基于Fusion的無(wú)線(xiàn)擴(kuò)散爐溫度自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)

西安郵電學(xué)院于2006年引進(jìn)北京航天時(shí)代電子公司第772所一條閑置集成電路生產(chǎn)前端工藝線(xiàn)（14臺(tái)工藝設(shè)備），建立了集成電路工藝實(shí)驗(yàn)室，為微電子學(xué)、集成電路設(shè)計(jì)、系統(tǒng)集成以及電子信息類(lèi)相關(guān)專(zhuān)業(yè)學(xué)生提供集成電路工藝生產(chǎn)實(shí)習(xí)及實(shí)踐環(huán)境。在這14臺(tái)工藝設(shè)備中，有高溫雙管擴(kuò)散爐L4513Ⅱ-12/ZM 3臺(tái)，主要供學(xué)生進(jìn)行半導(dǎo)體工藝中擴(kuò)散工藝的相關(guān)實(shí)驗(yàn)。這四臺(tái)設(shè)備均為上個(gè)世紀(jì)80年代生產(chǎn)的臥式高溫爐設(shè)備。設(shè)備的溫控部分為模擬控制，其精度低、工作穩(wěn)定性及可靠性差、能耗大，操作復(fù)雜。
“以Actel混合信號(hào)Fusion為基礎(chǔ)的無(wú)線(xiàn)擴(kuò)散爐溫自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)”的目標(biāo)是對(duì)雙管擴(kuò)散爐溫控部分進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)數(shù)字式自動(dòng)控制，以提高爐體的精度，降低能耗。該項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)和研究對(duì)于保證我院微電子學(xué)專(zhuān)業(yè)等專(zhuān)業(yè)的集成電路工藝實(shí)踐教學(xué)有重要的實(shí)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。
Actel Fusion 芯片介紹
Actel Fusion系統(tǒng)芯片 (PSC) 是全球首個(gè)混合信號(hào) FPGA 器件，將可配置模擬部件、大型 Flash 內(nèi)存構(gòu)件、全面的時(shí)鐘生成和管理電路，以及高性能可編程邏輯集成在單片器件中， Actel Fusion可與 Actel 的軟 MCU 內(nèi)核同用，為數(shù)?；旌显O(shè)計(jì)者提供了一個(gè)良好的可編程系統(tǒng)芯片平臺(tái)。
Actel Fusion系列芯片以 Flash 為基礎(chǔ)的 FPGA 將配置信息儲(chǔ)存在片上 Flash 單元中，一旦完成編程后，配置數(shù)據(jù)就會(huì)成為 FPGA 結(jié)構(gòu)的固有部分，在系統(tǒng)上電時(shí)并無(wú)需載入外部配置數(shù)據(jù)。以 Flash 為基礎(chǔ)的 Fusion無(wú)需額外的系統(tǒng)元件，如傳統(tǒng) SRAM FPGA 配置用的串行非揮發(fā)性?xún)?nèi)存 (EEPROM) 或以 Flash 為基礎(chǔ)的微控制器，它們都是用來(lái)在每次上電時(shí)對(duì)傳統(tǒng) SRAM FPGA 加載程序的。增加的融合功能可在電路板上省去多個(gè)附加元件，如 Flash 內(nèi)存、分立模擬 IC 、時(shí)鐘源、EEPROM ，以及實(shí)時(shí)時(shí)鐘等，從而減低系統(tǒng)成本和電路板空間需求。
本設(shè)計(jì)選用的是Fusion系列得AFS600芯片，該芯片內(nèi)部有60萬(wàn)可編程的邏輯門(mén)，具有4Mbit的用戶(hù)可用的Flash Memory、1kbit的FlashROM、108kbit的RAM；2個(gè)PLL，最高頻率可達(dá)350MHz； 支持多種I/O電平標(biāo)準(zhǔn)，其中差分的I/O標(biāo)準(zhǔn)有：LVPECL、LVDS、BLVDS、M-LVDS； 具有AES、FlashLock加密技術(shù)；集成了獨(dú)特的模擬部分，分辨率高達(dá)12位、采樣率高達(dá)600kbps、30個(gè)輸入通道、2.56V內(nèi)部參考源的AD；可實(shí)現(xiàn)電壓、溫度、電流檢測(cè)。
本設(shè)計(jì)在Actel Fusion開(kāi)發(fā)平臺(tái)完成的，具有良好得可移植性和集成性。下面首先介紹本系統(tǒng)用到的主要資源。
可編程的多路ADC模塊
Actel Fusion器件集成了頻率達(dá)600ksps且可配置的12位逐次逼近(SAR)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。這種模擬電路非常靈活，能支持MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)輸出和多個(gè)模擬輸入，輸入電壓在-12V到+12V之間，更可選配預(yù)調(diào)器，以便對(duì)各種模擬系統(tǒng)直接連接及控制，如電壓、差分電流或溫度的監(jiān)控等。
本設(shè)計(jì)中，充分的利用了該款芯片的多路模擬輸入優(yōu)點(diǎn)，將模擬電壓腳以及溫度引腳都是用了，實(shí)現(xiàn)溫度的傳感器電壓信號(hào)輸入以及手動(dòng)控制的電壓信號(hào)的輸入。這樣可以減少外部電路的復(fù)雜性，同時(shí)提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
內(nèi)置的8051單片機(jī)模塊
Actel Fusion 芯片提供了大量的MCU微處理機(jī)控制。單元本設(shè)計(jì)中使用的8051單片機(jī)是將單片機(jī)的硬件電路通過(guò)調(diào)用51單片機(jī)IP核的方式燒寫(xiě)在FPGA電路內(nèi)部。軟件編程的程序燒寫(xiě)在芯片內(nèi)部的Flash中。大大的方便了編程以及程序的燒寫(xiě)。在這里也體現(xiàn)了單芯片的解決方案的優(yōu)越性。
豐富的PLL資源
本設(shè)計(jì)中，很多模塊都需要不同頻率的工作時(shí)鐘。該芯片內(nèi)提供了可配置的鎖相環(huán)資源，可以提供頻率范圍很寬的時(shí)鐘輸出。為整個(gè)系統(tǒng)的搭建提供了豐富的不同頻率時(shí)鐘資源，使得我們的難度降低了不少，極大地縮短了開(kāi)發(fā)周期
系統(tǒng)硬件及軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)由Actel Fusion 開(kāi)發(fā)板，外圍數(shù)據(jù)采集部分、無(wú)線(xiàn)收發(fā)部分、報(bào)警電路、手動(dòng)控制和初始化，繼電器電路和控制軟件和通信軟件等構(gòu)成，其總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件部分總體構(gòu)架
外圍數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)
現(xiàn)場(chǎng)的溫度數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)熱電偶的冷端補(bǔ)償和毫伏放大電路后，將溫度信息轉(zhuǎn)換成電壓量然后送控制系統(tǒng)分析處理。
無(wú)線(xiàn)收發(fā)部分電路的設(shè)計(jì)
無(wú)線(xiàn)收發(fā)部分采用的無(wú)線(xiàn)傳輸模塊是由西安達(dá)特科技公司出品的DTZ-01A ZigBee無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送接收模塊，不需要外部組件?？梢院芎玫膶?shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的透明傳輸。用來(lái)發(fā)送現(xiàn)場(chǎng)的溫度數(shù)據(jù)到遠(yuǎn)端的計(jì)算機(jī)上，通過(guò)VB編寫(xiě)的軟件實(shí)現(xiàn)溫度的遠(yuǎn)端監(jiān)控。
報(bào)警電路的設(shè)計(jì)
語(yǔ)音報(bào)警的設(shè)計(jì)是在溫度超過(guò)設(shè)定溫度值一定范圍的時(shí)候，發(fā)出警告信息，包括紅燈亮起，同時(shí)蜂鳴器給出報(bào)警聲音。硬件電路上包括開(kāi)發(fā)板上提供的蜂鳴器和外掛的發(fā)光二極管，來(lái)完成報(bào)警的功能。
PS2鍵盤(pán)數(shù)據(jù)輸入的設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)中控制數(shù)據(jù)的輸入是通過(guò)外掛的PS2鍵盤(pán)實(shí)現(xiàn)。將鍵盤(pán)直接接到開(kāi)發(fā)版提供的PS2鍵盤(pán)接口上，通過(guò)芯片內(nèi)部的PS2硬件電路驅(qū)動(dòng)和51編程的軟件驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)鍵盤(pán)數(shù)據(jù)的輸入。
LCD顯示的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
本設(shè)計(jì)我們選用的是640*480點(diǎn)陣的LCD顯示屏幕，可以在一個(gè)屏幕上同時(shí)顯示出10路的溫度信息以及其他的控制信息。驅(qū)動(dòng)LCD屏幕是通過(guò)8051編程實(shí)現(xiàn)的。
FPGA內(nèi)部電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
FPGA內(nèi)部硬件電路設(shè)計(jì)，主要是用Verilog HDL硬件電路描述語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)硬件的電路的設(shè)計(jì)，其中有一些模塊是調(diào)用的IP核實(shí)現(xiàn)的（core 8051 模塊、鎖相環(huán)和ADC模塊）。FPGA內(nèi)部電路由ADC模塊、信號(hào)毛刺去除模塊、寬度可調(diào)脈沖（PWM）模塊、10路PWM控制信號(hào)選擇模塊、PS2硬件驅(qū)動(dòng)模塊、50Hz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Core8051模塊構(gòu)成。
系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計(jì)
控制軟件部分由主函數(shù)、選擇通道子函數(shù)、設(shè)置通道參數(shù)子函數(shù)、顯示設(shè)定數(shù)據(jù)子函數(shù)、顯示通道溫度數(shù)據(jù)子函數(shù)、顯示控制數(shù)據(jù)子函數(shù)、PID控制子函數(shù)、串行發(fā)送子函數(shù)和LCD顯示子函數(shù)構(gòu)成。軟件流程圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)控制軟件流程圖
系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
該控制系統(tǒng)主要完成的功能有各個(gè)通道的控制參數(shù)的輸入、對(duì)高溫模擬擴(kuò)散爐的控制、現(xiàn)場(chǎng)溫度溫度信息的遠(yuǎn)程監(jiān)控。圖3為現(xiàn)場(chǎng)控制臺(tái)的顯示界面，從圖中可以看出10個(gè)通道的控制參數(shù)，通道狀態(tài)以及現(xiàn)場(chǎng)的溫度信息。圖4為遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)的監(jiān)控畫(huà)面，從遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)可以直觀的觀測(cè)現(xiàn)場(chǎng)各個(gè)通道的溫度信息，并具有查看歷史溫度信息功能。

圖3 系統(tǒng)的主工作界面截圖

圖4 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)界面截圖
總結(jié)
通過(guò)3個(gè)多月的努力，完成了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。我們充分的利用了Actel Fusion開(kāi)發(fā)板提供的硬件資源，完成整個(gè)系統(tǒng)的搭建。
系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的是同時(shí)對(duì)多路溫度的控制，充分的利用了芯片的處理多路模擬信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)。
該系統(tǒng)的核心控制部分采用的是軟件實(shí)現(xiàn)的增量式PID算法，參數(shù)更改方便，可以方便的移植到其他的溫度控制系統(tǒng)中。
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