擴(kuò)散爐溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)中的FPGA設(shè)計(jì)

1 引言
    當(dāng)前國(guó)內(nèi)外溫控設(shè)備以單路控制居多，只能控制一路加熱沒(méi)備。在國(guó)內(nèi)，可以對(duì)高溫設(shè)備同時(shí)多路溫度監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)還是相對(duì)滯后，大多數(shù)設(shè)備都是通過(guò)RS232接口或者其他有線接口與上位機(jī)通信，而無(wú)線的監(jiān)控部分很少涉及。這里提出的設(shè)計(jì)方法在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上大膽創(chuàng)新，具有挑戰(zhàn)性。硬件電路的設(shè)計(jì)采用FPGA編程的方式實(shí)現(xiàn)，電路更改方便，用FPGA的方式實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)控制，降低成本，提高精度，并利用ZigBee短距離無(wú)線傳輸協(xié)議實(shí)現(xiàn)無(wú)線遠(yuǎn)程控制。

2 FPGA硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
2．1 概述
    FPGA的設(shè)計(jì)使用的是ACTEL公司的Libero IDE集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。FPGA的內(nèi)部電路由A／D轉(zhuǎn)換模塊、PWM模塊、10路PWM控制信號(hào)選擇模塊、PS2模塊、50 Hz時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生模塊、報(bào)警電路模塊(FPGA實(shí)現(xiàn))、LCD顯示模塊和Core805l模塊等構(gòu)成。圖1給出系統(tǒng)電路框圖。這些硬件模塊搭建組成整個(gè)控制系統(tǒng)，其中Core 8051模塊是整個(gè)FPGA內(nèi)部電路的核心，所有的數(shù)據(jù)通過(guò)8051進(jìn)行處理并顯示。

2．2 電路模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
    (1)A／D轉(zhuǎn)換模塊ACTEL FPGA中的A／D轉(zhuǎn)換模塊將模擬到的數(shù)字轉(zhuǎn)換嵌入在FPGA中，通過(guò)軟件配置來(lái)實(shí)現(xiàn)不同A／D轉(zhuǎn)換的精度。擴(kuò)散爐溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，模擬信號(hào)輸入沒(méi)定為20路，分別是10路經(jīng)過(guò)放大后的溫度傳感器電壓信號(hào)和10路手動(dòng)控制輸入的電壓信號(hào)。該模塊采用分時(shí)采樣的方法，對(duì)20路的模擬信號(hào)做A／D轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換的結(jié)果、通道號(hào)和有效信號(hào)輸送給8051的I／O端口，然后在軟件中再讀取所需要的通道轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)。
    (2)毛刺濾除模塊用邏輯分析儀測(cè)試A／D轉(zhuǎn)換后的輸出結(jié)果時(shí)，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)換有效信號(hào)DATAVAIJD有毛刺，為保證8051信號(hào)輸入的準(zhǔn)確性，對(duì)有效信號(hào)必須處理，保證正確地采集到MD的轉(zhuǎn)換結(jié)果，避免信號(hào)采集錯(cuò)誤。由于DATAVALID的頻率為2 MHz，用高頻率10 MHz的時(shí)鐘信號(hào)可以濾除毛刺。該模塊的設(shè)計(jì)思想是讓時(shí)鐘信號(hào)為10 MHz的高頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)D觸發(fā)器濾除毛刺。
    (3)PS2模塊根據(jù)PS2的通信協(xié)議，將輸入的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)和一位轉(zhuǎn)換有效的使能信號(hào)。將這些信號(hào)傳輸?shù)?05l，并運(yùn)行軟件程序處理，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)定數(shù)據(jù)輸入，即各個(gè)通道參數(shù)的設(shè)定。由于高頻時(shí)鐘所產(chǎn)生的有效信號(hào)，其脈沖信號(hào)非常窄，在硬件電路設(shè)計(jì)時(shí)將這個(gè)信號(hào)加寬到PS2模塊工作時(shí)鐘周期的12倍，這樣在8051程序的執(zhí)行中，可采集到這個(gè)有效信號(hào)。PS2模塊在系統(tǒng)中的連接如圖2所示。

    (4)10路PWM控制信號(hào)選擇模塊PWM模塊中的復(fù)位控制信號(hào)PWMRST用于控制該通道是否開(kāi)啟，將這個(gè)復(fù)位信號(hào)輸送到相應(yīng)的PWM通道，實(shí)現(xiàn)該通道的通斷控制。控制信號(hào)PWMDATA用來(lái)控制占空比的數(shù)據(jù)，將這個(gè)控制數(shù)據(jù)輸送到相應(yīng)的PWM模塊。
    (5)PWM模塊寬度可調(diào)脈沖模塊(簡(jiǎn)稱PWM)，用來(lái)控制可控硅的通斷。該模塊的輸入信號(hào)包括50Hz的時(shí)鐘信號(hào)和脈沖占空比控制信號(hào)，將其傳輸給PWM模塊，從而控制輸出信號(hào)的占空比，來(lái)調(diào)節(jié)加載在電爐絲兩端的電壓在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)的通斷比，達(dá)到調(diào)節(jié)電爐絲加熱功率的目的。該模塊是一個(gè)帶復(fù)位的PWM。復(fù)位信號(hào)可用作端口關(guān)閉的信號(hào)，可直接控制通道是否加熱。
    (6)報(bào)警電路模塊報(bào)警電路模塊包括：聲音報(bào)警和發(fā)光二極管指示兩部分。其控制信號(hào)都是由805l軟核給出，控制指令一路直接輸出到LED，另一路則連接到50 Hz信號(hào)的選通端，當(dāng)805l給出報(bào)警數(shù)據(jù)時(shí)，LED為高電平，紅燈亮，同時(shí)選通50 Hz的信號(hào)輸出到蜂鳴器端，完成報(bào)警。
    (7)50 Hz時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生模塊PWM模塊需要50 Hz的工作時(shí)鐘，模塊通過(guò)分頻的方法產(chǎn)生所需的時(shí)鐘，采用計(jì)數(shù)器分頻的方法，將2 MHz的輸入信號(hào)作為計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)，輸出脈沖是計(jì)數(shù)器的最高位，實(shí)現(xiàn)分頻。該電路簡(jiǎn)單，占用的資源也比較少。
    (8)LCD顯示模塊 系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用640x480點(diǎn)陣的LCD顯示屏，用MAX—EPM3128ACT CPLD做成的控制板代替LCD控制器，16個(gè)地址口、8個(gè)數(shù)據(jù)口和4個(gè)控制口的控制板與外圍處理器相連接。因?yàn)椴恍鑿腖CD的屏幕讀取數(shù)據(jù)，4個(gè)控制口只用到了命令／數(shù)據(jù)選擇控制信號(hào)CMD和寫信號(hào)WR。在顯示中對(duì)LCD的操作即是對(duì)一個(gè)RAM的讀寫，將顯示的點(diǎn)陣信息寫入到相應(yīng)的RAM地址中即可。內(nèi)部有兩塊相同的RAM模塊，可對(duì)不同部分的RAM操作，這樣可以增加LCD的刷新頻率，顯存數(shù)據(jù)可交替讀寫，還可以邊寫邊顯示。LCD控制器的數(shù)據(jù)／命令的選擇信號(hào)就是CMD信號(hào)。圖3給出LCD接口與FPGA的連接原理圖。

    (9)ZigBee無(wú)線傳輸電路選用基于MCl3192射頻收發(fā)器作為ZigBee無(wú)線傳輸模塊。模塊內(nèi)嵌的軟件協(xié)議支持免碰撞串行通訊的功能，使多點(diǎn)TTL/2RS232／RS485數(shù)據(jù)流透明的傳輸，互不影響。從8051的串口輸出端發(fā)送數(shù)據(jù)給無(wú)線傳輸模塊。在8051串行數(shù)據(jù)輸入端接收發(fā)送成功或失敗的反饋信號(hào)。805l發(fā)送和接收的都是TTL電平信號(hào)。另一端ZigBee模塊直接與PC機(jī)的RS232串口相連接，用來(lái)接收從8051中發(fā)送的數(shù)據(jù)。圖4給出模塊間的連接框圖。

    (10)實(shí)例化Core8051模塊該控制系統(tǒng)的系統(tǒng)軟件用805l編程實(shí)現(xiàn)，ACTEL公司提供的8051軟核是該控制系統(tǒng)的核心，系統(tǒng)設(shè)計(jì)是直接調(diào)用該軟核，然后實(shí)例化8051軟核。軟件中溫度控制算法采用增量式PID算法編寫，實(shí)現(xiàn)了高精度的溫度控制。圖5給出FPGA內(nèi)部的805l模塊與內(nèi)部存儲(chǔ)器之間的接口框圖。圖6給出Core8051與程序存儲(chǔ)器之間的連接框圖。圖7給出Core8051與A／D轉(zhuǎn)換器之間的連接框圖。

3 結(jié)語(yǔ)
    擴(kuò)散爐溫度自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的研究不僅可以廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體制造行業(yè)中的干燥設(shè)備、擴(kuò)散爐、熱處理設(shè)備，也可以移植應(yīng)用于紡織、化工等其它行業(yè)的溫度控制系統(tǒng)。擴(kuò)散爐溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用Fusion FPGA實(shí)現(xiàn)，電路更改方便，移植性強(qiáng)，與原系統(tǒng)相比，將多路A／D轉(zhuǎn)換、Core8051內(nèi)核、PWM等模塊放到一個(gè)芯片內(nèi)部，大大降低成本；采用PID算法控制，提高了精度；完成了多路溫度控制及無(wú)線傳輸功能。該系統(tǒng)已應(yīng)用于集成電路工藝實(shí)驗(yàn)室的擴(kuò)散爐溫度控制系統(tǒng)，控制精度較前提高30％，完成了整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)字化過(guò)程，取得了良好的實(shí)用效果。