以Actel混合信號(hào)Fusion為基礎(chǔ)的無(wú)線擴(kuò)散爐溫度自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)

　　*本項(xiàng)目獲得第一屆“Actel杯” 中國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽一等獎(jiǎng)，此課題屬財(cái)政部中央和地方共建實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目——微電子實(shí)驗(yàn)室建設(shè)項(xiàng)目子項(xiàng)目的一部分

摘要：論文目標(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，以提高爐溫控制的精度，提高工藝生產(chǎn)線樣片的成品率，同時(shí)降低能耗。系統(tǒng)的硬件控制部分包括Actel公司的fusion開(kāi)發(fā)板，溫度采集電路板，鍵盤(pán)，傳感器和小型高溫爐等。軟件用C語(yǔ)言編程，采用增量式PID算法完成各路溫度的自動(dòng)控制。通過(guò)ZigBee協(xié)議實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)無(wú)線監(jiān)控，將現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)輸出到計(jì)算機(jī)可視化的界面，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。

關(guān)鍵詞：Actel Fusion；溫度自動(dòng)控制；無(wú)線傳輸；遠(yuǎn)程監(jiān)控

引言

　　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（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)模混合設(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)線收發(fā)部分電路的設(shè)計(jì)

　　無(wú)線收發(fā)部分采用的無(wú)線傳輸模塊是由西安達(dá)特科技公司出品的DTZ-01A ZigBee無(wú)線數(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。

　　這次競(jìng)賽中取得了比較好的成績(jī)。感謝競(jìng)賽的主辦方ACTEL公司給我們?cè)谛４髮W(xué)生提供這么好鍛煉自己的機(jī)會(huì)，讓我們?cè)趯?shí)踐中進(jìn)一步的鞏固了自己的知識(shí)，學(xué)以致用。

參考文獻(xiàn)：
　　【1】周立功 等編著ACTEL FPGA實(shí)驗(yàn)教程–基于Fusion StartKit開(kāi)發(fā)板.廣州致遠(yuǎn)電子有限公司,2007
　　【2】周立功 等編著 ACTEL  FPGA原理與應(yīng)用 –基于Fusion系列.廣州致遠(yuǎn)電子有限公司,2007
　　【3】郁文工作室 編著  嵌入式 C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)  人民郵電出版社,2006
　　【4】張愛(ài)民 編著  自動(dòng)控制原理. 清華大學(xué)出版社,2005
　　【5】求是科技 編著 8051系列單片機(jī)C程序設(shè)計(jì)完全手冊(cè)  人民郵電出版社, 2006
　　【6】周繼明 等編著  傳感器技術(shù)與應(yīng)用   中南大學(xué)出版社,2005
　　【7】王幸之 等編著  單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)電子干擾與抗干擾技術(shù) 北京航空航天大學(xué)出版社,2006