1、引言

當前國內外溫控設備以單路控制居多，只能控制一路加熱沒備。在國內，可以對高溫設備同時多路溫度監控系統的研發還是相對滯后，大多數設備都是通過RS232接口或者其他有線接口與上位機通信，而無線的監控部分很少涉及。這里提出的設計方法在現有技術基礎上大膽創新，具有挑戰性。硬件電路的設計采用FPGA編程的方式實現，電路更改方便，用FPGA的方式實現整個系統的自動控制，降低成本，提高精度，并利用ZigBee短距離無線傳輸協議實現無線遠程控制。

2、FPGA硬件設計與實現

2．1 概述

FPGA的設計使用的是ACTEL公司的Libero IDE集成開發環境。FPGA的內部電路由A／D轉換模塊、PWM模塊、10路PWM控制信號選擇模塊、PS2模塊、50 Hz時鐘信號產生模塊、報警電路模塊（FPGA實現）、LCD顯示模塊和Core805l模塊等構成。圖1給出系統電路框圖。這些硬件模塊搭建組成整個控制系統，其中Core 8051模塊是整個FPGA內部電路的核心，所有的數據通過8051進行處理并顯示。

2．2 電路模塊的設計與實現

（1）A／D轉換模塊ACTEL FPGA中的A／D轉換模塊將模擬到的數字轉換嵌入在FPGA中，通過軟件配置來實現不同A／D轉換的精度。擴散爐溫控系統設計中，模擬信號輸入沒定為20路，分別是10路經過放大后的溫度傳感器電壓信號和10路手動控制輸入的電壓信號。該模塊采用分時采樣的方法，對20路的模擬信號做A／D轉換，將轉換的結果、通道號和有效信號輸送給8051的I／O端口，然后在軟件中再讀取所需要的通道轉換的數字信號。

（2）毛刺濾除模塊用邏輯分析儀測試A／D轉換后的輸出結果時，發現轉換有效信號DATAVAIJD有毛刺，為保證8051信號輸入的準確性，對有效信號必須處理，保證正確地采集到MD的轉換結果，避免信號采集錯誤。由于DATAVALID的頻率為2 MHz，用高頻率10 MHz的時鐘信號可以濾除毛刺。該模塊的設計思想是讓時鐘信號為10 MHz的高頻信號，經過D觸發器濾除毛刺。

（3）PS2模塊根據PS2的通信協議，將輸入的串行數據轉換為并行數據和一位轉換有效的使能信號。將這些信號傳輸到805l，并運行軟件程序處理，實現整個系統的設定數據輸入，即各個通道參數的設定。由于高頻時鐘所產生的有效信號，其脈沖信號非常窄，在硬件電路設計時將這個信號加寬到PS2模塊工作時鐘周期的12倍，這樣在8051程序的執行中，可采集到這個有效信號。PS2模塊在系統中的連接如圖2所示。

（4）10路PWM控制信號選擇模塊PWM模塊中的復位控制信號PWMRST用于控制該通道是否開啟，將這個復位信號輸送到相應的PWM通道，實現該通道的通斷控制。控制信號PWMDATA用來控制占空比的數據，將這個控制數據輸送到相應的PWM模塊。

（5）PWM模塊寬度可調脈沖模塊（簡稱PWM），用來控制可控硅的通斷。該模塊的輸入信號包括50Hz的時鐘信號和脈沖占空比控制信號，將其傳輸給PWM模塊，從而控制輸出信號的占空比，來調節加載在電爐絲兩端的電壓在一個時鐘周期內的通斷比，達到調節電爐絲加熱功率的目的。該模塊是一個帶復位的PWM。復位信號可用作端口關閉的信號，可直接控制通道是否加熱。

（6）報警電路模塊報警電路模塊包括：聲音報警和發光二極管指示兩部分。其控制信號都是由805l軟核給出，控制指令一路直接輸出到LED，另一路則連接到50 Hz信號的選通端，當805l給出報警數據時，LED為高電平，紅燈亮，同時選通50 Hz的信號輸出到蜂鳴器端，完成報警。

（7）50 Hz時鐘信號產生模塊PWM模塊需要50 Hz的工作時鐘，模塊通過分頻的方法產生所需的時鐘，采用計數器分頻的方法，將2 MHz的輸入信號作為計數脈沖信號，輸出脈沖是計數器的最高位，實現分頻。該電路簡單，占用的資源也比較少。

（8）LCD顯示模塊 系統設計選用640x480點陣的LCD顯示屏，用MAX—EPM3128ACT CPLD做成的控制板代替LCD控制器，16個地址口、8個數據口和4個控制口的控制板與外圍處理器相連接。因為不需從LCD的屏幕讀取數據，4個控制口只用到了命令／數據選擇控制信號CMD和寫信號WR。在顯示中對LCD的操作即是對一個RAM的讀寫，將顯示的點陣信息寫入到相應的RAM地址中即可。內部有兩塊相同的RAM模塊，可對不同部分的RAM操作，這樣可以增加LCD的刷新頻率，顯存數據可交替讀寫，還可以邊寫邊顯示。LCD控制器的數據／命令的選擇信號就是CMD信號。圖3給出LCD接口與FPGA的連接原理圖。

（9）ZigBee無線傳輸電路選用基于MCl3192射頻收發器作為ZigBee無線傳輸模塊。模塊內嵌的軟件協議支持免碰撞串行通訊的功能，使多點TTL/2RS232／RS485數據流透明的傳輸，互不影響。從8051的串口輸出端發送數據給無線傳輸模塊。在8051串行數據輸入端接收發送成功或失敗的反饋信號。805l發送和接收的都是TTL電平信號。另一端ZigBee模塊直接與PC機的RS232串口相連接，用來接收從8051中發送的數據。圖4給出模塊間的連接框圖。

（10）實例化Core8051模塊該控制系統的系統軟件用805l編程實現，ACTEL公司提供的8051軟核是該控制系統的核心，系統設計是直接調用該軟核，然后實例化8051軟核。軟件中溫度控制算法采用增量式PID算法編寫，實現了高精度的溫度控制。圖5給出FPGA內部的805l模塊與內部存儲器之間的接口框圖。圖6給出Core8051與程序存儲器之間的連接框圖。圖7給出Core8051與A／D轉換器之間的連接框圖。

3、 結語

擴散爐溫度自動監控系統的研究不僅可以廣泛應用于半導體制造行業中的干燥設備、擴散爐、熱處理設備，也可以移植應用于紡織、化工等其它行業的溫度控制系統。擴散爐溫控系統設計采用Fusion FPGA實現，電路更改方便，移植性強，與原系統相比，將多路A／D轉換、Core8051內核、PWM等模塊放到一個芯片內部，大大降低成本；采用PID算法控制，提高了精度；完成了多路溫度控制及無線傳輸功能。該系統已應用于集成電路工藝實驗室的擴散爐溫度控制系統，控制精度較前提高30％，完成了整個系統的數字化過程，取得了良好的實用效果。

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