黃嬌清

IC生產(chǎn)車間部件存取系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃嬌清

閩北職業(yè)技術(shù)學(xué)院

文章從嵌入式系統(tǒng)開發(fā)及MCU開發(fā)技術(shù)逐漸成熟入手，介紹IC生產(chǎn)車間部件存取系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則、硬件選型、系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)及硬件測試，從而實(shí)現(xiàn)部件存取系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以提高IC生產(chǎn)車間內(nèi)電子部件管理的效率。

集成電路 嵌入式 單片機(jī) 傳感器

0 引言

在我國，集成電路（IC）生產(chǎn)企業(yè)大都引進(jìn)生產(chǎn)設(shè)備和各種電子部件進(jìn)行IC生產(chǎn)。大多IC生產(chǎn)企業(yè)采用完全人工（手工）的方式來管理部件。這些電子部件數(shù)量龐大、種類繁多，而且體積小、外觀相似，較難辨認(rèn)。這不僅給部件管理帶來困難，降低了部件存、取操作的效率，同時(shí)也可能給IC生產(chǎn)帶來嚴(yán)重的后果。為此，各IC生產(chǎn)企業(yè)急需有一種嵌入式產(chǎn)品，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)各種部件的有效控制與管理。

1 開發(fā)背景

1.1 嵌入式系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用

嵌入式系統(tǒng)（Embeded Systems）：嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，采用可剪裁軟硬件，適用于對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗等有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)[1]。

嵌入式系統(tǒng)是電腦軟件與硬件的綜合體，還包括了機(jī)械或其他的附屬裝置。它以微電腦和外圍構(gòu)成核心，具有嚴(yán)格的時(shí)序和穩(wěn)定性的要求，全自動(dòng)操作循環(huán)，并執(zhí)行特定的功能，其應(yīng)用非常廣泛。

1.2 MCU應(yīng)用開發(fā)技術(shù)成熟

單片機(jī)（Microcontroller Unit，MCU）：單片機(jī)是在一塊芯片上集成了中央處理單元（CPU）、存儲(chǔ)器（RAM/ROM等）、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器及多種輸入輸出（I/O）接口的比較完整的數(shù)字處理系統(tǒng)[2]。

從20世紀(jì)70年代MCU出現(xiàn)以來，MCU制造技術(shù)迅猛發(fā)展。因MCU具有功能強(qiáng)、價(jià)格低、功耗低、指令系統(tǒng)豐富等特點(diǎn)，使其具有更高的性能價(jià)格比，其應(yīng)用的領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)大，同時(shí)MCU的開發(fā)技術(shù)也趨于成熟。

1.3 IC生產(chǎn)車間的實(shí)際需求

集成電路（Integrated Circuit，IC）：俗稱芯片，是指在一塊半導(dǎo)體基板上，利用氧化、蝕刻、擴(kuò)散等方法，將眾多電子電路組成各式二極管、晶體管等電子組件，做在一個(gè)微小面積上，以完成某一特定邏輯功能，達(dá)成預(yù)先設(shè)定好的電路功能要求的電路系統(tǒng)[3]。

IC生產(chǎn)車間里，生產(chǎn)線上的作業(yè)員和管理員必須頻繁地進(jìn)行存、取部件或?qū)Σ考霂斓炔僮?。?jù)統(tǒng)計(jì)，作業(yè)員或管理員每進(jìn)行一次操作花在辨認(rèn)標(biāo)簽上的時(shí)間平均為35秒。另一方面，許多部件的外觀或名稱相似，辨認(rèn)時(shí)極容易發(fā)生錯(cuò)誤。這不僅給部件管理帶來困難，降低了部件存、取操作的效率，同時(shí)也可能給IC生產(chǎn)帶來嚴(yán)重的后果。

2 硬件選型

2.1 MCU的選擇

在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中，選擇MCU時(shí)需要考慮以下幾方面：

（1）MCU對(duì)應(yīng)用系統(tǒng)的適用性。即選用的MCU能否完成對(duì)系統(tǒng)的控制，如：MCU的I/O數(shù)目、外圍端口部件、吞吐量、極限性等是否滿足系統(tǒng)需求。

（2）MCU的可購買性。包括選用的MCU的購買途徑是否順暢、方便；是否有足夠的供應(yīng)量；是否有后續(xù)供貨能力；是否將有改進(jìn)的新版本推出等。

（3）MCU的可開發(fā)性。所選的MCU應(yīng)具有足夠的開發(fā)手段或開發(fā)工具。如：與之相對(duì)應(yīng)的編譯軟件、程序?qū)懭牍ぞ?、調(diào)試工具、技術(shù)支持、語言體系與熟悉程序等。

Freescale公司的08系列MCU型號(hào)豐富[4]，不同型號(hào)的MCU，資源也有所不同。即使是相同型號(hào)的芯片，因封裝形式不同，其I/O數(shù)目也會(huì)不同。

IC生產(chǎn)車間部件存取系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的通信有PC機(jī)向MCU控制單元循環(huán)發(fā)送要輸出的數(shù)據(jù)（如點(diǎn)亮某一盞指示燈）；MCU方接收到PC方發(fā)送的正確的輸出數(shù)據(jù)后（通過PC發(fā)送數(shù)據(jù)的第一個(gè)字節(jié)，即MCU號(hào)來判斷是不是本MCU要接收的數(shù)據(jù)），將這些數(shù)據(jù)整合后輸出，并將處理完畢的AD采集數(shù)值回送給PC機(jī)。即該系統(tǒng)主要的功能是與PC方的通信、AD采集及數(shù)據(jù)輸出。鑒于該系統(tǒng)的需求及08系列MCU各款芯片的資源情況，選用了Freescale公司生產(chǎn)的MC68HC908GP32芯片（以下簡稱GP32）作為該系統(tǒng)的主控MCU。

GP32有3種不同的封裝形式[5]，分別是PDIP40、SDIP42、PFP44。其中42腳封裝形式的芯片有31個(gè)通用I/O腳，完全滿足了該系統(tǒng)的傳感器燈、指示燈和報(bào)警燈的控制，還可以滿足系統(tǒng)與PC異步串行通信、擴(kuò)展SPI、蜂鳴器等要求。GP32具有8MHz的內(nèi)部總線頻率，指令執(zhí)行的最短時(shí)間為125ns，最長時(shí)間為875ns，其運(yùn)行能力完全滿足IC車間中的部件存取控制的需要；其內(nèi)部的512B的RAM和32K的Flash程序存儲(chǔ)器（具有在線編程能力和保密功能），足夠用作程序存儲(chǔ)空間。GP32購買方便，其指令系統(tǒng)和內(nèi)部模塊與08系列的其他型號(hào)兼容，且08系列MCU的功能更強(qiáng)的新型號(hào)也在不斷推出。

2.2 傳感器的選擇

在本系統(tǒng)中，要把L/F盒的存取信息轉(zhuǎn)化為電信號(hào)傳遞給MCU，必須使用傳感器。在IC生產(chǎn)車間里，由于L/F盒存取時(shí)，環(huán)境溫度、濕度等變化不大，排除使用熱敏電阻、濕敏電阻等。而L/F盒里的元件數(shù)量與存取也沒有直接聯(lián)系，也就不能使用力敏電阻作為本系統(tǒng)的傳感器?？紤]到L/F盒在取出與放入時(shí)，貨柜內(nèi)的光線產(chǎn)生亮/暗的變化，決定選用光敏電阻作為本系統(tǒng)的傳感器件。

圖1 MCU控制板硬件框圖

2.3 A/D轉(zhuǎn)換器的選擇

IC生產(chǎn)車間部件存取系統(tǒng)中的A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器選用了TI公司生產(chǎn)的TLC2543，它是12位開關(guān)電容逐次逼近A/D轉(zhuǎn)換器，具有11個(gè)模擬輸入通道的串行A/D轉(zhuǎn)換器，采樣精度達(dá)12位，外接串行時(shí)鐘最大頻率可達(dá)4.1MHz，能滿足多數(shù)較高精度多通道數(shù)據(jù)采集的要求。TLC2543可以通過控制字編程，能與8位MCU（如M68HC908GP32）方便地接口。TLC2543的控制字寫入及轉(zhuǎn)換結(jié)果的輸出都是通過串行數(shù)據(jù)完成的，所需的外部數(shù)據(jù)線及控制線較少。鑒于這些技術(shù)特點(diǎn)，TLC2543非常適合IC生產(chǎn)車間部件存取系統(tǒng)中，且價(jià)格適中，滿足了串行輸入結(jié)構(gòu)、能夠節(jié)省單片機(jī)的I/O資源、分辨率較高等要求。

2.4 電平轉(zhuǎn)換器的選擇

本系統(tǒng)選用MAX232作為電平轉(zhuǎn)換器，即串行通信的發(fā)送端通過MAX232將TTL電平轉(zhuǎn)換成RS-232C電平，在接收端將RS-232C電平轉(zhuǎn)換成TTL電平。

MAX232共有16個(gè)引腳[6],其中VCC（16腳）是正電源端，一般接+5V；GND（15腳）接地；VS+（2腳）為2VCC-1.5V；VS-（6腳）為-2VCC-1.5V；C2+、C2-（4、5腳）一般接1μF的電解電容；C1+、C1-（2、3腳）一般也接1μF的電解電容。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的硬件板主要有：MCU控制板、串行通信控制板、指示燈與傳感器板。其他硬件還有：連接到控制板上的串行線8根、接到PC機(jī)上的串行線1根、MCU工作電源[7]（220V交流轉(zhuǎn)5V直流、20A）和報(bào)警燈供電電源（220V交流轉(zhuǎn)24V直流、3A）。

3.1 MCU控制板設(shè)計(jì)

3.1.1 MCU控制板硬件框圖

MCU控制板以GP32為中央處理器（CPU）、以TCL2543（3片，3片×11路）為AD采集單元、以74LS373（5片）為輸出鎖存器外加串行通信和供電電路等主要器件構(gòu)成。圖1是MCU控制板的硬件框圖。

3.1.2 MCU控制板電路原理

本系統(tǒng)使用了8塊MCU控制板，每塊MCU控制板主要由三部分組成，即MCU支撐電路及串行通信電路、A/D轉(zhuǎn)換電路和指示燈/傳感器電路。MCU支撐電路及串行通信電路原理圖如圖2所示。

3.1.3 GP32引腳（42腳）使用情況

GP32MCU的PTA口的8條線用作74LS373的數(shù)據(jù)線，PTB口中的5條線用作74LS373片選；GP32控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器TLC2543的電路中，三個(gè)控制輸入端為CS(片選)、輸入/輸出時(shí)鐘(I/O CLOCK)以及串行數(shù)據(jù)輸入端(DATA INPUT)。片內(nèi)的14通道多路器可以選擇11個(gè)輸入中的任何一個(gè)或3個(gè)內(nèi)部自測試電壓中的一個(gè)，采樣－保持是自動(dòng)的，轉(zhuǎn)換結(jié)束，EOC輸出變高。PTC口的3條線用于TLC2543片選、MISO數(shù)據(jù)輸出、MOSI數(shù)據(jù)輸入、SPSCK為I/O CLOCK信號(hào)；串行口接串行控制板。

3.2 指示燈/傳感器板電路設(shè)計(jì)

指示燈/傳感器板由三塊相同的電路板聯(lián)結(jié)而成，功能復(fù)用，可接5組指示燈或者5組傳感器電路。

JP的引腳1～5，網(wǎng)標(biāo)為NET1～NET5，用于接5盞燈的5條信號(hào)線；引腳6網(wǎng)標(biāo)為NET6，用于接傳感器的照明燈；引腳7網(wǎng)標(biāo)為NET7，接＋5V電源；引腳10網(wǎng)標(biāo)為NET10，接地。

表1列出的是指示燈/傳感器板上所需的元件，其中，作為指示燈板時(shí)需要的硬件有：綠色指示燈5個(gè)、指示燈的限流電阻5個(gè)；作為傳感器板時(shí)需要的硬件有：光敏傳感器5個(gè)、光敏傳感器的照明小燈5個(gè)、分壓電阻5個(gè)（36kΩ）。

表1 指示燈/傳感器板上所需的元件 元件LED1~5LEDR1~5GMLED1~5GM1~5GMR1~5LEDR1~5 說明3組孔，網(wǎng)標(biāo)NET1~5LED1~5的限流電阻GM1~5的照明小燈光敏電阻1~5GM1~5的分壓電阻GM照明小燈的電阻

4 硬件測試

測試是項(xiàng)目開發(fā)過程中重要的一環(huán)。嵌入式系統(tǒng)的測試包括硬件和軟件兩方面的測試。只有硬件穩(wěn)定可靠，才能保證軟件的可靠性。

本系統(tǒng)的硬件測試采用焊接元件與測試交替進(jìn)行的方法，在測試的過程中要特別注意絕緣問題。該系統(tǒng)的硬件測試主要測試以下幾部分:

（1）測試警報(bào)燈和24V電源：用24V直流電源直接驅(qū)動(dòng)警報(bào)燈的紅燈、綠燈和蜂鳴器，工作正常。全部工作時(shí)，電流500mA。

（2）測試373鎖存器引腳驅(qū)動(dòng)能力：取373鎖存器的一個(gè)引腳驅(qū)動(dòng)（注：低電平驅(qū)動(dòng)，373吸入電流能力大于輸出電流能力）一個(gè)10的紅色發(fā)光二極管，串聯(lián)電流表以及510Ω電阻，線路長度5m。測試得電路電流5mA，二極管發(fā)光正常。

（3）發(fā)光二極管測試（直徑3mm，超高亮，3.1~3.3V）：5個(gè)小燈并聯(lián)，串聯(lián)39Ω電阻，接5V電源發(fā)光正常。測試小燈管腳電壓3V，總電流42mA。

（4）串行通信板測試：利用MCU方軟件，測試串行通信正常。

（5）MCU控制板連接輸出測試：繼電器線圈增加續(xù)流二極管，消除斷開線圈時(shí)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢干擾。

5 結(jié)束語

IC生產(chǎn)車間部件存取系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，不僅能方便IC生產(chǎn)線上的作業(yè)員和管理員對(duì)部件的存入和取出等作業(yè)，避免錯(cuò)存或錯(cuò)取現(xiàn)象的發(fā)生，而且縮短了操作時(shí)間，大大提高了部件管理的效率。采用IC生產(chǎn)車間部件存取系統(tǒng)進(jìn)行部件的管理無需人工辨認(rèn)L/F盒，只需用掃描槍輸入部件的條形碼，系統(tǒng)自動(dòng)搜索該部件的存放位置，找到正確位置后亮燈指示，極大方便了作業(yè)員和管理員。用掃描槍輸入部件的條形碼到系統(tǒng)搜索到正確位置的時(shí)間不超過2秒，為作業(yè)員和管理員節(jié)省了大量的時(shí)間，同時(shí)保證了存、取部件的準(zhǔn)確性，適用于大多數(shù)IC生產(chǎn)企業(yè)。

[1] 陳文智.嵌入式系統(tǒng)開發(fā)原理與實(shí)踐[M].北京：清華大學(xué)出版社,2005.

[2] 王宜懷，劉曉升.嵌入式應(yīng)用技術(shù)基礎(chǔ)教程[M].北京：清華大學(xué)出版社, 2005.

[3] 集成電路行業(yè)的概念[EB/OL].http://ic.sjtu.edu.cn/vocation/hyhg/jchdlhydgn. asp.

[4] 8位Motorola單片機(jī)MC68HC908全系列編程器用戶手冊(cè)[Z].清華大學(xué)Motorola單片機(jī)于DSP應(yīng)用開發(fā)研究中心,2003

[5] Motorola. MC68HC908GP32 HCMOS Micro-controller Unit Technical Data [Z].1999

[6] MAX232N Data Sheet Rev 3a.Texas Instruments Incorporated[Z].2000.

[7] 楊素行.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程[M].北京：高等教育出版社,2000.