基于Fusion的無線擴散爐溫度自動監(jiān)控系統(tǒng)

西安郵電學院于2006年引進北京航天時代電子公司第772所一條閑置集成電路生產(chǎn)前端工藝線（14臺工藝設(shè)備），建立了集成電路工藝實驗室，為微電子學、集成電路設(shè)計、系統(tǒng)集成以及電子信息類相關(guān)專業(yè)學生提供集成電路工藝生產(chǎn)實習及實踐環(huán)境。在這14臺工藝設(shè)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(guān)實驗。這四臺設(shè)備均為上個世紀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，操作復雜。
　　“以Actel混合信號Fusion為基礎(chǔ)的無線擴散爐溫自動監(jiān)控系統(tǒng)”的目標是對雙管擴散爐溫控部分進行改造，實現(xiàn)數(shù)字式自動控制，以提高爐體的精度，降低能耗。該項目的開發(fā)和研究對于保證我院微電子學專業(yè)等專業(yè)的集成電路工藝實踐教學有重要的實用價值和現(xiàn)實意義。
Actel Fusion 芯片介紹
　　Actel Fusion系統(tǒng)芯片 (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(nèi)存構(gòu)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(nèi)核同用，為數(shù)模混合設(shè)計者提供了一個良好的可編程系統(tǒng)芯片平臺。
　　Actel Fusion系列芯片以 Flash 為基礎(chǔ)的 FPGA 將配置信息儲存在片上 Flash 單元中，一旦完成編程后，配置數(shù)據(jù)就會成為 FPGA 結(jié)構(gòu)的固有部分，在系統(tǒng)上電時并無需載入外部配置數(shù)據(jù)。以 Flash 為基礎(chǔ)的 Fusion無需額外的系統(tǒng)元件，如傳統(tǒng) SRAM FPGA 配置用的串行非揮發(fā)性內(nèi)存 (EEPROM) 或以 Flash 為基礎(chǔ)的微控制器，它們都是用來在每次上電時對傳統(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附加元件，如 Flash 內(nèi)存、分立模擬 IC 、時鐘源、EEPROM ，以及實時時鐘等，從而減低系統(tǒng)成本和電路板空間需求。
　　本設(shè)計選用的是Fusion系列得AFS600芯片，該芯片內(nèi)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(shù)；集成了獨特的模擬部分，分辨率高達12位、采樣率高達600kbps、30個輸入通道、2.56V內(nèi)部參考源的AD；可實現(xiàn)電壓、溫度、電流檢測。
　　本設(shè)計在Actel Fusion開發(fā)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(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(diào)器，以便對各種模擬系統(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)計中，充分的利用了該款芯片的多路模擬輸入優(yōu)點，將模擬電壓腳以及溫度引腳都是用了，實現(xiàn)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復雜性，同時提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
內(nèi)置的8051單片機模塊
　　Actel Fusion 芯片提供了大量的MCU微處理機控制。單元本設(shè)計中使用的8051單片機是將單片機的硬件電路通過調(diào)用51單片機IP核的方式燒寫在FPGA電路內(nèi)部。軟件編程的程序燒寫在芯片內(nèi)部的Flash中。大大的方便了編程以及程序的燒寫。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)計中，很多模塊都需要不同頻率的工作時鐘。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鐘輸出。為整個系統(tǒng)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(fā)周期
系統(tǒng)硬件及軟件設(shè)計
　　系統(tǒng)由Actel Fusion 開發(fā)板，外圍數(shù)據(jù)采集部分、無線收發(fā)部分、報警電路、手動控制和初始化，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
　　現(xiàn)場的溫度數(shù)據(jù)經(jīng)過熱電偶的冷端補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。
無線收發(fā)部分電路的設(shè)計
　　無線收發(fā)部分采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(shù)據(jù)發(fā)送接收模塊，不需要外部組件。可以很好的實現(xiàn)數(shù)據(jù)的透明傳輸。用來發(fā)送現(xiàn)場的溫度數(shù)據(jù)到遠端的計算機上，通過VB編寫的軟件實現(xiàn)溫度的遠端監(jiān)控。
報警電路的設(shè)計
　　語音報警的設(shè)計是在溫度超過設(shè)定溫度值一定范圍的時候，發(fā)出警告信息，包括紅燈亮起，同時蜂鳴器給出報警聲音。硬件電路上包括開發(fā)板上提供的蜂鳴器和外掛的發(fā)光二極管，來完成報警的功能。
PS2鍵盤數(shù)據(jù)輸入的設(shè)計
　　本設(shè)計中控制數(shù)據(jù)的輸入是通過外掛的PS2鍵盤實現(xiàn)。將鍵盤直接接到開發(fā)版提供的PS2鍵盤接口上，通過芯片內(nèi)部的PS2硬件電路驅(qū)動和51編程的軟件驅(qū)動實現(xiàn)鍵盤數(shù)據(jù)的輸入。
LCD顯示的設(shè)計與實現(xiàn)
　　本設(shè)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(qū)動LCD屏幕是通過8051編程實現(xiàn)的。
FPGA內(nèi)部電路設(shè)計與實現(xiàn)
　　FPGA內(nèi)部硬件電路設(shè)計，主要是用Verilog HDL硬件電路描述語言實現(xiàn)的系統(tǒng)硬件的電路的設(shè)計，其中有一些模塊是調(diào)用的IP核實現(xiàn)的（core 8051 模塊、鎖相環(huán)和ADC模塊）。FPGA內(nèi)部電路由ADC模塊、信號毛刺去除模塊、寬度可調(diào)脈沖（PWM）模塊、10路PWM控制信號選擇模塊、PS2硬件驅(qū)動模塊、50Hz時鐘信號產(chǎn)生模塊、報警電路模塊（FPGA實現(xiàn)）、LCD顯示模塊和Core8051模塊構(gòu)成。
系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計
　　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)實現(xiàn)
　　該控制系統(tǒng)主要完成的功能有各個通道的控制參數(shù)的輸入、對高溫模擬擴散爐的控制、現(xiàn)場溫度溫度信息的遠程監(jiān)控。圖3為現(xiàn)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(shù)，通道狀態(tài)以及現(xiàn)場的溫度信息。圖4為遠程計算機的監(jiān)控畫面，從遠程計算機可以直觀的觀測現(xiàn)場各個通道的溫度信息，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  遠程監(jiān)測計算機界面截圖
總結(jié)
　　通過3個多月的努力，完成了系統(tǒng)的設(shè)計。我們充分的利用了Actel Fusion開發(fā)板提供的硬件資源，完成整個系統(tǒng)的搭建。
　　系統(tǒng)實現(xiàn)的是同時對多路溫度的控制，充分的利用了芯片的處理多路模擬信號的優(yōu)點。
　　該系統(tǒng)的核心控制部分采用的是軟件實現(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么好鍛煉自己的機會，讓我們在實踐中進一步的鞏固了自己的知識，學以致用。