西安郵電學(xué)院于2006年引進一條閑置集成電路生產(chǎn)前端工藝線（14臺工藝設(shè)備），建立了集成電路工藝實驗室，為微電子學(xué)、集成電路設(shè)計、系統(tǒng)集成以及電子信息類相關(guān)學(xué)生提供集成電路工藝生產(chǎn)實習(xí)及實踐環(huán)境。在這14臺工藝設(shè)備中，有高溫雙管擴散爐L4513Ⅱ-12/ZM 3臺，主要供學(xué)生進行半導(dǎo)體工藝中擴散工藝的相關(guān)實驗。設(shè)備的溫控部分為模擬控制，其低、工作穩(wěn)定性及可靠性差、能耗大，操作復(fù)雜。

　　設(shè)計目標(biāo)是對雙管擴散爐溫控部分進行改造，實現(xiàn)數(shù)字式自動控制，以提高爐溫控制的，提高工藝生產(chǎn)線樣片的成品率，同時降低能耗。系統(tǒng)的硬件控84部分包括Actel公司的fusion開發(fā)板，溫度采集電路板，鍵盤，傳感器和小型高溫爐等。軟件用C語言編程，采用增量式PID算法完成各路溫度的自動控制。通過ZigBee協(xié)議實現(xiàn)遠程計算機無線監(jiān)控，將現(xiàn)場的數(shù)據(jù)輸出到計算機可視化的界面，實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的遠程監(jiān)測。

　　Actel Fusion 芯片介紹

　　Actel的Fusion產(chǎn)品將可配置模擬部件、大容量 Flash 內(nèi)存構(gòu)件、全面的時鐘生成和管理電路，以及基于Flash的高性能可編程邏輯集成在單片器件中。Actel創(chuàng)新的Fusion架構(gòu)可與Actel軟MCU內(nèi)核及性能的32位ARM? Cortex?-M1 和CoreMP7內(nèi)核同用，是的混合信號FPGA平臺。

　　Fusion混合信號FPGA是業(yè)界首款混合信號FPGA，在單芯片上集成了混合信號模擬功能、Flash 內(nèi)存及可編程邏輯架構(gòu)。無需額外的非易失性內(nèi)存在每次系統(tǒng)上電時加載配置數(shù)據(jù)，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數(shù)個組件，如 Flash 內(nèi)存、分立模擬IC、時鐘源、EEPROM，以及實時時鐘，從而降低系統(tǒng)成本和板卡空間要求。Actel Fusion系列是業(yè)界內(nèi)置Flash 內(nèi)存的可編程邏輯產(chǎn)品，內(nèi)置Flash 內(nèi)存容量高達8Mb，這種可配置的高性能Flash 內(nèi)存支持100MHz的工作頻率，以及8位、16位和32位總線寬度。當(dāng)與片上軟MCU或外接MCU配合使用時，這種Flash 內(nèi)存還可充當(dāng)很好的代碼空間，存儲的代碼可以直接執(zhí)行，無需在RAM中進行映射。Flash 內(nèi)存還集成了糾錯電路 （ECC），具有校正單位錯誤和檢測兩位錯誤的功能，從而提高整體數(shù)據(jù)可靠性。

　　本設(shè)計選用的是Fusion系列得AFS600芯片，該芯片內(nèi)部有60萬可編程的邏輯門，具有4Mbit的用戶可用的Flash Memory、1kbit的FlashROM、108kbit的RAM；2個PLL，頻率可達350MHz； 支持多種I/O電平標(biāo)準(zhǔn)，其中差分的I/O標(biāo)準(zhǔn)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個輸入通道、2.56V內(nèi)部參考源的AD；可實現(xiàn)電壓、溫度、電流檢測。

　　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(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。這種模擬電路非常靈活，能支持MOSFET柵極驅(qū)動輸出和多個模擬輸入，輸入電壓在-12V到+12V之間，更可選配預(yù)調(diào)器，以便對各種模擬系統(tǒng)直接連接及控制，如電壓、差分電流或溫度的監(jiān)控等。

　　本設(shè)計中，充分的利用了該款芯片的多路模擬輸入優(yōu)點，將模擬電壓腳以及溫度引腳都是用了，實現(xiàn)溫度的傳感器電壓信號輸入以及手動控制的電壓信號的輸入。這樣可以減少外部電路的復(fù)雜性，同時提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

　　內(nèi)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(shè)計中使用的8051單片機是將單片機的硬件電路通過調(diào)用51單片機IP核的方式燒寫在FPGA電路內(nèi)部。軟件編程的程序燒寫在芯片內(nèi)部的Flash中。大大的方便了編程以及程序的燒寫。在這里也體現(xiàn)了單芯片的解決方案的優(yōu)越性。

　　豐富的PLL資源

　　本設(shè)計中，很多模塊都需要不同頻率的工作時鐘。該芯片內(nèi)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鐘輸出。為整個系統(tǒng)的搭建提供了豐富的不同頻率時鐘資源，使得我們的難度降低了不少，極大地縮短了開發(fā)周期

　　系統(tǒng)硬件及軟件設(shè)計

　　系統(tǒng)由Actel Fusion 開發(fā)板，外圍數(shù)據(jù)采集部分、無線收發(fā)部分、報警電路、手動控制和初始化，繼電器電路和控制軟件和通信軟件等構(gòu)成，其總體設(shè)計框圖如圖1所示。

圖1  系統(tǒng)硬件部分總體構(gòu)架

　　外圍數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計

　　現(xiàn)場的溫度數(shù)據(jù)經(jīng)過熱電偶的冷端補償和毫伏放大電路后，將溫度信息轉(zhuǎn)換成電壓量然后送控制系統(tǒng)分析處理。

　　無線收發(fā)部分電路的設(shè)計

　　無線收發(fā)部分采用的無線傳輸模塊是由西安達特科技公司出品的DTZ-01A ZigBee無線數(shù)據(jù)發(fā)送接收模塊，不需要外部組件?？梢院芎玫膶崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的透明傳輸。用來發(fā)送現(xiàn)場的溫度數(shù)據(jù)到遠端的計算機上，通過VB編寫的軟件實現(xiàn)溫度的遠端監(jiān)控。

　　報警電路的設(shè)計

　　語音報警的設(shè)計是在溫度超過設(shè)定溫度值一定范圍的時候，發(fā)出警告信息，包括紅燈亮起，同時蜂鳴器給出報警聲音。硬件電路上包括開發(fā)板上提供的蜂鳴器和外掛的發(fā)光二極管，來完成報警的功能。

　　PS2鍵盤數(shù)據(jù)輸入的設(shè)計

　　本設(shè)計中控制數(shù)據(jù)的輸入是通過外掛的PS2鍵盤實現(xiàn)。將鍵盤直接接到開發(fā)版提供的PS2鍵盤接口上，通過芯片內(nèi)部的PS2硬件電路驅(qū)動和51編程的軟件驅(qū)動實現(xiàn)鍵盤數(shù)據(jù)的輸入。

　　LCD顯示的設(shè)計與實現(xiàn)

　　本設(shè)計我們選用的是640*480點陣的LCD顯示屏幕，可以在一個屏幕上同時顯示出10路的溫度信息以及其他的控制信息。驅(qū)動LCD屏幕是通過8051編程實現(xiàn)的。

　　FPGA內(nèi)部電路設(shè)計與實現(xiàn)

　　FPGA內(nèi)部硬件電路設(shè)計，主要是用Verilog HDL硬件電路描述語言實現(xiàn)的系統(tǒng)硬件的電路的設(shè)計，其中有一些模塊是調(diào)用的IP核實現(xiàn)的（core 8051 模塊、鎖相環(huán)和ADC模塊）。FPGA內(nèi)部電路由ADC模塊、信號毛刺去除模塊、寬度可調(diào)脈沖（PWM）模塊、10路PWM控制信號選擇模塊、PS2硬件驅(qū)動模塊、50Hz時鐘信號產(chǎn)生模塊、報警電路模塊（FPGA實現(xiàn)）、LCD顯示模塊和Core8051模塊構(gòu)成。

　　系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計

　　控制軟件部分由主函數(shù)、選擇通道子函數(shù)、設(shè)置通道參數(shù)子函數(shù)、顯示設(shè)定數(shù)據(jù)子函數(shù)、顯示通道溫度數(shù)據(jù)子函數(shù)、顯示控制數(shù)據(jù)子函數(shù)、PID控制子函數(shù)、串行發(fā)送子函數(shù)和LCD顯示子函數(shù)構(gòu)成。軟件流程圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)控制軟件流程圖

　　系統(tǒng)實現(xiàn)

　　該控制系統(tǒng)主要完成的功能有各個通道的控制參數(shù)的輸入、對高溫模擬擴散爐的控制、現(xiàn)場溫度溫度信息的遠程監(jiān)控。圖3為現(xiàn)場控制臺的顯示界面，從圖中可以看出10個通道的控制參數(shù)，通道狀態(tài)以及現(xiàn)場的溫度信息。圖4為遠程計算機的監(jiān)控畫面，從遠程計算機可以直觀的觀測現(xiàn)場各個通道的溫度信息，并具有查看歷史溫度信息功能。

圖3  系統(tǒng)的主工作界面截圖

圖4  遠程監(jiān)測計算機界面截圖

　　總結(jié)

　　無線擴散爐溫度自動監(jiān)控系統(tǒng)的研究不僅可以廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體制造行業(yè)中的干燥設(shè)備、擴散爐、熱處理設(shè)備，也可以移植應(yīng)用于紡織、化工等其它行業(yè)的溫度控制系統(tǒng)。無線擴散爐溫控系統(tǒng)設(shè)計采用Actel Fusion 實現(xiàn)，電路更改方便，移植性強，與原系統(tǒng)相比，將多路A／D轉(zhuǎn)換、PWM等模塊放到一個芯片內(nèi)部，大大降低成本；支持多種I/O電平標(biāo)準(zhǔn)，提高了；完成了多路溫度控制及無線傳輸功能。該系統(tǒng)已應(yīng)用于集成電路工藝實驗室的擴散爐溫度控制系統(tǒng)，控制較前提高30％，完成了整個系統(tǒng)的數(shù)字化過程，取得了良好的實用效果。