基于Fusion的无线扩散炉温度自动监控系统

 

　　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，最高频率可达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。

　　本设计在Actel Fusion开发平台完成的，具有良好得可移植性和集成性。下面首先介绍本系统用到的主要资源。

　　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

　　通过3个多月的努力，完成了系统的设计。我们充分的利用了Actel Fusion开发板提供的硬件资源，完成整个系统的搭建。

　　系统实现的是同时对多路温度的控制，充分的利用了芯片的处理多路模拟信号的优点。

　　该系统的核心控制部分采用的是软件实现的增量式PID算法，参数更改方便，可以方便的移植到其他的温度控制系统中。

　　这次竞赛中取得了比较好的成绩。感谢竞赛的主办方ACTEL公司给我们在校大学生提供这么好锻炼自己的机会，让我们在实践中进一步的巩固了自己的知识，学以致用。