扩散炉温度自动控制系统中的FPGA设计

迈肯思工控
发布时间:2019-11-27

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。

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