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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臺工藝設備），建立了集成電路工藝實(shí)驗室，為微電子學(xué)、集成電路設計、系統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)習及實(shí)踐環(huán)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(xué)生進(jìn)行半導體工藝中擴散工藝的相關(guān)實(shí)驗。這四臺設備均為上個(gè)世紀80年代生產(chǎn)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，操作復雜。 “以Actel混合信號Fusion為基礎的無(wú)線(xiàn)擴散爐溫自動(dòng)監控系統”的目標是對雙管擴散爐溫控部分進(jìn)行改造，實(shí)現數字式自動(dòng)控制，以提高爐體的精度，降低能耗。該項目的開(kāi)發(fā)和研究對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)值和現實(shí)意義。 Actel Fusion 芯片介紹 Actel Fusion系統芯片 (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 內存構件、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 內核同用，為數�；旌显O計者提供了一個(gè)良好的可編程系統芯片平臺。 Actel Fusion系列芯片以 Flash 為基礎的 FPGA 將配置信息儲存在片上 Flash 單元中，一旦完成編程后，配置數據就會(huì )成為 FPGA 結構的固有部分，在系統上電時(shí)并無(wú)需載入外部配置數據。以 Flash 為基礎的 Fusion無(wú)需額外的系統元件，如傳統 SRAM FPGA 配置用的串行非揮發(fā)性?xún)却?(EEPROM) 或以 Flash 為基礎的微控制器，它們都是用來(lái)在每次上電時(shí)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(gè)附加元件，如 Flash 內存、分立模擬 IC 、時(shí)鐘源、EEPROM ，以及實(shí)時(shí)時(shí)鐘等，從而減低系統成本和電路板空間需求。 本設計選用的是Fusion系列得AFS600芯片，該芯片內部有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(gè)輸入通道、2.56V內部參考源的AD；可實(shí)現電壓、溫度、電流檢測。 本設計在A(yíng)ctel Fusion開(kāi)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(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)現溫度的傳感器電壓信號輸入以及手動(dòng)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(shí)提高系統的穩定性。 內置的8051單片機模塊 Actel Fusion 芯片提供了大量的MCU微處理機控制。單元本設計中使用的8051單片機是將單片機的硬件電路通過(guò)調用51單片機IP核的方式燒寫(xiě)在FPGA電路內部。軟件編程的程序燒寫(xiě)在芯片內部的Flash中。大大的方便了編程以及程序的燒寫(xiě)。在這里也體現了單芯片的解決方案的優(yōu)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(shí)鐘。該芯片內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 系統硬件及軟件設計 系統由Actel Fusion 開(kāi)發(fā)板，外圍數據采集部分、無(wú)線(xiàn)收發(fā)部分、報警電路、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成，其總體設計框圖如圖1所示。 圖1 系統硬件部分總體構架 外圍數據采集電路設計 現場(chǎng)的溫度數據經(jīng)過(guò)熱電偶的冷端補償和毫伏放大電路后，將溫度信息轉換成電壓量然后送控制系統分析處理。 無(wú)線(xiàn)收發(fā)部分電路的設計 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特科技公司出品的DTZ-01A ZigBee無(wú)線(xiàn)數據發(fā)送接收模塊，不需要外部組件�？梢院芎玫膶�(shí)現數據的透明傳輸。用來(lái)發(fā)送現場(chǎng)的溫度數據到遠端的計算機上，通過(guò)VB編寫(xiě)的軟件實(shí)現溫度的遠端監控。 報警電路的設計 語(yǔ)音報警的設計是在溫度超過(guò)設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)完成報警的功能。 PS2鍵盤(pán)數據輸入的設計 本設計中控制數據的輸入是通過(guò)外掛的PS2鍵盤(pán)實(shí)現。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)芯片內部的PS2硬件電路驅動(dòng)和51編程的軟件驅動(dòng)實(shí)現鍵盤(pán)數據的輸入。 LCD顯示的設計與實(shí)現 本設計我們選用的是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。驅動(dòng)LCD屏幕是通過(guò)8051編程實(shí)現的。 FPGA內部電路設計與實(shí)現 FPGA內部硬件電路設計，主要是用Verilog HDL硬件電路描述語(yǔ)言實(shí)現的系統硬件的電路的設計，其中有一些模塊是調用的IP核實(shí)現的（core 8051 模塊、鎖相環(huán)和ADC模塊）。FPGA內部電路由ADC模塊、信號毛刺去除模塊、寬度可調脈沖（PWM）模塊、10路PWM控制信號選擇模塊、PS2硬件驅動(dòng)模塊、50Hz時(shí)鐘信號產(chǎn)生模塊、報警電路模塊（FPGA實(shí)現）、LCD顯示模塊和Core8051模塊構成。 系統控制軟件的設計 控制軟件部分由主函數、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(fā)送子函數和LCD顯示子函數構成。軟件流程圖如圖2所示。 圖2 系統控制軟件流程圖 系統實(shí)現 該控制系統主要完成的功能有各個(gè)通道的控制參數的輸入、對高溫模擬擴散爐的控制、現場(chǎng)溫度溫度信息的遠程監控。圖3為現場(chǎng)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，通道狀態(tài)以及現場(chǎng)的溫度信息。圖4為遠程計算機的監控畫(huà)面，從遠程計算機可以直觀(guān)的觀(guān)測現場(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(guò)3個(gè)多月的努力，完成了系統的設計。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)系統的搭建。 系統實(shí)現的是同時(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)。 該系統的核心控制部分采用的是軟件實(shí)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(jì)。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會(huì )，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。 |
