1、引言

当前国内外温控设备以单路控制居多，只能控制一路加热没备。在国内，可以对高温设备同时多路温度     监控   系统的研发还是相对滞后，大多数设备都是通过     RS   232     接口   或者其他有线接口与上位机通信，而无线的监控部分很少涉及。这里提出的设计方法在现有技术基础上大胆创新，具有挑战性。硬件     电路   的设计采用     FPGA   编程的方式实现，电路更改方便，用FPGA的方式实现整个系统的自动控制，降低成本，提高精度，并利用     ZigBee   短距离无线传输协议实现无线远程控制。

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AC     TE   L 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DATAV     AI   JD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     PI   D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。

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