IC生产车间部件存取系统的硬件系统设计

[摘要] 文章从嵌入式系统开发及MCU开发技术逐渐成熟入手，介绍IC生产车间部件存取系统的硬件系统设计原则、硬件选型、系统硬件电路设计及硬件测试，从而实现部件存取系统的硬件系统设计，以提高IC生产车间内电子部件管理的效率。

[关键词] 集成电路 嵌入式 单片机 传感器

0 引言

在我国，集成电路（IC）生产企业大都引进生产设备和各种电子部件进行IC生产。大多IC生产企业采用完全人工（手工）的方式来管理部件。这些电子部件数量庞大、种类繁多，而且体积小、外观相似，较难辨认。这不仅给部件管理带来困难，降低了部件存、取操作的效率，同时也可能给IC生产带来严重的后果。为此，各IC生产企业急需有一种嵌入式产品，能够实现对各种部件的有效控制与管理。

1 开发背景

1.1 嵌入式系统的广泛应用

嵌入式系统（Embeded Systems）：嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，采用可剪裁软硬件，适用于对功能、可靠性、成本、体积、功耗等有严格要求的专用计算机系统[1]。

嵌入式系统是电脑软件与硬件的综合体，还包括了机械或其他的附属装置。它以微电脑和构成核心，具有严格的时序和稳定性的要求，全自动操作循环，并执行特定的功能，其应用非常广泛。

1.2 MCU应用开发技术成熟

单片机（Microcontroller Unit，MCU）：单片机是在一块芯片上集成了中央处理单元（CPU）、存储器（RAM/ROM等）、定时器/计数器及多种输入输出（I/O）接口的比较完整的数字处理系统[2]。

从20世纪70年代MCU出现以来，MCU制造技术迅猛发展。因MCU具有功能强、价格低、功耗低、指令系统丰富等特点，使其具有更高的性能价格比，其应用的领域也在不断扩大，同时MCU的开发技术也趋于成熟。

1.3 IC生产车间的实际需求

集成电路（Integrated Circuit，IC）：俗称芯片，是指在一块半导体基板上，利用氧化、蚀刻、扩散等方法，将众多电子电路组成各式二极管、晶体管等电子组件，做在一个微小面积上，以完成某一特定逻辑功能，达成预先设定好的电路功能要求的电路系统[3]。

IC生产车间里，生产线上的作业员和管理员必须频繁地进行存、取部件或对部件入库等操作。据统计，作业员或管理员每进行一次操作花在辨认标签上的时间平均为35秒。另一方面，许多部件的外观或名称相似，辨认时极容易发生错误。这不仅给部件管理带来困难，降低了部件存、取操作的效率，同时也可能给IC生产带来严重的后果。

2 硬件选型

2.1 MCU的选择

在嵌入式系统开发中，选择MCU时需要考虑以下几方面：

（1）MCU对应用系统的适用性。即选用的MCU能否完成对系统的控制，如：MCU的I/O数目、端口部件、吞吐量、极限性等是否满足系统需求。

（2）MCU的可购买性。包括选用的MCU的购买途径是否顺畅、方便；是否有足够的供应量；是否有后续供货能力；是否将有改进的新版本推出等。

（3）MCU的可开发性。所选的MCU应具有足够的开发手段或开发工具。如：与之相对应的编译软件、程序写入工具、调试工具、技术支持、语言体系与熟悉程序等。

Freescale公司的08系列MCU型号丰富[4]，不同型号的MCU，资源也有所不同。即使是相同型号的芯片，因封装形式不同，其I/O数目也会不同。

IC生产车间部件存取系统需要实现的通信有PC机向MCU控制单元循环发送要输出的数据（如点亮某一盏指示灯）；MCU方接收到PC方发送的正确的输出数据后（通过PC发送数据的第一个字节，即MCU号来判断是不是本MCU要接收的数据），将这些数据整合后输出，并将处理完毕的AD采集数值回送给PC机。即该系统主要的功能是与PC方的通信、AD采集及数据输出。鉴于该系统的需求及08系列MCU各款芯片的资源情况，选用了Freescale公司生产的MC68HC908GP32芯片（以下简称GP32）作为该系统的主控MCU。

GP32有3种不同的封装形式[5]，分别是PDIP40、SDIP42、PFP44。其中42脚封装形式的芯片有31个通用I/O脚，完全满足了该系统的传感器灯、指示灯和报警灯的控制，还可以满足系统与PC异步串行通信、扩展SPI、蜂鸣器等要求。GP32具有8MHz的内部总线频率，指令执行的最短时间为125ns，最长时间为875ns，其运行能力完全满足IC车间中的部件存取控制的需要；其内部的512B的RAM和32K的Flash程序存储器（具有在线编程能力和保密功能），足够用作程序存储空间。GP32购买方便，其指令系统和内部模块与08系列的其他型号兼容，且08系列MCU的功能更强的新型号也在不断推出。

2.2 传感器的选择

在本系统中，要把L/F盒的存取信息转化为电信号传递给MCU，必须使用传感器。在IC生产车间里，由于L/F盒存取时，环境温度、湿度等变化不大，排除使用热敏电阻、湿敏电阻等。而L/F盒里的元件数量与存取也没有直接联系，也就不能使用力敏电阻作为本系统的传感器。考虑到L/F盒在取出与放入时，货柜内的光线产生亮/暗的变化，决定选用光敏电阻作为本系统的传感器件。

2.3 A/D转换器的选择

IC生产车间部件存取系统中的A/D模数转换器选用了TI公司生产的TLC2543，它是12位开关电容逐次逼近A/D转换器，具有11个模拟输入通道的串行A/D转换器，采样精度达12位，外接串行时钟最大频率可达4.1MHz，能满足多数较高精度多通道数据采集的要求。TLC2543可以通过控制字编程，能与8位MCU（如M68HC908GP32）方便地接口。TLC2543的控制字写入及转换结果的输出都是通过串行数据完成的，所需的外部数据线及控制线较少。鉴于这些技术特点，TLC2543非常适合IC生产车间部件存取系统中，且价格适中，满足了串行输入结构、能够节省单片机的I/O资源、分辨率较高等要求。