摘　要：本文针对半导体封装设备金丝球焊线机的打火烧球系统进行了设计，采用C8051F000单片机为主控制芯片，以PID和PWM为控制技术，设计了高性能的数字开关电源，进而对打火升压器件——高压包(FBT)进行有效控制。此系统具有:打火电压稳定、系统可控性好、成球质量高以及系统成本低等特点。
    关键词：C8051F000；PID；PWM；开关稳压电源；FBT

    近年来半导体封装工业己经开始在中国蓬勃兴起和发展，对中国工业技术的提高有很大的推动作用。焊线机一般用于封装前将芯片内部电路用金线与封装管脚连接。根据本焊线机的工作特点，打火工序在焊接完成以后对尾丝的处理中发挥作用。打火过程中高压包输出的高压火花把尾丝烧制成球状。这一加工过程的意义在于：第一，有利于固定金丝，使它不会在机构的调整中从劈刀中掉落；第二，金球增大了金丝与焊接件的接触面积，有利于焊接质量的提高，为下一次焊接做好准备。可以说打火烧球对整个焊接过程具有重要的意义。
1 打火系统硬件设计
    该焊线机的打火系统是以烧熔金丝成球为目的，类似于电子焊。输出电压在10 000 V到20 000 V之间，功率小于2 W，对产品成本、输出精度和可控度有较高要求。
    针对设计要求，设计的系统是以C8051F单片机和CPLD来做数字化PID^[1]调节，通过数字化PID算法产生PWM波来控制开关管，进而控制主电路；变压器选择回扫变压器^[2]，采用逆程升压技术^[3]。该系统具有成本低、设计简单、效率高等特点。其硬件方框图如图1所示。

1.2控制电路
    输出电压经分压电阻分压，通过CPLD控制将此电压A/D转换后，送到单片机的PID、显示和控制报警部分。通过数字化PID算法产生PWM波来控制开关管，调整输出电压，以获得稳定的输出电压；显示部分采用LCD显示当前电压；如果输出电压低于设定电压则产生蜂鸣报警。通过串口与上位机通讯，实现在线控制。
1.2.1 控制芯片C8051F000^[5]
    C8051F000是完全集成的混合信号系统级MCU芯片，具有32 KB Flash存储器并与8051兼容的微控制器内核。还有硬件实现的(不是在用户软件中用位操作模拟)I2C/SMBus、UART、SPI串行接口及一个具有5个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列(PCA)。还有4个通用的16位定时器和4字节宽的通用数字I/O端口。C8051F000有256 B的RAM，执行速度可达20 MIPS。正是基于C8051F000的优越性能和较高的性价比，采用它来完成PWM生成、PID运算及与上位机通讯。
1.2.2 输出电压检测电路
    由于整个系统是闭环控制系统，对采样速率要求很高。采用CPLD来控制ADC，这样就避免了高速采样占用系统资源的问题，减轻了单片机的负担。本文设计选择ADC芯片AD7678。 AD7678是18位、100 kS/s、电荷分配的完全差分逐次逼近型模数转换器。它由单一的5 V电源供电，内含一个高速18位采样ADC，一个内部转换时钟，一个内部参考缓存，纠错电路以及串行和并行系统接口，是一款速度快、功耗低、精度高的逐次逼近结构的模数转换器。
    对ADC的控制，本系统采用Altera公司的FPM7128S。它是高性能E2PROM结构的CPLD。最高可达175.4 MHz的计算频率，支持5 V的ISP功能。I/O数64；宏单元128。主要应用市场包括消费类、工业类、汽车业、计算机和通信类。

2 打火系统软件设计
2.1数字PID部分^[6]
    在自动控制技术中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例(P)、积分(I)、微分(D)控制，简称PID控制。随着计算机技术的发展，常规PID控制发展为数字PID控制。本系统使用了增量式数字PI控制，控制原理框图如图3所示。 

                  
    由图3所示，当系统输出产生偏差后，微控制器根据偏差eu[0]值的大小选择比例参数和积分参数。当偏差信号eu[0]在偏差范围e内时，比例参数K_p选择K_p1，积分参数选择K_i1，以防止过大动作产生超调量；当偏差较大则选择K_p1和K_i2，引入比例环节快速调整作用。计算比例环节P值需要将本次偏差eu[0]与上次偏差eu[1]相比较，得出偏差量增量。在选择比例系数K_p和积分系数K_i时，遵循两个原则：第一，选择比例增益系数K_p以保证系统稳定和良好的瞬态响应，比例增益系数K_p越大，瞬态响应作用越大；第二，选择积分系数K_i，以满足消除静态误差。对于本系统，其控制对象为典型一阶惯性环节，PID参数可以在现场经验整定。
2.2 PWM控制技术^[7]
    脉冲宽度调制PWM(Pulse Width Modulation)，简称脉宽调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用于测量、通信、功率控制与变换等许多领域。PWM的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。
    PWM技术对开关器件的导通和关断进行控制, 通过改变脉冲列的周期可以调频，改变脉冲的宽度或占空比可以调压,采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化。本文的PWM由C8051F000单片机自带的可编程计数阵列PCA产生，频率45 kHz。以下是部分程序。
    系统时钟初始化:
    void SYSCLK_Init (void)
    { int i;           //延时计数器
    OSCXCN=0x67;       //开启外部振荡器18.432MHz晶体
    for(i=0;i<256;i++) ; //等待振荡器启振
    while(!(OSCXCN&0x80)) ;  //等待晶体振荡器稳定
    OSCICN=0x88;           //选择外部振荡器为系统时钟源并允许丢失时钟检器
    }
    IO口初始化
    void PORT_Init (void)
    { XBR0 =0x07;     //使能SMBus,SPI0,和UART0
    XBR1 =0x04;      //P1.0<---int0
    XBR2 =0x40;      //使能数据交叉开关和弱上拉
    EMI0CF =0x27;
    EMI0TC =0x21;
    P74OUT =0xFF;
    P0MDOUT =0x15;
    P1MDOUT |=0x3C;     //P1.2-P1.5推挽输出
    P1 &= 0xc3;            //P1.2-P1.5=0
    }
    定时器0初始化，定时时间为11us
    void Timer0_Init (void)
    { CKCON|=0x8; TMOD|=0x1;    //16位
    Count1ms=10;
    TR0 = 0;                     //停止定时器0
    TH0 = (-SYSCLK/100000) >> 8;    //设初值，11ms时溢出
    TL0 = -SYSCLK/100000; 
    TR0 = 1;                    //开启定时器0
    IE|= 0x2;
    }
3 系统测试
    对系统进行测试，应用示波器测试由C8051产生的PWM波形和上升时间。图4是单片机输出PWM波形；图5为PWM波形上升时间。

    测试用的TDS2014B是高精度数字示波器。测试在常温下进行。结果显示波形稳定，达到设计要求。
    该打火系统经检测，满足设计要求。其数字开关电源有可控性好、系统成本低、抗干扰能力强等特点，可以应用在其他领域。由于篇幅限制系统中的其它环节，如抗干扰等部分未做说明。另外未来发展趋势是使用软开关技术来替代硬开关技术，减小开关功率器件的开关功耗。还有对控制精度、速度的研究也需要深入。
参考文献
[1] 李夕红. 基于DSP和FPGA的数字化开关电源的实用化研究[D].成都: 成都理工大学, 2008,5.
[2] 于志章. 显示器易修精要[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2006.
[3] 李新民. BSCH—1 型回扫变压器自动测试系统设计[D]. 长沙:湖南省电子产品检测分析所, 1999.
[4] 任建. 开关电源中的PWM电路设计[D]. 沈阳: 沈阳工业大学,2007.
[5] 潘琢金. C8051F000混合信号ISP FLASH微控制器数据手册[M].新华龙电子有限公司，2005.
[6] 张磊. 高精度数字开关电源系统的研究[D]. 成都：电子科技大学，2006.
[7] 张权. 一种基于单片机的汽车电子点火系统的设计[D]. 太原: 中北大学, 2007.