計(jì)算f1000_new。再依據(jù)froo_ne和fXTM計(jì)算RFREQ，通過iic_write_byte()將計(jì)算出的N1sow、HSDIV、RFREQ寫入晶振指定寄存器，若寫入勝利則連續(xù)，否則重復(fù)寫入，失敗次數(shù)超限時(shí)退出程序。最終通過iic_read_byte()讀取晶振相應(yīng)寄存器標(biāo)志位推斷新頻率是否生效，若生效則配置結(jié)束，輸出配置完成信號(hào)，否則重新配置。

八、測(cè)試結(jié)果彰顯技術(shù)優(yōu)勢(shì)

上述程序經(jīng)VIVADOHLS開發(fā)環(huán)境實(shí)現(xiàn)后，轉(zhuǎn)換為RTL級(jí)代碼并打包為用戶自定義IP，由VIVADO開發(fā)環(huán)境頂層模塊調(diào)用。經(jīng)功能仿真，IIC總線寫指令時(shí)序關(guān)系與預(yù)期相符，配置模塊能產(chǎn)生預(yù)期有效數(shù)據(jù)，寫操作勝利。硬件測(cè)試選用Xilinx公司的Artix-7系列FPGAXC7A200T，VIVADOHLS綜合后，模塊資源占用率低，LUT使用8607個(gè)，約占6%;FF使用2513個(gè)，不到1%;DSP模塊使用12個(gè)，約占1%;BlockRAM使用3個(gè)，不到1%。模塊運(yùn)行速率達(dá)87.5ns(11.4MHz)，優(yōu)于設(shè)定的100ns(10MHz)工作速率。實(shí)際硬件測(cè)試中，晶振可輸出指定頻率時(shí)鐘，STARTUP原語能為配置模塊供應(yīng)穩(wěn)定時(shí)鐘及復(fù)位信號(hào)，抓取的配置模塊IIC總線相關(guān)信號(hào)波形與功能仿真全都。針對(duì)不同內(nèi)部參數(shù)的晶振，相同代碼可輸出相同頻率，滿意自適應(yīng)配置要求。代碼量及開發(fā)周期方面，整個(gè)配置模塊代碼量約500行，測(cè)試激勵(lì)代碼量約100行，編碼調(diào)試僅用時(shí)2天，相較RTL級(jí)實(shí)現(xiàn)方式，優(yōu)勢(shì)顯著。

綜上所述，2025年晶振行業(yè)的可編程晶振自適應(yīng)配置技術(shù)，借助高層次綜合技術(shù)勝利解決了傳統(tǒng)配置方式的諸多難題，在IIC接口設(shè)計(jì)、時(shí)序掌握、參數(shù)浮點(diǎn)計(jì)算等方面實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵突破。經(jīng)測(cè)試驗(yàn)證，該技術(shù)在資源占用、運(yùn)行速率、自適應(yīng)配置以及開發(fā)效率等方面呈現(xiàn)出卓越性能。這一技術(shù)不僅為可編程晶振在測(cè)控通信等領(lǐng)域的應(yīng)用注入新活力，經(jīng)適當(dāng)調(diào)整后還可推廣至眾多其他IIC總線芯片的配置過程，具有寬闊的應(yīng)用前景和重要的參考價(jià)值，有望引領(lǐng)晶振行業(yè)技術(shù)邁向新的進(jìn)展階段。