扩散炉温度自动控制系统中的FPGA设计

　　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RS232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ACTEL 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DATAVAIJD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。