基于Fusion的無線擴散爐溫度自動監(jiān)控系統(tǒng) - 全文

　　本設計選用的是Fusion系列得AFS600芯片，該芯片內部有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，最高頻率可達350MHz;支持多種I/O電平標準，其中差分的I/O標準有：LVPECL、LVDS、BLVDS、M-LVDS;具有AES、FlashLock加密技術;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內部參考源的AD;可實現(xiàn)電壓、溫度、電流檢測。

　　本設計在Actel Fusion開發(fā)平臺完成的，具有良好得可移植性和集成性。下面首先介紹本系統(tǒng)用到的主要資源。

　　可編程的多路ADC模塊

　　Ac tel 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)轉換器(ADC)。這種模擬電路非常靈活，能支持MOSFET 柵極驅動輸出和多個模擬輸入，輸入電壓在-12V到+12V之間，更可選配預調器，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雜性，同時提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

　　內置的8051單片機模塊

　　Actel Fusion 芯片提供了大量的MCU微處理機控制。單元本設計中使用的8051單片機是將單片機的硬件電路通過調用51單片機IP核的方式燒寫在FPGA電路內部。軟件編程的程序燒寫在芯片內部的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

　　本設計中，很多模塊都需要不同頻率的工作時鐘。該芯片內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成，其總體設計框圖如圖1所示。

　　圖1 系統(tǒng)硬件部分總體構架

　　外圍數(shù)據(jù)采集電路設計

　　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。可以很好的實現(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。

　　報警電路的設計

　　語音報警的設計是在溫度超過設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)輸入的設計

　　本設計中控制數(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，通過芯片內部的PS2硬件電路驅動和51編程的軟件驅動實現(xiàn)鍵盤數(shù)據(jù)的輸入。

　　LCD顯示的設計與實現(xiàn)

　　本設計我們選用的是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。驅動LCD屏幕是通過8051編程實現(xiàn)的。

　　FPGA內部電路設計與實現(xiàn)

　　FPGA內部硬件電路設計，主要是用Verilog HDL硬件電路描述語言實現(xiàn)的系統(tǒng)硬件的電路的設計，其中有一些模塊是調用的IP核實現(xiàn)的(core 8051 模塊、鎖相環(huán)和ADC模塊)。FPGA內部電路由ADC模塊、信號毛刺去除模塊、寬度可調脈沖(PWM)模塊、10路PWM控制信號選擇模塊、PS2硬件驅動模塊、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模塊構成。

　　系統(tǒng)控制軟件的設計

　　控制軟件部分由主函數(shù)、選擇通道子函數(shù)、設置通道參數(shù)子函數(shù)、顯示設定數(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