IC生產車間部件存取系統的硬件系統設計

黃嬌清

IC生產車間部件存取系統的硬件系統設計

黃嬌清

閩北職業技術學院

文章從嵌入式系統開發及MCU開發技術逐漸成熟入手，介紹IC生產車間部件存取系統的硬件系統設計原則、硬件選型、系統硬件電路設計及硬件測試，從而實現部件存取系統的硬件系統設計，以提高IC生產車間內電子部件管理的效率。

集成電路 嵌入式 單片機 傳感器

0 引言

在我國，集成電路（IC）生產企業大都引進生產設備和各種電子部件進行IC生產。大多IC生產企業采用完全人工（手工）的方式來管理部件。這些電子部件數量龐大、種類繁多，而且體積小、外觀相似，較難辨認。這不僅給部件管理帶來困難，降低了部件存、取操作的效率，同時也可能給IC生產帶來嚴重的后果。為此，各IC生產企業急需有一種嵌入式產品，能夠實現對各種部件的有效控制與管理。

1 開發背景

1.1 嵌入式系統的廣泛應用

嵌入式系統（Embeded Systems）：嵌入式系統是以應用為中心，以計算機技術為基礎，采用可剪裁軟硬件，適用于對功能、可靠性、成本、體積、功耗等有嚴格要求的專用計算機系統[1]。

嵌入式系統是電腦軟件與硬件的綜合體，還包括了機械或其他的附屬裝置。它以微電腦和外圍構成核心，具有嚴格的時序和穩定性的要求，全自動操作循環，并執行特定的功能，其應用非常廣泛。

1.2 MCU應用開發技術成熟

單片機（Microcontroller Unit，MCU）：單片機是在一塊芯片上集成了中央處理單元（CPU）、存儲器（RAM/ROM等）、定時器/計數器及多種輸入輸出（I/O）接口的比較完整的數字處理系統[2]。

從20世紀70年代MCU出現以來，MCU制造技術迅猛發展。因MCU具有功能強、價格低、功耗低、指令系統豐富等特點，使其具有更高的性能價格比，其應用的領域也在不斷擴大，同時MCU的開發技術也趨于成熟。

1.3 IC生產車間的實際需求

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

IC生產車間里，生產線上的作業員和管理員必須頻繁地進行存、取部件或對部件入庫等操作。據統計，作業員或管理員每進行一次操作花在辨認標簽上的時間平均為35秒。另一方面，許多部件的外觀或名稱相似，辨認時極容易發生錯誤。這不僅給部件管理帶來困難，降低了部件存、取操作的效率，同時也可能給IC生產帶來嚴重的后果。

2 硬件選型

2.1 MCU的選擇

在嵌入式系統開發中，選擇MCU時需要考慮以下幾方面：

（1）MCU對應用系統的適用性。即選用的MCU能否完成對系統的控制，如：MCU的I/O數目、外圍端口部件、吞吐量、極限性等是否滿足系統需求。

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

（3）MCU的可開發性。所選的MCU應具有足夠的開發手段或開發工具。如：與之相對應的編譯軟件、程序寫入工具、調試工具、技術支持、語言體系與熟悉程序等。

Freescale公司的08系列MCU型號豐富[4]，不同型號的MCU，資源也有所不同。即使是相同型號的芯片，因封裝形式不同，其I/O數目也會不同。

IC生產車間部件存取系統需要實現的通信有PC機向MCU控制單元循環發送要輸出的數據（如點亮某一盞指示燈）；MCU方接收到PC方發送的正確的輸出數據后（通過PC發送數據的第一個字節，即MCU號來判斷是不是本MCU要接收的數據），將這些數據整合后輸出，并將處理完畢的AD采集數值回送給PC機。即該系統主要的功能是與PC方的通信、AD采集及數據輸出。鑒于該系統的需求及08系列MCU各款芯片的資源情況，選用了Freescale公司生產的MC68HC908GP32芯片（以下簡稱GP32）作為該系統的主控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個通用I/O腳，完全滿足了該系統的傳感器燈、指示燈和報警燈的控制，還可以滿足系統與PC異步串行通信、擴展SPI、蜂鳴器等要求。GP32具有8MHz的內部總線頻率，指令執行的最短時間為125ns，最長時間為875ns，其運行能力完全滿足IC車間中的部件存取控制的需要；其內部的512B的RAM和32K的Flash程序存儲器（具有在線編程能力和保密功能），足夠用作程序存儲空間。GP32購買方便，其指令系統和內部模塊與08系列的其他型號兼容，且08系列MCU的功能更強的新型號也在不斷推出。

2.2 傳感器的選擇

在本系統中，要把L/F盒的存取信息轉化為電信號傳遞給MCU，必須使用傳感器。在IC生產車間里，由于L/F盒存取時，環境溫度、濕度等變化不大，排除使用熱敏電阻、濕敏電阻等。而L/F盒里的元件數量與存取也沒有直接聯系，也就不能使用力敏電阻作為本系統的傳感器。考慮到L/F盒在取出與放入時，貨柜內的光線產生亮/暗的變化，決定選用光敏電阻作為本系統的傳感器件。

圖1 MCU控制板硬件框圖

2.3 A/D轉換器的選擇

IC生產車間部件存取系統中的A/D模數轉換器選用了TI公司生產的TLC2543，它是12位開關電容逐次逼近A/D轉換器，具有11個模擬輸入通道的串行A/D轉換器，采樣精度達12位，外接串行時鐘最大頻率可達4.1MHz，能滿足多數較高精度多通道數據采集的要求。TLC2543可以通過控制字編程，能與8位MCU（如M68HC908GP32）方便地接口。TLC2543的控制字寫入及轉換結果的輸出都是通過串行數據完成的，所需的外部數據線及控制線較少。鑒于這些技術特點，TLC2543非常適合IC生產車間部件存取系統中，且價格適中，滿足了串行輸入結構、能夠節省單片機的I/O資源、分辨率較高等要求。

2.4 電平轉換器的選擇

本系統選用MAX232作為電平轉換器，即串行通信的發送端通過MAX232將TTL電平轉換成RS-232C電平，在接收端將RS-232C電平轉換成TTL電平。

MAX232共有16個引腳[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 硬件電路設計

該系統的硬件板主要有：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機上的串行線1根、MCU工作電源[7]（220V交流轉5V直流、20A）和報警燈供電電源（220V交流轉24V直流、3A）。

3.1 MCU控制板設計

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的數據線，PTB口中的5條線用作74LS373片選；GP32控制模數轉換器TLC2543的電路中，三個控制輸入端為CS(片選)、輸入/輸出時鐘(I/O CLOCK)以及串行數據輸入端(DATA INPUT)。片內的14通道多路器可以選擇11個輸入中的任何一個或3個內部自測試電壓中的一個，采樣－保持是自動的，轉換結束，EOC輸出變高。PTC口的3條線用于TLC2543片選、MISO數據輸出、MOSI數據輸入、SPSCK為I/O CLOCK信號；串行口接串行控制板。

3.2 指示燈/傳感器板電路設計

指示燈/傳感器板由三塊相同的電路板聯結而成，功能復用，可接5組指示燈或者5組傳感器電路。

JP的引腳1～5，網標為NET1～NET5，用于接5盞燈的5條信號線；引腳6網標為NET6，用于接傳感器的照明燈；引腳7網標為NET7，接＋5V電源；引腳10網標為NET10，接地。

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

測試是項目開發過程中重要的一環。嵌入式系統的測試包括硬件和軟件兩方面的測試。只有硬件穩定可靠，才能保證軟件的可靠性。

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

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

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

（3）發光二極管測試（直徑3mm，超高亮，3.1~3.3V）：5個小燈并聯，串聯39Ω電阻，接5V電源發光正常。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：繼電器線圈增加續流二極管，消除斷開線圈時產生的反電動勢干擾。

5 結束語

IC生產車間部件存取系統的設計，不僅能方便IC生產線上的作業員和管理員對部件的存入和取出等作業，避免錯存或錯取現象的發生，而且縮短了操作時間，大大提高了部件管理的效率。采用IC生產車間部件存取系統進行部件的管理無需人工辨認L/F盒，只需用掃描槍輸入部件的條形碼，系統自動搜索該部件的存放位置，找到正確位置后亮燈指示，極大方便了作業員和管理員。用掃描槍輸入部件的條形碼到系統搜索到正確位置的時間不超過2秒，為作業員和管理員節省了大量的時間，同時保證了存、取部件的準確性，適用于大多數IC生產企業。

[1] 陳文智.嵌入式系統開發原理與實踐[M].北京：清華大學出版社,2005.

[2] 王宜懷，劉曉升.嵌入式應用技術基礎教程[M].北京：清華大學出版社, 2005.

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

[4] 8位Motorola單片機MC68HC908全系列編程器用戶手冊[Z].清華大學Motorola單片機于DSP應用開發研究中心,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.模擬電子技術基礎簡明教程[M].北京：高等教育出版社,2000.