張 鳳 孫曉冬 馬青玉

(南京師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210023)

0 引言

藍寶石是氧化鋁的單晶形態(tài)，因具有優(yōu)良的機械和光學(xué)性能而被廣泛應(yīng)用[1]。近年來，半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶動了藍寶石襯底材料需求的迅速增長。在泡生法晶體生長過程中[2]，需要在一定的溫度條件下進行籽晶的接種、旋轉(zhuǎn)、提拉等一系列操作，合適的溫度場和穩(wěn)定可靠的運動控制是制備合格晶體的必要條件，而運動參數(shù)設(shè)置的不合理會使晶體產(chǎn)生多晶、氣泡和晶體裂縫等缺陷，降低生產(chǎn)效率和藍寶石晶體質(zhì)量[3－4]。當(dāng)前業(yè)內(nèi)泡生法藍寶石生長系統(tǒng)大多采用分立儀表或組態(tài)軟件的生長測量控制方案[5]，存在數(shù)據(jù)傳輸種類多、抗干擾能力差、生產(chǎn)成品率低和能源消耗大等缺點[6]。

本文設(shè)計了一種基于RS-485總線控制的藍寶石晶體生長系統(tǒng)[7]。系統(tǒng)采用STC89C52單片機實現(xiàn)對伺服電機的提拉和旋轉(zhuǎn)控制，以及爐體溫度的精確調(diào)節(jié)和控制;系統(tǒng)以計算機智能控制軟件為中心，通過多條RS-485總線實現(xiàn)對加工過程中的電流、電壓、水溫、提拉位移以及晶體質(zhì)量等加工參數(shù)的監(jiān)控，完成加工流程的數(shù)據(jù)分析、參數(shù)傳遞和指令控制。在泡生法藍寶石晶體生長中的成功應(yīng)用證明了所設(shè)計的系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、功能完善、工作穩(wěn)定可靠、可擴展性和抗干擾能力強的優(yōu)點。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

藍寶石晶體生長系統(tǒng)以計算機為中心，通過四條RS-485總線實現(xiàn)實時溫度測量、電壓和電流采集、藍寶石晶體的實時稱重和智能控制器的控制[8]。藍寶石晶體生長系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of the system

六臺溫度傳感器分別安裝于晶體生長爐的大蓋、整桿、正極、負極、爐體和電源處，并共同連接至溫度采集儀表AI-706M。AI-706M將溫度傳感器獲取的信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再通過RS-232/485轉(zhuǎn)換器傳送至計算機，實現(xiàn)對冷卻水溫度的實時監(jiān)測。電壓電流傳感器分別安裝于可控功率電源輸出回路，并共同連接至電壓電流采集儀表AI-702M，在計算機上實現(xiàn)對可控功率電源輸出電壓和輸出電流的實時監(jiān)測。質(zhì)量傳感器安裝于籽晶桿上，并連接至稱重儀表，在計算機上可實時動態(tài)地顯示晶體質(zhì)量，方便對晶體的生長情況進行實時監(jiān)測。

智能控制器模擬歐陸表輸出控制電源來實現(xiàn)熱場的控制，同時對伺服電機進行提拉和旋轉(zhuǎn)控制，并實現(xiàn)提拉位移的光柵測量，同時提供手動控制和行程檢測功能。智能控制器選用STC89C52單片機作為微處理器，其通過RS-232/485轉(zhuǎn)換器與計算機通信。智能控制器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 智能控制器結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of the smart controller

智能控制器在上電啟動后自動對EEPROM進行密鑰匹配，匹配成功后開始工作。旋轉(zhuǎn)電機手動開關(guān)通過光電耦合電路向智能控制器提供外部輸入信號，智能控制器查詢該信號并對旋轉(zhuǎn)電機做出相應(yīng)的控制。提拉電機行程開關(guān)通過光電耦合電路向智能控制器提供輸入信號，智能控制器查詢判斷提拉電機是否運動到極限，并控制提拉電機的運行。光柵尺的滑塊與提拉電機的提拉桿固定在一起，滑塊移動過程中產(chǎn)生的位移脈沖經(jīng)光柵信號調(diào)理電路后輸入微處理器，微處理器對兩路脈沖信號的電參量進行分析以獲取運動信息，并計算位移。

智能控制器輸出的電機控制信號分別經(jīng)旋轉(zhuǎn)、提拉控制信號驅(qū)動電路后，以線驅(qū)動輸出方式與對應(yīng)的伺服電機驅(qū)動器相連，控制旋轉(zhuǎn)、提拉伺服電機的運行。此外，智能控制器通過改變D/A轉(zhuǎn)換和隔離緩沖電路的輸出電壓來控制可調(diào)功率電源的輸出功率，從而實現(xiàn)爐溫的精確調(diào)控。

在晶體生長過程中，智能控制器提供指示電源、提拉脈沖、提拉方向、旋轉(zhuǎn)脈沖、旋轉(zhuǎn)方向、光柵脈沖、串口通信和報警狀態(tài)的工作狀態(tài)指示燈，并控制蜂鳴器進行聲音提示，以便操作者更好地了解智能控制器的工作狀態(tài)，以滿足藍寶石晶體生長過程中的控制需求。

2 智能控制器設(shè)計

藍寶石晶體生長過程復(fù)雜，需使用多種儀器儀表進行監(jiān)控。當(dāng)前業(yè)內(nèi)廠家大多采用分立儀表或組態(tài)軟件的生長測量控制方案來監(jiān)控藍寶石晶體生長，但分立儀表的測控方案不便于生產(chǎn)者的觀察和操作。而組態(tài)軟件的測控方案則是將數(shù)據(jù)采集和外設(shè)控制集于一體。由于系統(tǒng)內(nèi)部有大量數(shù)據(jù)處理、存儲和通信任務(wù)，計算機易出現(xiàn)死機的情況，容易造成操作失控、存儲數(shù)據(jù)丟失、藍寶石晶體生長失敗等嚴重后果。因此，本文設(shè)計了智能控制器，實現(xiàn)外設(shè)的控制和光柵位移的檢測，減輕了計算機的工作負擔(dān)，使得生產(chǎn)操作更為穩(wěn)定和便捷。智能控制器的主要功能是在計算機的控制下實現(xiàn)光柵位移的檢測、旋轉(zhuǎn)電機提拉電機的控制以及功率電源的調(diào)節(jié)。

2.1 智能控制器的RS-485控制

智能控制器與計算機之間通過RS-232/RS-485轉(zhuǎn)換器進行互聯(lián)，實現(xiàn)控制指令與數(shù)據(jù)的傳輸。RS-485總線采用平衡發(fā)送和差分接收的通信方式，具有極強的抗共模干擾能力和較長的通信距離，能夠很好地滿足工業(yè)環(huán)境下的通信要求，有效抑制晶體生長車間的電磁干擾，提高通信的可靠性[9]。本設(shè)計中，STC89C52采用工作方式1，波特率為9 600 bit/s的10位異步通信方式。系統(tǒng)控制采用串口中斷方式，根據(jù)不同的指令完成電機轉(zhuǎn)速設(shè)定、運行狀態(tài)檢測、光柵位移測量和控制電壓輸出等加工操作。

2.2 光柵位移檢測

在光柵位移檢測中，光柵尺滑塊與提拉電機帶動的提拉桿固定在一起，提拉電機運轉(zhuǎn)的同時帶動滑塊作垂直運動[10]。光柵尺上電后，滑塊在運動的過程中會產(chǎn)生兩路相位相差為90°的脈沖信號，脈沖信號的頻率反映光柵尺的運動速度，脈沖的個數(shù)反映光柵尺的位移距離，相位的先后反映不同的運動方向[11]。兩路脈沖信號通過光柵信號調(diào)理電路輸入至智能控制器。智能控制器通過對兩路脈沖信號電參量的判別獲取運動信息并計算當(dāng)前滑塊的位置。在定時中斷過程中，智能控制器通過RS-485總線將數(shù)據(jù)傳送至計算機，實現(xiàn)提拉桿位置的實時動態(tài)顯示。

2.3 電機控制

電機驅(qū)動器輸入信號由一對差分脈沖信號和一對差分方向控制信號組成，分別用來控制電機的轉(zhuǎn)速和運行方向。伺服電機驅(qū)動器(MS0020A)采用全數(shù)字電機控制算法，具有良好的魯棒性和自適應(yīng)能力;同時，還設(shè)置了S型加減速曲線，有效減少了轉(zhuǎn)速突變對機械系統(tǒng)的沖擊。

差分脈沖輸入信號由STC89C52的兩個定時器T0、T2產(chǎn)生，分別用來控制旋轉(zhuǎn)和提拉電機的轉(zhuǎn)速[12]。在藍寶石晶體生長過程中，提拉電機的使用率和轉(zhuǎn)速精度要求高于旋轉(zhuǎn)電機。因此，在智能控制器的設(shè)計中，將定時器T0和T2設(shè)置為自動重裝方式產(chǎn)生高精度的輸出脈沖。由于T2的優(yōu)先級比T0高，因此選用T2產(chǎn)生提拉電機脈沖信號，T0產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電機脈沖信號，使兩電機之間的相互干擾降至最低。

2.4 輸出電壓控制

在本系統(tǒng)中，智能控制器的輸出電壓接至可調(diào)功率電源，通過功率的精確調(diào)節(jié)控制爐內(nèi)溫度。因此，智能控制器輸出電壓的精確穩(wěn)定至關(guān)重要。本設(shè)計選用DAC8811作為數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出高精度電壓。DAC8811是16位串行輸入、單電流輸出的數(shù)模轉(zhuǎn)換器。智能控制器接收到系統(tǒng)的輸出電壓參數(shù)D后，單片機以串行方式將參數(shù)送至DAC8811的串行寄存器，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸出對應(yīng)電流，并連接至外部精密運放OPA277的反相輸入端以實現(xiàn)電壓輸出。輸出電壓的計算公式為:

本系統(tǒng)設(shè)計采用負基準電壓Uref，使得智能控制器Uout端輸出精確穩(wěn)定的正電壓(電壓范圍0～10 V)，控制精度達到，實現(xiàn)了電源功率和爐溫的精確調(diào)節(jié)，滿足晶體生長過程中對溫度控制的需求。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 軟件功能設(shè)計

本系統(tǒng)的計算機控制軟件采用Visual Basic作為開發(fā)環(huán)境，實現(xiàn)藍寶石晶體生長流程的智能控制[13]。系統(tǒng)通過RS-485總線對晶體生長過程中的水溫、電流、電壓、質(zhì)量和位置等參數(shù)進行實時監(jiān)測;采用圖形化界面實時顯示參數(shù)和運行情況;設(shè)計長時間參數(shù)存儲、定量分析和過程優(yōu)化等功能;利用RS-485總線實現(xiàn)轉(zhuǎn)速、輸出電壓、光柵坐標和運行狀態(tài)的參數(shù)傳輸，獲取并顯示報警信息;指揮智能控制器實現(xiàn)提拉和旋轉(zhuǎn)電機的運行控制，高精度的功率和溫度控制，光柵脈沖檢測和位移計算。程序界面具有良好的人機交互功能，可方便快捷地實現(xiàn)生產(chǎn)過程中的操作控制。

3.2 通信協(xié)議設(shè)定

在本系統(tǒng)中，溫度采集儀表AI-706M、電壓電流采集儀表AI-702M、稱重儀表XL-10000及智能控制器都需要與計算機進行通信，因此，應(yīng)根據(jù)不同的儀表采用相應(yīng)的串行通信協(xié)議。AI儀表使用RS-485通信接口。在一個RS-485總線上可以掛接多個設(shè)備，因此必須給每個儀表分配一個互不相同的固定地址[14]。本設(shè)計中的儀表地址分配如表1所示。

表1 儀表地址分配Tab.1 Address allocation for instruments

AI儀表采用16進制數(shù)據(jù)格式來表示各種指令代碼及數(shù)據(jù)。軟件通信指令分為讀指令和寫指令。具體說明如下。

①讀:地址代號+52H(82)+要讀的參數(shù)代號+0+0+校驗碼。

②寫:地址代號+43H(67)+要寫的參數(shù)代號+寫入數(shù)低字節(jié)+寫入數(shù)高字節(jié)+校驗碼。

③地址代號:是兩個相同的字節(jié)，數(shù)值為儀表地址+80H。

④校驗碼:采用16位求和校驗方式，要讀參數(shù)的代號×256+82+ADDR。

⑤返回數(shù)據(jù):測量值PV+給定值SV+輸出值MV及報警狀態(tài)+所讀/寫參數(shù)值+校驗碼。

其中PV、SV及所讀參數(shù)值均各占2 B，MV占1 B，狀態(tài)位占1 B，校驗碼占2 B，共10 B。

3.3 軟件流程

系統(tǒng)軟件具有實時參數(shù)顯示、運行時間顯示、狀態(tài)指示、晶體質(zhì)量顯示、光柵位置顯示、圖形顯示、升降控制、旋轉(zhuǎn)控制、電源控制、自動存儲、自動加工等諸多功能，可以實時顯示運行狀態(tài)，對晶體生長過程和運行時間進行管理，實時記錄系統(tǒng)運行控制參數(shù)文件，滿足生產(chǎn)需要，方便對生產(chǎn)過程進行控制和管理[5－6]。

系統(tǒng)軟件每次運行都會在計算機指定路徑下生成一個數(shù)據(jù)記錄文件，并每隔1 s存儲晶體生長參數(shù)和系統(tǒng)運行參數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)長時間的海量存儲數(shù)據(jù)，便于后期的優(yōu)化分析。軟件能夠在圖形界面上實時繪制溫度、電流、電壓、功率、晶體生長量的實時變化曲線，為生產(chǎn)操作者提供直觀的參考。

4 試驗結(jié)果與分析

4.1 系統(tǒng)的運行與控制

系統(tǒng)運行界面左側(cè)顯示通過RS-485總線獲得的運行參數(shù)欄和狀態(tài)指示欄，同時提供系統(tǒng)加工的時間顯示，數(shù)據(jù)實時刷新，為系統(tǒng)的運行提供監(jiān)控和指示參數(shù);系統(tǒng)界面中間為晶體生長示意圖，當(dāng)提拉桿提拉、下降以及晶體質(zhì)量發(fā)生變化時，會以圖形方式直觀顯示;系統(tǒng)界面右側(cè)提供晶體質(zhì)量和光柵位置實時顯示，并通過升降和旋轉(zhuǎn)速度的設(shè)置，隨時實現(xiàn)提拉電機的提速和方向的控制以及旋轉(zhuǎn)電機的轉(zhuǎn)速控制，為藍寶石晶體的生長速度控制提供實時的數(shù)據(jù)調(diào)整功能。

智能控制器模擬了歐陸表的功能，以實現(xiàn)電源的精確控制。系統(tǒng)運行界面右下角是電源控制欄。當(dāng)藍寶石晶體生長爐內(nèi)完成抽真空操作，進入升溫過程時，需在6 h內(nèi)將可調(diào)功率電源從0升至30 kW。界面顯示生長爐選用的是120 kW/10 V的外接電源，當(dāng)前功率為0。根據(jù)升溫要求，輸入的目標功率為30 kW，功率斜率為5 000 W/h，按下確認按鍵，至此系統(tǒng)進入升溫過程，每隔1 s計算輸出控制電壓參數(shù)，智能控制器通過RS-485總線接收參數(shù)并由D/A輸出控制電壓，實現(xiàn)加熱功率的精確控制，滿足晶體生長過程中對溫度控制的需求。本設(shè)計能夠利用計算機軟件來取代業(yè)內(nèi)通用的歐陸表控制方案，降低硬件成本，提高控制精度，增強系統(tǒng)的靈活性。

4.2 實時參數(shù)監(jiān)測

菜單欄中設(shè)計了質(zhì)量變化率曲線，質(zhì)量曲線，爐體、整桿、正極、負極、電源、水溫、爐體電流、電源電壓、爐體功率曲線的實時顯示功能，為生產(chǎn)操作者提供直觀的參考。運行過程中，爐體冷卻水溫度變化曲線如圖3(a)所示，當(dāng)前溫度值為46.6℃。晶體生長過程中，晶體質(zhì)量變化能很好地反映晶體的生長質(zhì)量，質(zhì)量變化率通常被用來作為生長監(jiān)控的重要指標，因此本系統(tǒng)設(shè)計了質(zhì)量變化率曲線，可以調(diào)整時間間隔來實時監(jiān)控不同時段內(nèi)晶體的生長情況。拉尖過程中藍寶石晶體質(zhì)量變化率曲線如圖3(b)所示，其變化范圍為－1～1 kg/h，在籽晶接種成功后，需將提拉速度降低，生長率保持在0.2 kg/h左右，才能保證藍寶石晶體的穩(wěn)定生長。

圖3 實時監(jiān)測曲線圖Fig.3 Real-time monitoring curve

4.3 加工結(jié)果

本系統(tǒng)在江蘇省能建機電實業(yè)有限公司的泡生法藍寶石晶體生長爐的控制中得到了成功應(yīng)用，單個藍寶石晶體的最大質(zhì)量可以達到40 kg。在晶體制備過程中，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，可以方便快捷地實現(xiàn)對晶體的監(jiān)測和外設(shè)的控制，使藍寶石晶體生長的成品率質(zhì)量得到了提高，降低了生產(chǎn)能耗和成本;系統(tǒng)自動記錄了藍寶石晶體生長流程中的重要生長數(shù)據(jù)和控制參數(shù)，為后續(xù)分析和流程優(yōu)化提供了重要依據(jù)。

5 結(jié)束語

針對傳統(tǒng)方式生產(chǎn)藍寶石晶體自動化智能化程度低等問題，本文介紹了一種RS-485總線控制的藍寶石晶體生長系統(tǒng)。用以替代歐陸表的智能控制器以STC89C52單片機為中心，實現(xiàn)對伺服電機的提拉和旋轉(zhuǎn)控制;系統(tǒng)以計算機控制軟件為中心，通過多條RS-485總線實現(xiàn)加工過程中的電流電壓、冷卻水溫度、提拉位移以及晶體質(zhì)量等加工參數(shù)的讀取，并進行數(shù)據(jù)的分析和加工流程的控制，實現(xiàn)對智能控制器的參數(shù)傳遞和指令控制。試驗表明，本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)計算機和儀表的RS-485數(shù)據(jù)通信，完成晶體生長的狀態(tài)監(jiān)測和生長流程控制，具有以計算機為中心、結(jié)構(gòu)簡單、功能完整、可擴展性和抗干擾能力強的優(yōu)點，有著良好的應(yīng)用前景。

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