以Actel混合信號Fusion為基礎的無線擴散爐溫度自動監控系統

2021-01-09 電子產品世界

　　*本項目獲得第一屆「Actel杯」 中國大學生電子設計競賽一等獎，此課題屬財政部中央和地方共建實驗室項目——微電子實驗室建設項目子項目的一部分

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/89784.htm


摘要：論文目標是對雙管擴散爐溫控部分進行改造，實現數字式自動控制，以提高爐溫控制的精度，提高工藝生產線樣片的成品率，同時降低能耗。系統的硬體控制部分包括Actel公司的fusion開發板，溫度採集電路板，鍵盤，傳感器和小型高溫爐等。軟體用C語言編程，採用增量式PID算法完成各路溫度的自動控制。通過ZigBee協議實現遠程計算機無線監控，將現場的數據輸出到計算機可視化的界面，實現現場數據的遠程監測。

關鍵詞：Actel Fusion；溫度自動控制；無線傳輸；遠程監控

引言

　　西安郵電學院於2006年引進北京航天時代電子公司第772所一條閒置集成電路生產前端工藝線（14臺工藝設備），建立了集成電路工藝實驗室，為微電子學、集成電路設計、系統集成以及電子信息類相關專業學生提供集成電路工藝生產實習及實踐環境。在這14臺工藝設備中，有高溫雙管擴散爐L4513Ⅱ-12/ZM 3臺，主要供學生進行半導體工藝中擴散工藝的相關實驗。這四臺設備均為上個世紀80年代生產的臥式高溫爐設備。設備的溫控部分為模擬控制，其精度低、工作穩定性及可靠性差、能耗大，操作複雜。

　　「以Actel混合信號Fusion為基礎的無線擴散爐溫自動監控系統」的目標是對雙管擴散爐溫控部分進行改造，實現數字式自動控制，以提高爐體的精度，降低能耗。該項目的開發和研究對於保證我院微電子學專業等專業的集成電路工藝實踐教學有重要的實用價值和現實意義。

Actel Fusion 晶片介紹

　　Actel Fusion系統晶片 (PSC) 是全球首個混合信號 FPGA 器件，將可配置模擬部件、大型 Flash 內存構件、全面的時鐘生成和管理電路，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 內核同用，為數模混合設計者提供了一個良好的可編程系統晶片平臺。

　　Actel Fusion系列晶片以 Flash 為基礎的 FPGA 將配置信息儲存在片上 Flash 單元中，一旦完成編程後，配置數據就會成為 FPGA 結構的固有部分，在系統上電時並無需載入外部配置數據。以 Flash 為基礎的 Fusion無需額外的系統元件，如傳統 SRAM FPGA 配置用的串行非揮發性內存 (EEPROM) 或以 Flash 為基礎的微控制器，它們都是用來在每次上電時對傳統 SRAM FPGA 加載程序的。增加的融合功能可在電路板上省去多個附加元件，如 Flash 內存、分立模擬 IC 、時鐘源、EEPROM ，以及實時時鐘等，從而減低系統成本和電路板空間需求。

　　本設計選用的是Fusion系列得AFS600晶片，該晶片內部有60萬可編程的邏輯門，具有4Mbit的用戶可用的Flash Memory、1kbit的FlashROM、108kbit的RAM；2個PLL，最高頻率可達350MHz； 支持多種I/O電平標準，其中差分的I/O標準有：LVPECL、LVDS、BLVDS、M-LVDS； 具有AES、FlashLock加密技術；集成了獨特的模擬部分，解析度高達12位、採樣率高達600kbps、30個輸入通道、2.56V內部參考源的AD；可實現電壓、溫度、電流檢測。

　　本設計在Actel Fusion開發平臺完成的，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600ksps且可配置的12位逐次逼近(SAR)模數轉換器(ADC)。這種模擬電路非常靈活，能支持MOSFET柵極驅動輸出和多個模擬輸入，輸入電壓在-12V到+12V之間，更可選配預調器，以便對各種模擬系統直接連接及控制，如電壓、差分電流或溫度的監控等。

　　本設計中，充分的利用了該款晶片的多路模擬輸入優點，將模擬電壓腳以及溫度引腳都是用了，實現溫度的傳感器電壓信號輸入以及手動控制的電壓信號的輸入。這樣可以減少外部電路的複雜性，同時提高系統的穩定性。

內置的8051單片機模塊

　　Actel Fusion 晶片提供了大量的MCU微處理機控制。單元本設計中使用的8051單片機是將單片機的硬體電路通過調用51單片機IP核的方式燒寫在FPGA電路內部。軟體編程的程序燒寫在晶片內部的Flash中。大大的方便了編程以及程序的燒寫。在這裡也體現了單晶片的解決方案的優越性。

豐富的PLL資源

　　本設計中，很多模塊都需要不同頻率的工作時鐘。該晶片內提供了可配置的鎖相環資源，可以提供頻率範圍很寬的時鐘輸出。為整個系統的搭建提供了豐富的不同頻率時鐘資源，使得我們的難度降低了不少，極大地縮短了開發周期

系統硬體及軟體設計

　　系統由Actel Fusion 開發板，外圍數據採集部分、無線收發部分、報警電路、手動控制和初始化，繼電器電路和控制軟體和通信軟體等構成，其總體設計框圖如圖1所示。


圖1  系統硬體部分總體構架

外圍數據採集電路設計

　　現場的溫度數據經過熱電偶的冷端補償和毫伏放大電路後，將溫度信息轉換成電壓量然後送控制系統分析處理。

無線收發部分電路的設計

　　無線收發部分採用的無線傳輸模塊是由西安達特科技公司出品的DTZ-01A ZigBee無線數據發送接收模塊，不需要外部組件。可以很好的實現數據的透明傳輸。用來發送現場的溫度數據到遠端的計算機上，通過VB編寫的軟體實現溫度的遠端監控。

報警電路的設計

　　語音報警的設計是在溫度超過設定溫度值一定範圍的時候，發出警告信息，包括紅燈亮起，同時蜂鳴器給出報警聲音。硬體電路上包括開發板上提供的蜂鳴器和外掛的發光二極體，來完成報警的功能。

PS2鍵盤數據輸入的設計

　　本設計中控制數據的輸入是通過外掛的PS2鍵盤實現。將鍵盤直接接到開發版提供的PS2鍵盤接口上，通過晶片內部的PS2硬體電路驅動和51編程的軟體驅動實現鍵盤數據的輸入。

LCD顯示的設計與實現

　　本設計我們選用的是640*480點陣的LCD顯示屏幕，可以在一個屏幕上同時顯示出10路的溫度信息以及其他的控制信息。驅動LCD屏幕是通過8051編程實現的。

FPGA內部電路設計與實現

　　FPGA內部硬體電路設計，主要是用Verilog HDL硬體電路描述語言實現的系統硬體的電路的設計，其中有一些模塊是調用的IP核實現的（core 8051 模塊、鎖相環和ADC模塊）。FPGA內部電路由ADC模塊、信號毛刺去除模塊、寬度可調脈衝（PWM）模塊、10路PWM控制信號選擇模塊、PS2硬體驅動模塊、50Hz時鐘信號產生模塊、報警電路模塊（FPGA實現）、LCD顯示模塊和Core8051模塊構成。

系統控制軟體的設計

　　控制軟體部分由主函數、選擇通道子函數、設置通道參數子函數、顯示設定數據子函數、顯示通道溫度數據子函數、顯示控制數據子函數、PID控制子函數、串行發送子函數和LCD顯示子函數構成。軟體流程圖如圖2所示。


圖2 系統控制軟體流程圖

系統實現

　　該控制系統主要完成的功能有各個通道的控制參數的輸入、對高溫模擬擴散爐的控制、現場溫度溫度信息的遠程監控。圖3為現場控制臺的顯示界面，從圖中可以看出10個通道的控制參數，通道狀態以及現場的溫度信息。圖4為遠程計算機的監控畫面，從遠程計算機可以直觀的觀測現場各個通道的溫度信息，並具有查看歷史溫度信息功能。


圖3  系統的主工作界面截圖


圖4  遠程監測計算機界面截圖

總結

　　通過3個多月的努力，完成了系統的設計。我們充分的利用了Actel Fusion開發板提供的硬體資源，完成整個系統的搭建。

　　系統實現的是同時對多路溫度的控制，充分的利用了晶片的處理多路模擬信號的優點。

　　該系統的核心控制部分採用的是軟體實現的增量式PID算法，參數更改方便，可以方便的移植到其他的溫度控制系統中。

　　這次競賽中取得了比較好的成績。感謝競賽的主辦方ACTEL公司給我們在校大學生提供這麼好鍛鍊自己的機會，讓我們在實踐中進一步的鞏固了自己的知識，學以致用。

參考文獻：
　　【1】周立功 等編著ACTEL FPGA實驗教程–基於Fusion StartKit開發板.廣州致遠電子有限公司,2007
　　【2】周立功 等編著 ACTEL  FPGA原理與應用 –基於Fusion系列.廣州致遠電子有限公司,2007
　　【3】鬱文工作室 編著  嵌入式 C語言程序設計  人民郵電出版社,2006
　　【4】張愛民 編著  自動控制原理. 清華大學出版社,2005
　　【5】求是科技 編著 8051系列單片機C程序設計完全手冊  人民郵電出版社, 2006
　　【6】周繼明 等編著  傳感器技術與應用   中南大學出版社,2005
　　【7】王幸之 等編著  單片機應用系統電子幹擾與抗幹擾技術 北京航空航天大學出版社,2006

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