扩散炉温度自动控制系统中的FPGA设计

2 FPGA硬件设计与实现
2．1 概述
    FPGA的设计使用的是ACTEL公司的Libero IDE集成开发环境。FPGA的内部电路由A／D转换模块、PWM模块、10路PWM控制信号选择模块、PS2模块、50 Hz时钟信号产生模块、报警电路模块(FPGA实现)、LCD显示模块和Core805l模块等构成。图1给出系统电路框图。这些硬件模块搭建组成整个控制系统，其中Core 8051模块是整个FPGA内部电路的核心，所有的数据通过8051进行处理并显示。

2．2 电路模块的设计与实现
    (1)A／D转换模块ACTEL FPGA中的A／D转换模块将模拟到的数字转换嵌入在FPGA中，通过软件配置来实现不同A／D转换的精度。扩散炉温控系统设计中，模拟信号输入没定为20路，分别是10路经过放大后的温度传感器电压信号和10路手动控制输入的电压信号。该模块采用分时采样的方法，对20路的模拟信号做A／D转换，将转换的结果、通道号和有效信号输送给8051的I／O端口，然后在软件中再读取所需要的通道转换的数字信号。
    (2)毛刺滤除模块用逻辑分析仪测试A／D转换后的输出结果时，发现转换有效信号DATAVAIJD有毛刺，为保证8051信号输入的准确性，对有效信号必须处理，保证正确地采集到MD的转换结果，避免信号采集错误。由于DATAVALID的频率为2 MHz，用高频率10 MHz的时钟信号可以滤除毛刺。该模块的设计思想是让时钟信号为10 MHz的高频信号，经过D触发器滤除毛刺。
    (3)PS2模块根据PS2的通信协议，将输入的串行数据转换为并行数据和一位转换有效的使能信号。将这些信号传输到805l，并运行软件程序处理，实现整个系统的设定数据输入，即各个通道参数的设定。由于高频时钟所产生的有效信号，其脉冲信号非常窄，在硬件电路设计时将这个信号加宽到PS2模块工作时钟周期的12倍，这样在8051程序的执行中，可采集到这个有效信号。PS2模块在系统中的连接如图2所示。

    (4)10路PWM控制信号选择模块PWM模块中的复位控制信号PWMRST用于控制该通道是否开启，将这个复位信号输送到相应的PWM通道，实现该通道的通断控制。控制信号PWMDATA用来控制占空比的数据，将这个控制数据输送到相应的PWM模块。
    (5)PWM模块宽度可调脉冲模块(简称PWM)，用来控制可控硅的通断。该模块的输入信号包括50Hz的时钟信号和脉冲占空比控制信号，将其传输给PWM模块，从而控制输出信号的占空比，来调节加载在电炉丝两端的电压在一个时钟周期内的通断比，达到调节电炉丝加热功率的目的。该模块是一个带复位的PWM。复位信号可用作端口关闭的信号，可直接控制通道是否加热。
    (6)报警电路模块报警电路模块包括：声音报警和发光二极管指示两部分。其控制信号都是由805l软核给出，控制指令一路直接输出到LED，另一路则连接到50 Hz信号的选通端，当805l给出报警数据时，LED为高电平，红灯亮，同时选通50 Hz的信号输出到蜂鸣器端，完成报警。
    (7)50 Hz时钟信号产生模块PWM模块需要50 Hz的工作时钟，模块通过分频的方法产生所需的时钟，采用计数器分频的方法，将2 MHz的输入信号作为计数脉冲信号，输出脉冲是计数器的最高位，实现分频。该电路简单，占用的资源也比较少。
    (8)LCD显示模块 系统设计选用640x480点阵的LCD显示屏，用MAX—EPM3128ACT CPLD做成的控制板代替LCD控制器，16个地址口、8个数据口和4个控制口的控制板与外围处理器相连接。因为不需从LCD的屏幕读取数据，4个控制口只用到了命令／数据选择控制信号CMD和写信号WR。在显示中对LCD的操作即是对一个RAM的读写，将显示的点阵信息写入到相应的RAM地址中即可。内部有两块相同的RAM模块，可对不同部分的RAM操作，这样可以增加LCD的刷新频率，显存数据可交替读写，还可以边写边显示。LCD控制器的数据／命令的选择信号就是CMD信号。图3给出LCD接口与FPGA的连接原理图。

    (9)ZigBee无线传输电路选用基于MCl3192射频收发器作为ZigBee无线传输模块。模块内嵌的软件协议支持免碰撞串行通讯的功能，使多点TTL/2RS232／RS485数据流透明的传输，互不影响。从8051的串口输出端发送数据给无线传输模块。在8051串行数据输入端接收发送成功或失败的反馈信号。805l发送和接收的都是TTL电平信号。另一端ZigBee模块直接与PC机的RS232串口相连接，用来接收从8051中发送的数据。图4给出模块间的连接框图。

    (10)实例化Core8051模块该控制系统的系统软件用805l编程实现，ACTEL公司提供的8051软核是该控制系统的核心，系统设计是直接调用该软核，然后实例化8051软核。软件中温度控制算法采用增量式PID算法编写，实现了高精度的温度控制。图5给出FPGA内部的805l模块与内部存储器之间的接口框图。图6给出Core8051与程序存储器之间的连接框图。图7给出Core8051与A／D转换器之间的连接框图。

3 结语
    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。扩散炉温控系统设计采用Fusion FPGA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、Core8051内核、PWM等模块放到一个芯片内部，大大降低成本；采用PID算法控制，提高了精度；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，控制精度较前提高30％，完成了整个系统的数字化过程，取得了良好的实用效果。