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相關(guān)專業(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臺工藝設(shè)備中,有高溫雙管擴(kuò)散爐L4513Ⅱ-12/ZM 3臺,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Fusion為基礎(chǔ)的無線擴(kuò)散爐溫自動監(jiān)控系統(tǒng)”的目標(biāo)是對雙管擴(kuò)散爐溫控部分進(jìn)行改造,實(shí)現(xiàn)數(shù)字式自動控制,以提高爐體的精度,降低能耗。該項(xiàng)目的開發(fā)和研究對于保證我院微電子學(xué)專業(yè)等專業(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 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。
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(shí)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(shí)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(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(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。
本設(shè)計(jì)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(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(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)的硬件電路通過調(diào)用51單片機(jī)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(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,極大地縮短了開發(fā)周期
系統(tǒng)硬件及軟件設(shè)計(jì)
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(bào)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(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)場的溫度數(shù)據(jù)經(jīng)過熱電偶的冷端補(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。
無線收發(fā)部分電路的設(shè)計(jì)
無線收發(fā)部分采用的無線傳輸模塊是由西安達(dá)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??梢院芎玫膶?shí)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(yuǎn)端的計(jì)算機(jī)上,通過VB編寫的軟件實(shí)現(xiàn)溫度的遠(yuǎn)端監(jiān)控。
報(bào)警電路的設(shè)計(jì)
語音報(bào)警的設(shè)計(jì)是在溫度超過設(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。硬件電路上包括開發(fā)板上提供的蜂鳴器和外掛的發(fā)光二極管,來完成報(bào)警的功能。
PS2鍵盤數(shù)據(jù)輸入的設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)中控制數(shù)據(jù)的輸入是通過外掛的PS2鍵盤實(shí)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(shí)現(xiàn)鍵盤數(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LCD屏幕是通過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(shí)鐘信號產(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、對高溫模擬擴(kuò)散爐的控制、現(xiàn)場溫度溫度信息的遠(yuǎn)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(gè)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(yuǎn)程計(jì)算機(jī)的監(jiān)控畫面,從遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)可以直觀的觀測現(xiàn)場各個(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)測計(jì)算機(jī)界面截圖
總結(jié)
通過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(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(xué)生提供這么好鍛煉自己的機(jī)會,讓我們在實(shí)踐中進(jìn)一步的鞏固了自己的知識,學(xué)以致用。