盧 歆 雷李華 沈瑤瓊 李 源 王麗華

(中國計量學(xué)院計量測試工程學(xué)院1，浙江 杭州 310018;上海市計量測試技術(shù)研究院2，上海 201203)

0 引言

在微納測試和計量領(lǐng)域，器件的尺寸、位置和形貌特征等幾何量的測量是影響微加工精度和工藝水平的關(guān)鍵因素。以納米測量機 (nano measuring machine，NMM)為代表的微納坐標(biāo)測量系統(tǒng)是解決微米納米測量的有效手段之一。目前與之配套的測量傳感器有很多種，包括原子顯微鏡 (atomic force microscope，AFM)、聚焦式測頭(laser focus sensor，LFS)、接觸式測頭和白光干涉測頭(white light sensor)等。由于不同的測量任務(wù)需要不同的測量原理、測量范圍和測量精度的測量傳感器，因此，需要頻繁更換測頭。這就容易導(dǎo)致測頭產(chǎn)生接觸不良、效率低下以及故障率高等問題［1－2］。

針對以上納米測量機使用過程中存在的問題，本文設(shè)計了一個具有測頭測量信號/觀察信號切換功能和記錄輸出測量信號電壓值功能的裝置。該裝置作為納米坐標(biāo)測量機的一個附屬裝置，用以提高測量的效率，減少設(shè)備出故障的幾率，在保護(hù)儀器的同時也便于觀察信號。系統(tǒng)主要由C8051F單片機控制，通過A/D轉(zhuǎn)換芯片和液晶顯示模塊，實現(xiàn)其信號電壓值的顯示功能，并通過多路選通開關(guān)實現(xiàn)其信號切換功能［3－4］。

1 裝置系統(tǒng)

系統(tǒng)利用A/D轉(zhuǎn)換芯片及液晶顯示模塊，在單片機的控制下，實現(xiàn)信號電壓實時顯示以及測量信號與視頻信號之間的切換功能。系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理圖Fig.1 Principle of the system

系統(tǒng)選用C8051F系列單片機作為MCU來實現(xiàn)整個系統(tǒng)的控制功能。C8051F單片機是完全集成的低功耗混合信號片上系統(tǒng)型MCU，它使用Silicon Labs的專利CIP-51微控制器核，具有標(biāo)準(zhǔn)8052的所有外設(shè)部件［5］。CIP-51采用流水線結(jié)構(gòu)，與標(biāo)準(zhǔn)的8051結(jié)構(gòu)相比，其指令執(zhí)行速度有很大的提高。本裝置中所使用的C8051F410芯片采用QFN封裝，且包含精準(zhǔn)度高達(dá)2%的振蕩器，因此，只需采用其內(nèi)部振蕩器就可以完成相應(yīng)的時鐘功能，從而大大簡化了硬件電路設(shè)計的復(fù)雜度，使系統(tǒng)更加輕便簡潔［6］。

1.1 A/D 轉(zhuǎn)換電路

納米測量機在開展測量的過程中，需要引入測量傳感器的輸出電壓信號。該信號的電壓幅度在－10～+10 V之間浮動。為了避免由于降壓等措施引起測量信號的衰減，系統(tǒng)采用有雙極限的AD574A芯片，在有效簡化其外圍電路的同時，更能提高轉(zhuǎn)換精度，減少誤差。根據(jù)單雙極限選擇的不同，其外部電路連接也有一定的區(qū)別。AD574A芯片的連接方式可以參考數(shù)據(jù)手冊，需要注意的是，外部電阻的連接與否與其轉(zhuǎn)換精度有著密切關(guān)系［7］。

AD574A的工作模式分為全速模式和單一模式兩種。在全速工作模式時，通過和A0等管腳對其工作狀態(tài)進(jìn)行控制，邏輯關(guān)系比較復(fù)雜且容易混淆;而單一工作模式就顯得相對簡單明了，只需將接至+5 V電源端和A0接至電源地，僅用管腳來控制A/D轉(zhuǎn)換的啟動和數(shù)據(jù)輸出。因此，本系統(tǒng)選用單一工作模式。AD574A工作于單一模式時與單片機的接口電路如圖2所示。

圖2 AD574A與單片機的接口電路Fig.2 Interfacing circuit between AD574A and single chip computer

1.2 液晶顯示電路

YM12232是一種內(nèi)置8 192個16×16點漢字庫和128個16×8點ASCII字符集圖形點陣的液晶顯示模塊。它主要由行/列驅(qū)動器及122×32全點陣液晶顯示器組成，可完成圖形及漢字的顯示。該液晶顯示模塊同時提供并行和串行通信兩種接口方式，便于和多種微處理器、單片機進(jìn)行通信［8］。在并行接口方式下，系統(tǒng)將配合RS、RW、E和DB0～DB7來完成指令和數(shù)據(jù)的傳送。而在串行接口方式下，系統(tǒng)則只需通過時鐘信號線CLK、數(shù)據(jù)線SID及片選信號CS配合使用來完成指令和數(shù)據(jù)的傳送。串行接口方式大大簡化了液晶顯示模塊與單片機之間的接口設(shè)計，同時，串口通信比并行通信擁有更強的抗干擾性，大大改善了以往單片機接口界面不夠友好的弊端［9］。串行通信時，各管腳與單片機的接口電路如圖3所示。

圖3 串行接口電路圖Fig.3 The serial interface circuit

其中，單片機 P2.4口控制片選端 CS，P2.5口控制數(shù)據(jù)線SID，P2.6口控制時鐘信號CLK。為了使液晶屏幕能正常顯示，需要在VEE、VDD及VSS之間接一個10 kΩ電位器，通過電位器的變化來調(diào)節(jié)屏幕背光，使液晶屏可以清晰地顯示。另外，需要注意的是，一般液晶屏出廠的默認(rèn)工作方式是并行方式，因此在選擇串口方式通信時，需將液晶模塊后面的J2接口重新焊點，使其中間的焊點跟下面的焊點焊接。

1.3 切換系統(tǒng)

為了能更加直觀地表示切換功能，所設(shè)計的切換系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 切換系統(tǒng)設(shè)計簡圖Fig.4 Simplified diagram of the switching system

圖4中，測頭1-1、測頭1-2、測頭2-1、測頭2-2四個BNC接口表示兩組測頭信號接口，視頻1和視頻2兩個BNC接口表示兩個視頻信號接口。通過開關(guān)S的上下?lián)軇?，選擇所需測頭的測量信號和視頻信號，然后將所選通的測量信號提供給A/D轉(zhuǎn)換電路，從而實現(xiàn)測量信號電壓的實時顯示功能。

1.4 電源電路

為了保證單片機能夠穩(wěn)定地工作，需要的輸入電壓為3.3 V;液晶顯示模塊的標(biāo)準(zhǔn)工作電壓為5 V;AD574A的工作電壓同時需要5 V、+15 V、－15 V三種電壓。由此可見，整個電源電路所需要的電壓共有四種，這是一個電源模塊所不能提供的。因此，在整個設(shè)計中又加入了LM2937芯片和電壓轉(zhuǎn)換電路。

2 軟件設(shè)計

整個設(shè)計的程序流程圖如圖5所示。

圖5 程序流程圖Fig.5 Flowchart of the program

C8051F410具有片內(nèi)Silicon Labs 2線(C2)接口調(diào)試電路，既支持在線觀察和修改存儲器和寄存器，也支持?jǐn)帱c和單步執(zhí)行。執(zhí)行過程不需要額外的目標(biāo)RAM、程序存儲器、定時器或通信通道。對于開發(fā)和調(diào)試而言，Silicon Laboratories IDE接口比采用標(biāo)準(zhǔn)MCU仿真器要優(yōu)越得多，只需使用MCU的兩個C2引腳和GND，即可實現(xiàn)在線調(diào)試和程序燒制。

3 試驗結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

本系統(tǒng)裝置的數(shù)據(jù)來自于納米坐標(biāo)測量機測量時所用測量傳感器的測量信號，其信號電壓值范圍為－10～+10 V。由于納米坐標(biāo)測量機設(shè)備昂貴，測量過程中測頭的測針容易損壞，所以，試驗初期暫時用Agilent直流穩(wěn)壓源代替。試驗環(huán)境為距離地下6 m的超凈實驗室，室溫控制在(20±0.1)℃，相對濕度控制在(40±20)%。

經(jīng)程序燒制，即可進(jìn)行試驗。將直流穩(wěn)壓源的輸出電壓提供給AD574A，通過改變電壓值進(jìn)行誤差試驗。每次提供相隔1 V左右的電壓，并記錄此刻LCD顯示的電壓值，共進(jìn)行20組試驗，試驗數(shù)據(jù)如表1所示。由標(biāo)準(zhǔn)差公式計算可得，該裝置的電壓示值與輸入電壓間的標(biāo)準(zhǔn)差為0.005 V。

表1 試驗數(shù)據(jù)Tab.1 Experimental data

4 結(jié)束語

本文在基于C8051F410、AD574A和YM12232F液晶模塊等工作原理的基礎(chǔ)上，以 C8051F410為核心［11－12］，設(shè)計了一個具備切換和顯示功能的系統(tǒng)裝置。該裝置通過各個模塊的功能設(shè)計，編制總體框架程序，最后進(jìn)行程序編譯，實現(xiàn)了測量信號和視頻信號的切換及測量信號電壓值的實時顯示的功能［13－15］。試驗表明，該系統(tǒng)提高了納米坐標(biāo)測量機的測量效率，減少了設(shè)備的故障率，對納米坐標(biāo)測量機的使用和履行更多測量任務(wù)具有重要的意義。

［1］李源.MEMS壓阻式三維微觸覺測頭及其在納米測量機上的應(yīng)用研究［D］.天津:天津大學(xué)，2007.

［2］陳本永，吳昭同，朱若谷.納米測量技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.激光，2000，21(2):2－3.

［3］胡力剛，許偉明.基于單片機的開關(guān)電源檢測系統(tǒng)的研制［J］.自動化儀表，2010，31(1):68－71.

［4］蔣娟，張火明.單片機的數(shù)據(jù)采集實驗板設(shè)計［J］.中國計量學(xué)院學(xué)報，2010，21(1):59－62.

［5］潘琢金，孫德龍.C8051F單片機應(yīng)用解析［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2002:1－22.

［6］張志成.一種基于C8051F單片機的紅外通信設(shè)計［J］.通化師范學(xué)院學(xué)報，2006，27(6):34－36.

［7］申河卿.基于C8051F320的便攜式心電監(jiān)護(hù)儀設(shè)計［D］.合肥:合肥工業(yè)大學(xué)，2008.

［8］姜楠，宋文龍，郭曉剛.基于HD7279A的單片機顯示及鍵盤系統(tǒng)設(shè)計［J］.自動化儀表，2007，28(11):22－24.

［9］王靜濤，張立軍.液晶顯示控制器T6963C與C8051F的接口及編程［J］.儀表技術(shù)，2009(2):9－10.

［10］童長飛.C8051F系列單片機開發(fā)與C語言編程［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出社，2005:20－37.

［11］王希望，于華麗.基于VB的USB通信系統(tǒng)在智能溫度檢測儀中的應(yīng)用［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2007(10):16－17.

［12］耿池勇，高厚磊，劉炳旭，等.基于同步相量測量技術(shù)的功角監(jiān)測系統(tǒng)［J］.電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報，2003，15(3):17－19.

［13］張永偉，尹項根，李彥武，等.CPLD在斷路器在線監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用研究［J］.電力自動化設(shè)備，2003，23(4):34－37.

［14］許樹楷，謝小榮，辛耀中.基于同步相量測量技術(shù)的廣域測量系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2005，29(2):44－49.

［15］嚴(yán)登俊，鞠平，吳鋒，等.基于GPS時鐘信號的發(fā)電機功角實時測量方法［J］.電力系統(tǒng)自動化，2002(8):38－40.