基于A(yíng)RM的擴散/氧化控制系統的設計

隨著(zhù)信息化、智能化、網(wǎng)絡(luò )化的發(fā)展，嵌入式系統得到了前所未有的發(fā)展。由于嵌入式系統具有體積小、性能強、可靠性高等特點(diǎn)，目前廣泛應用于工業(yè)控制、控制儀表、通信等各個(gè)領(lǐng)域。擴散／氧化控制系統是為擴散氧化爐設計的控制系統。擴散／氧化爐是集成電路制造的重要的工藝設備之一。本系統主要由高精度的溫度控制系統、推拉舟控制系統、氣路控制系統組成。本系統為擴散／氧化爐提供高精度的擴散氧化環(huán)境，以生產(chǎn)出高質(zhì)量的半導體產(chǎn)品。

本文采用的是ARM處理器S3C2440，它具有工作頻率高、片上資源豐富等特點(diǎn)，可以良好地應用于本系統。且系統設計中移植了嵌入式WinCE，使得控制系統具有實(shí)時(shí)性強、編程方便、可擴展性強等特點(diǎn)。

1 擴散／氧化控制系統的總體設計

如圖1所示，系統的CPU及擴展模塊是以S3C2440為核心的開(kāi)發(fā)板。在系統中有溫度控制子系統、推拉舟控制子系統、氣路控制子系統。上述3個(gè)子系統為閉環(huán)系統，分別完成對溫度、步進(jìn)電機、氣體質(zhì)量流量計的檢測和控制。觸摸顯示屏作為人機界面，用于控制和監視系統的運行。

圖1 系統結構框圖

2 控制系統的硬件設計

2.1 ARM微處理器S3C2440

本設計采用三星S3C2440處理器。它的主頻為400 MHz，外擴存儲器NAND Flash為128 MB、SDRAM為64 MB，完全滿(mǎn)足控制系統運行的要求。該處理器片內資源有1個(gè)LCD控制器(支持TFT帶有觸摸屏的液晶顯示屏)、SDRAM控制器、117位通用I／O口和24位外部中斷源等。本系統觸摸屏為3.5英寸，分辨率240×320，滿(mǎn)足系統要求。

2.2 溫度控制子系統硬件設計

溫度控制子系統要求4路溫度采集，其中一路測量環(huán)境溫度，另外3路測量擴散／氧化爐的溫度。系統要求溫度測量范圍為0～1 700℃，全量程分辨率為0.1℃。

為滿(mǎn)足系統要求，測量擴散／氧化爐的傳感器可以選用熱電偶。為滿(mǎn)足系統測量精度的要求，同時(shí)系統A／D轉換的速度要求不是很快，所以采用雙積分型A／D轉換器ILC7135。ILC7135精度高、抗干擾性能好、價(jià)格低，應用十分廣泛。ICL7135其轉換數字范圍為-19 999～+19 999，即分辨率為1／40 000。為了增加測量精度，需要對熱電偶輸入的信號進(jìn)行濾波。因為本系統主要受工頻信號的干擾，所以濾波過(guò)程主要濾掉工頻信號。信號放大時(shí)根據系統的要求可以選用OP07、OP27等高精度的放大器。圖2為ILC7135的A／D轉換原理圖。因為S3C2440的引腳高電平為3.3 V，所以此電路與CPU連接時(shí)可以使用電平轉換芯片SN74ALVCl64245或74LVC4254等。

在本系統中使用晶閘管控制的電阻絲給擴散／氧化爐加溫，為了防止市電對系統的影響，必須使用光電隔離器隔離本系統與市電的連接。

圖2 ILC7135 A／D轉換原理圖

2.3 氣路系統和推拉舟系統的硬件設計

在擴散／氧化工藝中，根據工藝的不同需要通入4種不同種類(lèi)和質(zhì)量的氣體。所以在氣路控制系統中，需要4路開(kāi)關(guān)量控制4種不同氣體的通斷，以及4路模擬量控制氣體質(zhì)量流量計。質(zhì)量流量計能夠輸出4 mA～20 mA或0～5 V的氣體質(zhì)量信號，在控制精度要求不高的系統中，可以不理會(huì )質(zhì)量流量計輸出的氣體質(zhì)量信號，為了保證控制精度，可以采集氣體質(zhì)量信號。

在4路開(kāi)關(guān)量控制中，可以使用繼電器控制通斷。

在4路模擬量控制氣體質(zhì)量流量計中，需要4路D／A轉換。根據控制精度的要求，選用12位的D／A芯片DAC1230，因為控制信號為電壓信號，所以需要把電流信號轉換成電壓信號。圖3即為氣路控制系統D／A轉換原理圖。

圖3 氣路控制系統D／A轉換原理圖

在4路氣體質(zhì)量流量測量中，因為氣體質(zhì)量流量計可以輸出4 mA～20 mA或0～5 V兩種信號，所以要求A／D轉換芯片轉換這兩種信號。根據控制精度的要求，可以選用12位A／D轉換芯片AD574。

在擴散／氧化工藝中，推拉舟用于運送半導體芯片，由步進(jìn)電機驅動(dòng)。微處理器S3C2440有4路PWM輸出，可以輸出脈沖給步進(jìn)電機的驅動(dòng)器，控制步進(jìn)電機的運動(dòng)。同時(shí)需要通用I／O口控制步進(jìn)電機的正反轉。

為了精確地獲得推拉舟的當前位置，使用位置編碼器記錄推拉舟的運動(dòng)距離。為了獲得位置編碼器的脈沖，使用8254記錄脈沖數。CPU掃描讀取8254的數據，計算出推拉舟的當前位置。

3 控制系統的軟件設計

3.1 嵌入式操作系統

S3C2440微處理器基于ARM9內核，可以移植Windows CE、Linux、μC／OS-Ⅱ等嵌入式操作系統。本系統采用Windows CE操作系統。Microsoft Windows CE是一個(gè)緊湊、高效的可擴展操作系統，適用于各種嵌入式系統和產(chǎn)品。它擁有多線(xiàn)程、多任務(wù)、確定性的實(shí)時(shí)、完全搶先式優(yōu)先級的操作系統環(huán)境，專(zhuān)門(mén)面向只有有限資源的硬件系統。

3.2 應用程序設計

在本系統中，根據工藝的不同，需要設置溫度、位置、氣體種類(lèi)和質(zhì)量等參數。所以，系統運行時(shí)需要設置的參數很多，并且為了實(shí)時(shí)觀(guān)察溫度參數，要求使用曲線(xiàn)顯示溫度。由此可知本系統中人機界面的重要性。圖4為溫度測量流程圖。圖5為系統運行總畫(huà)面。

圖4 溫度測量流程圖

圖5 系統運行總畫(huà)面

(1)曲線(xiàn)顯示是應用程序的重要組成部分，可以把曲線(xiàn)的繪制封裝到一個(gè)類(lèi)中，本設計中封裝到CDline類(lèi)。該類(lèi)給定繼承與CWnd，因此曲線(xiàn)類(lèi)也是一個(gè)窗口，可以在此窗口上繪制出曲線(xiàn)。首先使用EVC向導創(chuàng )建CDline類(lèi)。在類(lèi)中添加需要的變量，如存儲線(xiàn)中的點(diǎn)CList＜CPoint、CPoint＞m_lstPoints，畫(huà)表格邊框設備環(huán)境CDCm_dcGrid，用來(lái)畫(huà)線(xiàn)的設備環(huán)境CDC m_dcLine等。然后為類(lèi)添加構造函數，為類(lèi)添加創(chuàng )建對話(huà)框的函數virtual BOOL Create(LPCTSTR lpszClassName，LPCTSTR lpszWindowName，DWORD dwStyle，const RECT reet，CWnd*pParentWnd，UINT nID，CCreateContext* pContext)。然后為類(lèi)添加繪圖函數把曲線(xiàn)、網(wǎng)格繪制到空間上。

曲線(xiàn)類(lèi)完成之后，就可以在應用程序中初始化類(lèi)的實(shí)例(如CDline m_Dline)，接著(zhù)調用創(chuàng )建函數(m_Dline.Create()等函數)。

(2)在本系統中為了存儲系統運行過(guò)程中的數據及設置的數據，為了方便地檢索數據，可以使用數據庫技術(shù)。由于本系統需要存儲的數據量較小，數據結構相對簡(jiǎn)單，使用WinCE自帶的數據庫EDB是非常合適的。

EDB數據庫的編寫(xiě)使用數據庫函數。

裝配數據庫卷：

BOOL CeMountDBVol(PCEGUID pceguid，LPWSTR lpszDBVol，DWORD dwFlags)；

卸載數據庫卷：

BOOL CeUnmountDBVol(PCEGUID pceguid)；

創(chuàng )建數據庫：CEOID CeCreateDatabaseEx (PCEGUID pceguid，CEDBASEINFO*lpCEDBInfo)；

打開(kāi)數據庫：HANDLE CeopenDatabaseEx(PCEGUID pceguid，PCEOID poid，LPWSTR lpszName，CEPROPID propid，DWORD dwFlags，CENOTIFYREQUEST *pReq)；

寫(xiě)數據庫：CEOID CeWriteRecordProps(HANDLE hDbase，CEOID oidRecord，WORD cProplD，CEPROPVAL *rgPropVal)，

讀數據庫：CEOID CeReadRecordPropsEx(HANDLE hDbase，DWORD dwFlags，LPWORD lpcPropID，CEPROPID*rgPropID，LPBYTE *lplpBuffer，LPDWORD lpcbBuffer，HANDLE hHeap)；

本設計使用的S3C2440微處理器工作頻率高、外圍電路豐富，能夠設計出友好的人機界面，易于監視和控制。本設計中溫度檢測精度高，整個(gè)系統的自動(dòng)化程度高。系統運行證明，系統軟硬件完全滿(mǎn)足要求，運行良好。