以Actel混合信号Fusion为基础的无线扩散炉温度自动监控系统

　　西安邮电学院于2006年引进一条闲置集成电路生产前端工艺线（14台工艺设备），建立了集成电路工艺实验室，为微电子学、集成电路设计、系统集成以及电子信息类相关学生提供集成电路工艺生产实习及实践环境。在这14台工艺设备中，有高温双管扩散炉L4513Ⅱ-12/ZM 3台，主要供学生进行半导体工艺中扩散工艺的相关实验。设备的温控部分为模拟控制，其低、工作稳定性及可靠性差、能耗大，操作复杂。

　　设计目标是对双管扩散炉温控部分进行改造，实现数字式自动控制，以提高炉温控制的，提高工艺生产线样片的成品率，同时降低能耗。系统的硬件控84部分包括Actel公司的fusion开发板，温度采集电路板，键盘，传感器和小型高温炉等。软件用C语言编程，采用增量式PID算法完成各路温度的自动控制。通过ZigBee协议实现远程计算机无线监控，将现场的数据输出到计算机可视化的界面，实现现场数据的远程监测。

　　Actel Fusion 芯片介绍

　　Actel的Fusion产品将可配置模拟部件、大容量 Flash 内存构件、全面的时钟生成和管理电路，以及基于Flash的高性能可编程逻辑集成在单片器件中。Actel创新的Fusion架构可与Actel软MCU内核及性能的32位ARM? Cortex?-M1 和CoreMP7内核同用，是的混合信号FPGA平台。

　　Fusion混合信号FPGA是业界首款混合信号FPGA，在单芯片上集成了混合信号模拟功能、Flash 内存及可编程逻辑架构。无需额外的非易失性内存在每次系统上电时加载配置数据，因而成本更低、安全性和可靠性更高。Fusion器件增加的功能可省去板卡上的数个组件，如 Flash 内存、分立模拟IC、时钟源、EEPROM，以及实时时钟，从而降低系统成本和板卡空间要求。Actel Fusion系列是业界内置Flash 内存的可编程逻辑产品，内置Flash 内存容量高达8Mb，这种可配置的高性能Flash 内存支持100MHz的工作频率，以及8位、16位和32位总线宽度。当与片上软MCU或外接MCU配合使用时，这种Flash 内存还可充当很好的代码空间，存储的代码可以直接执行，无需在RAM中进行映射。Flash 内存还集成了纠错电路 （ECC），具有校正单位错误和检测两位错误的功能，从而提高整体数据可靠性。

　　本设计选用的是Fusion系列得AFS600芯片，该芯片内部有60万可编程的逻辑门，具有4Mbit的用户可用的Flash Memory、1kbit的FlashROM、108kbit的RAM；2个PLL，频率可达350MHz； 支持多种I/O电平标准，其中差分的I/O标准有：LVPECL、LVDS、BLVDS、M-LVDS； 具有AES、FlashLock加密技术；集成了独特的模拟部分，分辨率高达12位、采样率高达600kbps、30个输入通道、2.56V内部参考源的AD；可实现电压、温度、电流检测。

　　可编程的多路ADC模块

　　Actel Fusion器件集成了频率达600ksps且可配置的12位逐次逼近（SAR）模数转换器（ADC）。这种模拟电路非常灵活，能支持MOSFET栅极驱动输出和多个模拟输入，输入电压在-12V到+12V之间，更可选配预调器，以便对各种模拟系统直接连接及控制，如电压、差分电流或温度的监控等。

　　本设计中，充分的利用了该款芯片的多路模拟输入优点，将模拟电压脚以及温度引脚都是用了，实现温度的传感器电压信号输入以及手动控制的电压信号的输入。这样可以减少外部电路的复杂性，同时提高系统的稳定性。

　　内置的8051单片机模块

　　Actel Fusion 芯片提供了大量的MCU微处理机控制。单元本设计中使用的8051单片机是将单片机的硬件电路通过调用51单片机IP核的方式烧写在FPGA电路内部。软件编程的程序烧写在芯片内部的Flash中。大大的方便了编程以及程序的烧写。在这里也体现了单芯片的解决方案的优越性。

　　丰富的PLL资源

　　本设计中，很多模块都需要不同频率的工作时钟。该芯片内提供了可配置的锁相环资源，可以提供频率范围很宽的时钟输出。为整个系统的搭建提供了丰富的不同频率时钟资源，使得我们的难度降低了不少，极大地缩短了开发周期

　　系统硬件及软件设计

　　系统由Actel Fusion 开发板，外围数据采集部分、无线收发部分、报警电路、手动控制和初始化，继电器电路和控制软件和通信软件等构成，其总体设计框图如图1所示。

图1  系统硬件部分总体构架

　　外围数据采集电路设计

　　现场的温度数据经过热电偶的冷端补偿和毫伏放大电路后，将温度信息转换成电压量然后送控制系统分析处理。

　　无线收发部分电路的设计

　　无线收发部分采用的无线传输模块是由西安达特科技公司出品的DTZ-01A ZigBee无线数据发送接收模块，不需要外部组件。可以很好的实现数据的透明传输。用来发送现场的温度数据到远端的计算机上，通过VB编写的软件实现温度的远端监控。

　　报警电路的设计

　　语音报警的设计是在温度超过设定温度值一定范围的时候，发出警告信息，包括红灯亮起，同时蜂鸣器给出报警声音。硬件电路上包括开发板上提供的蜂鸣器和外挂的发光二极管，来完成报警的功能。

　　PS2键盘数据输入的设计

　　本设计中控制数据的输入是通过外挂的PS2键盘实现。将键盘直接接到开发版提供的PS2键盘接口上，通过芯片内部的PS2硬件电路驱动和51编程的软件驱动实现键盘数据的输入。

　　LCD显示的设计与实现

　　本设计我们选用的是640*480点阵的LCD显示屏幕，可以在一个屏幕上同时显示出10路的温度信息以及其他的控制信息。驱动LCD屏幕是通过8051编程实现的。

　　FPGA内部电路设计与实现

　　FPGA内部硬件电路设计，主要是用Verilog HDL硬件电路描述语言实现的系统硬件的电路的设计，其中有一些模块是调用的IP核实现的（core 8051 模块、锁相环和ADC模块）。FPGA内部电路由ADC模块、信号毛刺去除模块、宽度可调脉冲（PWM）模块、10路PWM控制信号选择模块、PS2硬件驱动模块、50Hz时钟信号产生模块、报警电路模块（FPGA实现）、LCD显示模块和Core8051模块构成。

　　系统控制软件的设计

　　控制软件部分由主函数、选择通道子函数、设置通道参数子函数、显示设定数据子函数、显示通道温度数据子函数、显示控制数据子函数、PID控制子函数、串行发送子函数和LCD显示子函数构成。软件流程图如图2所示。

图2 系统控制软件流程图

　　系统实现

　　该控制系统主要完成的功能有各个通道的控制参数的输入、对高温模拟扩散炉的控制、现场温度温度信息的远程监控。图3为现场控制台的显示界面，从图中可以看出10个通道的控制参数，通道状态以及现场的温度信息。图4为远程计算机的监控画面，从远程计算机可以直观的观测现场各个通道的温度信息，并具有查看历史温度信息功能。

图3  系统的主工作界面截图

图4  远程监测计算机界面截图

　　总结

　　无线扩散炉温度自动监控系统的研究不仅可以广泛应用于半导体制造行业中的干燥设备、扩散炉、热处理设备，也可以移植应用于纺织、化工等其它行业的温度控制系统。无线扩散炉温控系统设计采用Actel Fusion 实现，电路更改方便，移植性强，与原系统相比，将多路A／D转换、PWM等模块放到一个芯片内部，大大降低成本；支持多种I/O电平标准，提高了；完成了多路温度控制及无线传输功能。该系统已应用于集成电路工艺实验室的扩散炉温度控制系统，控制较前提高30％，完成了整个系统的数字化过程，取得了良好的实用效果。