基于專家系統(tǒng)和Round-Robin算法的芯片編程系統(tǒng)

曾華鵬，喬 佳，周曦國，湯 莉，賀 陽

（1.天津中德應用技術大學 智能制造學院，天津 300350；2.天津師范大學 計算機與信息工程學院，天津 300387；3.天津財經大學理工學院，天津 300222）

我國制造業(yè)正面臨著環(huán)境不斷變化的挑戰(zhàn)，全球化市場和勞務競爭的加劇，對制造業(yè)在提高產品質量和減少資源消耗、提高生產效益和降低生產成本等方面都提出了更高的要求，基于物料標志的生產過程可視化、 智能化和全局優(yōu)化成為制造業(yè)關注的重點.因此，物聯(lián)網(wǎng)技術在制造領域的應用和滲透是先進制造發(fā)展的必然結果[1].

當前電子生產線的芯片量產編程環(huán)節(jié)，大部分采用離線編程的方式，在操作過程中，容易出現(xiàn)誤將不正確的固件寫入芯片的問題.同時，現(xiàn)有量產編程器存在編程速度較慢，從而影響產能的問題[2].針對這些問題，本文利用專家系統(tǒng)和Round-Robin 算法設計了一款基于物聯(lián)網(wǎng)架構的芯片高速量產編程系統(tǒng)，該系統(tǒng)可根據(jù)工藝要求實現(xiàn)固件的自動更新，從而提高生產的自動化程度，這對提高芯片生產線的生產能力和增加產量具有非常重要的意義[3].

1 系統(tǒng)設計

整體系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)架構實現(xiàn)，分為感知層、網(wǎng)絡層和應用層[4].應用層為基于Niagara 平臺（Tridium公司）開發(fā)的服務器端程序，網(wǎng)絡層為基于JACE8000（Tridium 公司）的協(xié)議轉換器，感知層為基于STM32實現(xiàn)的編程器.系統(tǒng)結構如圖1 所示.

圖1 系統(tǒng)結構Fig.1 Architecture of system

服務器端程序基于Niagara 平臺開發(fā).Niagara 是一種應用框架，特別適用于智能設備的相關應用，包括設備連接到企業(yè)級的應用、支持互聯(lián)網(wǎng)的產品和基于互聯(lián)網(wǎng)自動化系統(tǒng)的開發(fā)[5].服務器端程序根據(jù)工藝要求，自動選擇待編程芯片的型號，匹配相應的固件，同時根據(jù)芯片型號解析出編程所需的參數(shù)（編程接口類型、同時進行編程的芯片個數(shù)、芯片最高編程時鐘頻率、芯片的容量、編程電壓等），并將數(shù)據(jù)發(fā)送至編程器.

位于網(wǎng)絡層的JACE8000 是Tridium 公司開發(fā)的一款新型的多協(xié)議轉換器，它以嵌入式系統(tǒng)為平臺，結合物聯(lián)網(wǎng)，將管理人員發(fā)送的控制命令轉換成不同的協(xié)議，發(fā)送給工業(yè)設備，使不同協(xié)議的設備可以實現(xiàn)統(tǒng)一管理[6].本系統(tǒng)中的JACE8000 負責將服務器端的TCP/IP 協(xié)議轉換成編程器能夠識別的Modbus協(xié)議.

位于感知層的編程器通過Modbus 獲取來自服務器端的信息，并對芯片進行編程.

2 系統(tǒng)原理及建模

實踐表明，降低瓶頸工時，使各工位生產同步化是提高流水線平衡率、滿足產能要求的關鍵[7].芯片編程速度和時間（特別是大容量芯片）直接影響著電子產品的產能.芯片編程速度主要取決于芯片所能承受的編程時鐘的最高頻率和編程電壓[8].不同型號的芯片，其供電電壓與對應的最高編程速度不同.為最大限度提高編程速度，應采用最高頻率所對應的供電電壓并以最高時鐘頻率對芯片進行編程.部分芯片的供電電壓和最高時鐘頻率見表1.

表1 芯片編程特性Tab.1 Programming characters of chips

對于單個芯片的編程，采用頁編程的方式進行，編程總時間為

其中：P 為頁數(shù)；TP為每個芯片一頁編程所需要的時間，等于每一頁的大小除以編程速度；SP為芯片每一頁的容量；FCLK為芯片編程時鐘頻率，可由相關技術手冊查詢；TWR為頁編程等待時間.對于單個芯片的頁編程方式，本文采用專家系統(tǒng)，確保系統(tǒng)以最優(yōu)的編程電壓和頻率進行編程，這將大大提高芯片的編程速度.

對于多個芯片的編程，以頁編程的方式，每頁編程結束后必須等待一個預定義的時間TWR，才能進行下一頁的編程.因此，本文利用Round-Robin 算法，使系統(tǒng)在第1 個芯片第1 頁編程完畢后，即切換到下一個芯片的第1 頁進行編程，以此類推，只需確保輪轉到第1 個芯片第2 頁開始編程時，所用時間不小于該芯片對應的TWR即可，即

其中：n 為并行編程芯片的個數(shù)；TIdle為對應輪次需空閑等待的時間.采用Round-Robin 算法的并行編程，每一輪（對所有芯片的同一頁進行編程）的總時間為：

其中：Tp1為第1 個芯片頁編程時間；Tpr為第2 個芯片到第n 個芯片的頁編程總時間.若Tpr＞TWR，則TIdle=0，否則TIdle=TWR-Tpr.多芯片并行編程的總時間為

3 硬件設計

3.1 硬件結構

系統(tǒng)硬件采用的芯片為意法半導體的STM32F103RCT6 單片機，STM32 單片機具有豐富的外設功能和數(shù)據(jù)處理能力[9].硬件結構如圖2 所示.

整個系統(tǒng)由電源電路模塊、 信號切換電路模塊、編程信號電路模塊、按鍵輸入模塊和RS485 通訊模塊構成.電源模塊負責給單片機和編程夾具供電；信號切換電路可以將芯片編程所需的信號（數(shù)據(jù)信號、時鐘信號和電源信號等）切換到多個編程夾具中的任意一個；RS485 通訊電路負責和其他設備進行Modbus通訊；按鍵電路模塊負責讀取按鍵輸入.

圖2 硬件結構Fig.2 Architecture of hardware

3.2 電源電路

電源電路基于低壓差電壓調節(jié)器LM1117 和低噪聲LDO 調節(jié)器MIC5209 實現(xiàn)，其原理如圖3 所示.

圖3 電源電路原理Fig.3 Schematic of power supply

其中：為滿足不同芯片所需的編程電壓，采用3個跳線接插頭DIP1、DIP2 和DIP3.不同芯片對應不同的編程制具，當編程器與編程制具連接時，3 個接插頭的其中一個將被短接，使待編程芯片獲得最高編程時鐘頻率所對應的編程電壓.

3.3 信號切換電路

單片機輸出數(shù)據(jù)信號、時鐘信號、GND 和編程電壓.輸出的4 個信號通過信號切換電路切換到多個待編程芯片中的任意一個.信號切換電路原理如圖4所示.

信號切換電路基于單端多通道8 路開關CD4051實現(xiàn)，CD4051 的優(yōu)點是能選通模擬信號和實現(xiàn)多路信號的選擇和分配[10].通過設置A、B、C 引腳的高低電平，可使COM 端與CH0～CH7 的其中一個引腳連通起來.CD4051 的INH 引腳是使能端，可用來控制CD4051 使能.

單片機通過2 個IO（U10.3 和U11.3）模擬芯片對所需信號（數(shù)據(jù)信號和時鐘信號）進行編程，同時輸出GND 信號和電壓信號.

如果編程夾具板的夾具不多于8 個，則可以采用2 個 CD4051 實現(xiàn)，通過控制 2 個 CD4051 的 INH 和A、B、C 引腳，可以實現(xiàn)最多16 路的切換，見圖4 的第1 個電路圖.

3.4 RS485通訊電路

RS485 通訊電路基于 RS485 隔離收發(fā)模塊TD301D485 實現(xiàn)，其電路原理如圖5 所示.

圖4 信號切換電路原理Fig.4 Schematic of signal switch

圖5 RS485 電路原理Fig.5 Schematic of RS485

圖5 中TXD 和RXD 引腳連接到單片機的TX 和RX，單片機通過一個IO 連接CON 端，當IO 為低電平時，處于發(fā)送狀態(tài)，當IO 為高電平時，處于接收狀態(tài).

4 軟件設計

4.1 編程器總體程序

編程器從服務器端接收與芯片編程有關的參數(shù)，包括芯片型號、 同時進行編程的芯片個數(shù)等，同時從服務器接收待寫入芯片的固件.編程器總體流程如圖6 所示.

圖6 編程器總體流程Fig.6 Whole flow of programmer

4.2 專家系統(tǒng)設計

軟件設計基于專家系統(tǒng)，主要由人機接口、 推理機、解釋器、知識庫及其管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫及其管理系統(tǒng)和知識獲取機構組成[11].知識庫是專家系統(tǒng)的重要組成部分，負責存儲專家解決特定問題的知識，采用某種知識表示方法編輯或自動生成某種表示形式[12].本系統(tǒng)的知識庫中存儲芯片編程相關的知識，不同的芯片型號，其知識庫中的編程參數(shù)類型和個數(shù)是相同的，參數(shù)的數(shù)值存在差異.以24C512 芯片為例，其知識庫的具體參數(shù)和數(shù)值見表2.

表2 24C512 芯片編程知識庫Tab.2 Programming knowledge base of chip 24C512

4.3 Round-Robin算法程序

Round-Robin 算法是一個應用廣泛的經典調度算法[13].首先計算出每頁的編程時間，進而確定每一輪的空閑等待時間，最后采用Round-Robin 算法對多個芯片進行編程，并且在每一輪中都等待充足的時間，以確保所有芯片的每一頁編程結束后都能夠至少等待一個不少于TWR的時間，算法流程如圖7 所示.

圖7 Round-Robin 算法流程Fig.7 Flow of Round-Robin algorithm

5 仿真與實際測試結果

利用MATLAB 進行仿真計算，以24C512 為例，圖8 給出了不同編程時鐘頻率下，單個芯片和并行芯片個數(shù)為2、4、8 的傳統(tǒng)算法和本文算法的總編程時間.

圖8 24C512 的仿真結果Fig.8 Simulation results of 24C512

由圖8 可見：對于單個芯片編程（并行芯片個數(shù)為1），提高編程時鐘頻率并不能成比例縮短編程時間，其原因在于雖然編程速度提高，但編程等待時間無法規(guī)避；而對于多個芯片的并行編程，由于采用了Round-Robin 算法，隨著編程頻率的提高，以及并行編程芯片個數(shù)的增加，本文算法的編程總時間與傳統(tǒng)算法相比大幅減少.

本文設計的編程器實物如圖9 所示.

編程器包括上半部和下半部.上半部為編程制具，可根據(jù)實際工藝需求放置不同的編程制具，如圖9（a）所示；下半部為編程器主體，通過連接器與編程制具進行連接，如圖9（b）所示.

圖9 編程器實物Fig.9 Physical programmer

在實際測試中，以 24CXX 系列、93CXX 系列和AM29LVXX 系列芯片為測試對象，按100 kHz 的編程時鐘頻率以預定次數(shù)連續(xù)進行一對四編程，取編程時間平均值，部分測試結果如表3 所示.

表3 部分測試結果Tab.3 Part of test results

由測試結果可見，本文算法的編程器所用時間均低于傳統(tǒng)算法，而且，由于本文算法是按塊/頁寫入，回讀校驗也是按塊/頁進行，一旦出現(xiàn)寫入錯誤能夠及時發(fā)現(xiàn)，并針對該塊/頁進行擦除和重新寫入，因此本文算法的錯誤率遠低于傳統(tǒng)算法.

6 結論

本文提出了一種物聯(lián)網(wǎng)架構的基于專家系統(tǒng)和Round-Robin 算法的芯片高速量產編程器系統(tǒng)的設計方案.經過仿真實驗與實際測試，所設計的算法和編程器可有效縮短編程時間并大大降低錯誤率，從而可提高電子生產線的自動化水平.