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东北大学硕士学位论文 摘要 粘料机智能控制系统的研制 摘要 随着i c 生产技术的不断提高，i c 产业所需晶体硅圆片直径不断增大，为了 满足硅圆片加工的需要，晶体硅片切割设备向高精度、高自动化及高智能化的方 向发展，晶体粘料机智能化是目前晶体硅片切割加工设备中的一项新技术，可以 提高晶体硅片切割的精度和自动化程度。 粘料机的智能控制部分采用c y g n a l 公司的c 8 0 5 1 f 0 0 5 高速微控制器作为核心 部件，利用系统内部集成的模数转换器实现数据的采集。控制系统可以在工作模式 和参数设置两种状态下进行切换。在工作模式下，系统实现对电控回转台的控制。 角度值和x 射线测量值的变化可以通过液晶和动态棒柱来显示，还可以通过声音频 率的变化来提示操作人员；在参数设置模式下，操作人员可以根据不同的工作环境 和操作习惯预先设置系统的工作参数，使系统可以工作在理想的工作状态。设置的 参数可以保存在f l a s h 中，当系统重新启动的时，将检测f l a s h 中保存的参数， 如果由于异常事件导致参数出错，可以重新设置。 本论文介绍了控制系统的研制全过程，详细地介绍了硬件和软件设计，硬件包 括液晶显示接1 5 电路、动态棒柱和电机驱动接1 5 电路、光码盘信号的处理电路和模 拟信号的放大电路等等；软件设计中包括微控制器的资源配置程序、外部设备驱动 程序、控制程序、芯片内各个模块的寄存器初始化和使用，还有模数转换器( a d c ) 、 串行外设接口( s p i ) 、f l a s h 和各个定时器等应用程序。同时介绍了在硬件和软件 调试上遇到的各种问题以及解决方法，最后介绍了控制系统在硬件和软件上采取的 抗干扰措施，另外论文总结了控制系统的特点，指出了控制系统中不够完善、有待 改善的地方。 关键词智能控制电控回转台光码盘模数转换器f l a s h b 大学硕士学位论文 a b s t r a c t d e v e l o p m e n to fi n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e m f o rs i z i n gm a c h i n e a b s t r a c t w i t ht h ec o n s t a n ti m p r o v e m e n to fi cp r o d u c t i v et e c h n o l o g y , s l i c eo fd i a m e t e ro f ：e s s a r ys i l i c o ni si n c r e a s i n gc o n s t a n t l yi ni ci n d u s t r y , a n dt h es i l i c o nc h i pc u t t i n g d p m e n td e v e l o p s i nd i r e c t i o no fm o r ep r e c i s i o n ，m o r ea u t o m a t i o na n dm o r e ；l l i g e n t ，i n o r d e rt om e e tr o u n ds l i c eo fp r o c e s s i n go fs i l i c o n sn e e d s t h e ；l l i g e n t c eo fc r y s t a ls i z i n gm a c h i n ei s an e wt e c h n o l o g yi ns p e c i a ld e v i c ew h i l e c e s s i n ga tp r e s e n t ，a n di m p r o v ei t sp r e c i s i o na n dd e g r e eo f a u t o m a t i o n a sc o r ec o m p o n e n t ，c 8 0 5 1 f 0 0 5 ，c y g n a ll t d sh i g h s p e e dm c u ，w a su s e di nt h e f l l i g e n tc o n t r o lp a r to fc r y s t a ls i z i n gm a c h i n e ，m a k i n gu s eo fa n a l o gt od i g i t a l i v e r t e r i n t e g r a t e do n c h i pt of i n i s hd a t aa c q u i s i t i o n t h ec o n t r o ls y s t e m c a nb e i t c h e do v e ru n d e rt w ok i n d so fs t a t e sb e t w e e nw o r kp a t t e r na n ds e t t i n gu po f a m e t e r s u n d e rt h ew o r kp a t t e r n ，t h e s y s t e mi m p l e m e n t t h ec o n t r o lo ft h e c t r o n i c a l l yc o n t r o l l e dg y r o s c o p e t h ec h a n g e so fa n g l ev a l u ea n dm e a s u r e dx r a y s u ea r ed e l i v e r e dt oo p e r a t o rb yu t i l i z i n gl i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ( l c d ) ，s t i c ka n d t i n gf r e q u e n c yo fs o u n d u n d e rs e t t i n gu po fp a r a m e t e r s ，o p e r a t o rc a nm a k et h e ；t e r na b l et ow o r ki nt h ei d e a lw o r k i n gs t a t e ，b ys e t t i n gu pw o r k i n gp a r a m e t e r so f t 咖i na d v a n c e b a s e do nd i f f e r e n tw o r k i n ge n v i r o n m e n ta n do p e r a t o r sc u s t o m a t s a m et i m e ，t h ep a r a m e t e r ss e tu pa tt h es a m et i m ec a nb ek e p ti nf l a s h w h e nt h e ：t e r nr e s t a r t ，p a r a m e t e r st h a tk e e pi nf l a s hc a nb ed e t e c t e d ；i ft h ep a r a m e t e r sa r e o r r e c tb e c a u s et h eu n u s u a li n c i d e n to c c u r ，t h e yc a r tb es e tu pr e n e w e d l y t h i st h e s i sh a si n t r o d u c e dt h eo v e r a l lm e n t a l i t yo fd e s i g no ft h ec o n t r o ls y s t e m ， ni n t r o d u c e dt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g ni nd e t a i l t h eb a s i cc o m p o s i t i o no f h a r d w a r ei n c l u d es i g n a l sp r o c e s s i n gc i r c u i to fp h o t o c o d ep l a t e ，a n a l o gs i g n a l p l i f i e dc i r c u i t ，i n t e r f a c e c i r c u i to fl i q u i d c r y s t a ld i s p l a y , s t i c ka n de l e c t r i c a l e h i n e r yd r i v e ，e t c ；s o f t w a r ed e s i g ni n c l u d et h er e s o u r c ed i s t r i b u t i o no ft h e ：r o p r o c e s s o r , t h ed r i v e ro fo u t s i d ee q u i p m e n t ，c o n t r o l l i n gp r o g r a m ，i n i t i a l i z i n ga n d a go f r e g i s t e ro f e a c hm o d u l eo nc h i p ，f o re x a m p l e ，a n a l o gt od i g i t a lc o n v e r t e r ( a d c ) ， s e r i a lp e r i p h e r a li n t e r f a c e ( s p i ) ，f l a s ha n de a c ht i m e r t h e nh a si n t r o d u c e dv a r i o u s 1 l i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t k i n d so fp r o b l e m sa n ds o l u t i o n sm e t w h e nt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r ed e b u g g e d ，l a s t i n t r o d u c e dt h ea n t i - j a r r a n i n gm e a s u r et a k e no nt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h ec o n t r o l s y s t e m t h et h e s i sh a ss u m m a r i z e dt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ec o n t r o ls y s t e ma n dh a s i n d i c a t e dw h e r em a yb en o ts op e r f e c ta n ds h o u l db ei m p r o v e di nt h ec o n t r o ls y s t e mi n a d d i t i o n k e yw o r d s i n t e l l i g e n tc o n t r o l ，e l e c t r o n i c a l l yc o n t r o l l e dg y r o s c o p e t h ed r i v e ro fo u t s i d ee q u i p m e n t ，p h o t o c o d ep l a t e ，f l a s h 1 v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：钟劫 日 期：2 口口占牟f 耳 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 。1 课题研究背景 第一章绪论弟一早三百下匕 i c 生产线上如何不断提高生产效率，降低生产成本，是半导体材料生产及加 工企业经常考虑的问题，粘料机是目前晶体硅片切割加工中重要的设备，与此同 时国外产品价格非常昂贵，不一定适合中国国情，在仪器设备自动化程度迅速提 高的今天，国产仪器通过提高它的测量精度，改善其不合理结构，可以在实际工 作中发挥很大作用。由于集成电路制造工业的重要性，世界各国都比较重视，都 在大力发展各自的i c 制造工业。i c 器件的基础性材料是半导体硅单晶材料，因此， 世界各国对硅单晶材料的消耗量反映了个国家的i c 制造业的规模和工艺水平， 同时各国硅材料生产及硅圆片生产水平也代表了一个国家i c 工业的材料基础的实 力。由于国家的高度重视和积极扶持，我国半导体产业正在快速发展。2 0 0 1 年在 国际电子制造业的不景气情形下，我国电子制造业g d p 是同期的3 倍。我国电子 市场在全球市场中所占的份额由1 9 9 6 年的2 3 上升到2 0 0 0 年的6 9 ；同时世界 集成电路的平均单价为2 6 美元，我国集成电路平均单价由0 4 美元升至0 5 美元。 我国i c 工业具有发展数量的空间和发展技术的空间，这两太空间，决定了我国在 今后一段时期内i c 产业保持快速发展。 从目前国内硅片加工行业来看，在我国具有相当规模的半导体材料生产及加 工企业，对于晶体硅片切割加工中重要的晶体粘料机来说，如何适应市场需要， 提高生产效率，降低生产成本，是目前迫切需要解决的问题。国外的粘料机产品， 尤其是美国设备造价昂贵，不适合在国内推广和应用，因此选择合适的元器件， 设计合理的电路结构，利用软件的灵活性降低硬件的复杂性，最大程度地降低成 本。比较而言，国内产品由于是早期开发，并且对这方面的研究和开发投入都比 较少，设备一直没有进行过什么升级换代，更是存在这样或那样的问题： ( 1 ) 仍然采用机械手轮的方式控制电控回转台运动，对于高精度晶面测量来 说，任何一个微弱的角度偏转，都会导致测量结果严重失真，这里的高精度要求 转过的角度达到秒的数量级( 1 度= 3 6 0 0 秒) ； ( 2 ) 信号测量的精度小，0 至2 5 5 等级，如果精度做得更细，能够把x 射线粒 子进入盖革管后产生的电信号细化得更小，可以更准确地区分信号最大值和其他 区段的数值； ( 3 ) 角度的设置是通过拨码开关预先手动设置，然后装载到系统，因此面板上 1 东北大学硕士学位论文第一章绪论 要占据多个拨码开关的位置； ( 4 ) 显示采用l e d 数码显示，很不直观，并且显示资源有限不可能显示汉字， 更谈不上图象显示： 由此可见，目前仍然有许多地方需要改进，某些方面还可以增加新的功能。 1 2 论文主要工作 针对国内外产品存在的各个弊端，我们采取不同的方案解决。采用电子手轮 替代机械手轮，减少测量时机械连接时带来的误差，电子手轮可以将旋转的角度 转化为脉冲信号，控制器对这些脉冲信号计数再控制转台的旋转角度，这样可以 大大提高测量精度；另外电子手轮产生的是电子脉冲，利用定时器对脉冲数进行 计数然后判断电子手轮转动的快慢，从而控制电控旋转台的高速和低速旋转。 充分利用微控制器内部集成的1 2 位a d 转换，使显示的测量值范围更大。 用面板上的按键替代拨码开关。拨码开关用来设置要装载的初始角度，显示 的角度有度、分、秒，而每一级单位都包括个位和十位，这样一共需要六个拨码 开关，而按键通过增加或者减少键可以直接修改角度参数，通过组合键还可以方 便地扩展其它新的功能。 显示部分采用2 4 0 x 6 4 的点阵式液晶替代l e d 显示，发挥点阵式液晶的灵活 性不但可以实现阿拉伯数字的显示。还可以实现不同字体、不同大小的汉字显示， 如果用户需要或者产品升级还可以进行曲线图的显示等等。 控制系统能够将一定频率的信号输出到扬声器，这样改变信号的频率，达到 改变声音频率的目的，为了使操作人员对变化的声音更加敏感，可以将信号的频 率区间分得更大。 由于x 射线接收的盖革管是阻抗极高的恒流源，它产生的电流极其微弱，放 大前需要经过阻抗变换处理，所以设计了一个专门的信号放大电路。为了减少对 放大信号的干扰，在信号放大电路和a d 转化之间还有一个低通滤波电路，它的 好坏直接影响a d 的输入效果，关系到测量结果的稳定度和准确度。 角度检测电路中，光码盘是必不可少的。光码盘刻线数越高，每转动一周输 出的脉冲数越多，精度也越高，但是价格也随之递增。对光码盘的输出脉冲倍频， 相当于增加了光码盘刻线数，可提高测量准确度，改善测量的动态性能，这样可 以大大降低成本。 不断增加产品的功能，完善其设计结构，方便用户的使用，提高产品的抗干 扰能力，将大大增加产品在市场的竞争力。 本论文完成了控制系统的总体设计，包括硬件和软件的设计，硬件的基本组 成中包括液晶、动态棒柱和电机驱动的接口电路、光码盘信号的处理电路和模拟 2 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 信号的放大电路等等：软件设计中包括对微控制器的资源配置、外部设备驱动程 序、控制程序、芯片内各个模块的寄存器初始化和使用，例如，模数转换器( a d c ) 、 串行外设接e ( s p i ) 、f l a s h 和各个定时器。论文介绍了在硬件和软件调试上遇到 的各种问题以及解决方法，最后介绍了控制系统的在硬件和软件上采取的抗干扰 的措施，另外论文总结了控制系统的特点，指出了控制系统中不够完善、有待改 善的地方。 1 3 论文内容安排 第一章绪论：介绍了课题的研究背景以及论文的主要工作。 第二章粘料机的介绍以及工作原理：介绍了粘料机的基本情况和工作原理，以及 晶体加工中相关的布拉格定律和x 射线衍射原理。 第三章智能控制系统的总体设计：介绍了硬件系统总体方案的设计，包括微控制 器的选型和开发环境的建立。 第四章控制系统硬件电路设计：介绍了硬件电路的基本组成，包括前向通道的电 路设计、微控制器的控制电路设计和后向通道的电路设计。 第五章控制系统的软件设计：介绍了系统软件的功能组成，芯片内部资源的分配 和各个子程序的设计。 第六章系统调试：介绍了系统在硬件、软件调试和系统联调时遇到的各种问题及 解决方法。 第七章系统可靠性抗干扰设计：从硬件和软件两方面介绍了控制系统中所采用的 抗干扰措施。 第八章结束语：总结了控制系统的特点，指出了控制系统中不够完善、有待改 善的地方。 垄些垄鲎塑主兰垒垒查差= 主鳖堡 信号的放大电路等等；软件设计中包括对微控制器的资源配置、外部设备驱动程 序、控制程序、芯片内各个模块的寄存器初始化和使用，例如模数转换器( a d c ) 、 串行外设接口( s p i ) 、f l a s h 和各个定时器。论文介绍了在硬件和软件调试上遇到 的各种问题以及解决方法，最后介绍了控制系统的在硬件和软件上采取的抗干扰 的措施，另外论文总结了控制系统的特点，指出了控制系统中不够完善、有待改 善的地方。 1 3 论文内容安排 第一章绪论：介绍了课题的研究背景以及论文的主要工作。 第二章粘料机的介绍以及工作原理：介绍了粘料机的基本情况和工作原理，以及 晶体加工中相关的布拉格定律和x 射线衍射原理。 第三章智能控制系统的总体设计：介绍了硬件系统总体方案的设计，包括微控制 器的选型和开发环境的建立。 第四章控制系统硬件电路设计：介绍了硬件电路的基本组成，包括前向通道的电 路设计、微控制器的控制电路设计和后向通道的电路设计。 第五章控制系统的软件设计：介绍了系统软件的功能组成，芯片内部资源的分配 和各个子程序的设计。 第六章系统调试：介绍了系统在硬件、软件调试和系统联调时遇到的各种问题及 解决方法。 第七章系统可靠性抗干扰设计：从硬件和软件两方面介绍了控制系统中所采用的 抗干扰措施。 第八章结束语：总结了控制系统的特点，指出了控制系统中不够完善、有待改 第八章结束语：总结了控制系统的特点，指出了控制系统中不够完善、有待改 善的地方。 东北大学硕士学位论文第二章粘料机的介绍以及工作原理 第二章粘料机工作原理介绍 粘料机可以分别工作在工作模式和参数设置模式两种状态下。参数设 置时，通过面板上的不同按键设置或者修改参数。不同的参数可以使设备 适用不同的工作环境，同时符合不同操作人员的使用习惯。参数长期保存 在控制器的f l a s h 中，如果遇到突发事件或者断电，这些参数在系统下次 上电以后仍然可以使用：工作模式下，控制系统完成信号的采样，同时控 制电控回转台的运动，调整晶面角度，得到采集的峰值信号。由于操作人 员对信号的最大值非常感兴趣，这时也正是盖革管接收的x 射线强度最大 的时候，所以控制系统需要及时地告诉操作人员目前的工作状态。 控制系统对角度的测量是通过对光码盘的输出信号进行处理得到的。 光码盘技术指标中的脉冲数是3 6 0 0 p r ( 每旋转一圈，产生3 6 0 0 个脉冲) ， 电控回转台与光码盘之间的转动关系为1 ：1 8 0 ，也就是电控回转台转动l 度，光码盘转动1 8 0 度，产生3 6 0 0 x 1 8 0 3 6 0 = 1 8 0 0 个脉冲，通过前向通道 的4 倍频电路后为1 8 0 0 x 4 = 7 2 0 0 个脉冲，因此，可以知道电控回转台每转 动1 度，微控制器将接收到7 2 0 0 个脉冲，经过换算，微控制器每接收1 个脉冲，电控回转台转动1 7 2 0 0 度，等于3 6 0 0 x 1 7 2 0 0 = 1 2 秒( 1 度= 6 0 分= 3 6 0 0 秒) ，换句话说，控制器检测到的角度精度可以达到半秒的范围。 2 1 布拉格定律 1 9 1 2 年布拉格给出了有关的x 射线衍射斑点实际位置的第一个数学解 释说明【l 】。它的主要意思是：把晶体想象为一组平行而且等距离的原子平 面，并且认为在一个平面上的原子，不管这些原子在那平面中怎么排列， 如果衍射光束遵守反射定律( 反射光线在入射平面中，反射角等于入射 角) ，则散射波是同相的。从图2 1 不难看出，对于经过m 和m 1 两点的 两路光线，在平面7 。和石。之间的路程是相等的。设入射x 射线s 。，它 的点阵平面入射角为0 ，如果有衍射，则衍射光线必须在衍射光线s 的方 向，同时来自相继平面的波长之间必须存在着周相对应的关系。例如在同 一法线上的m 和m 所发射的波的周相，通过m 的波平面为( 石) 以及( 石。) ， 它们依次与衍射光线和入射光线垂直，通过m 的光线路程增加p m 十m g ， 查些垄堂塑主堂堡垒圭 苎三主塑! 垫塑尘塑坚垦三堡墨墨 p 和g 分别是通过m 的光线和( 万：) 平面及( 石) 平面的交点。若d 为平 面间距，则图2 1 可以用下式表示： pm + m7 9 = 2 d s i n o ( 2 11 图2 1 布拉格定律证明 f i g 2 1p r a g u el a wp r o v i n g 如果两个相继的平面散射波以及所有点阵平面散射波的周相一致，则有： 2 d s i n = n 2 ( h 为整数)( 2 2 ) 这也是晶体点阵面产生x 射线衍射的条件，也就是布拉格定律( 也称布拉 格方程或x 射线的反射定律) 。式中n 为衍射的级数( n = l ，2 ，3 ) ，五是 x 射线波长，0 为入射x 射线的入射角，d 为l ，2 晶面间距。布拉格定律 是晶体入射角平面间距与x 射线波长的关系式，是晶体学中x 射线衍射的 最基本公式。 2 2x 射线衍射原理 智能控制系统在工作时，高压变压器产生的高电压加到x 射线管的灯 丝与阳极靶面上，产生x 射线。x 射线通过射线管的窗口，再经过金属狭 缝以及平行光管打到晶体样品上，在符合布拉格公式 s i 棚= 筹2d ( 2 3 ) 、7 时便产生相干衍射。 x 射线测量的基本结构如图2 2 所示。图中b w 是x 射线管的窗口，通 过狭缝变成一束很细光束射到被测晶体x t l 上，如果被测晶体的晶面口位 置正好符合布拉格定律，因此晶面必定产生相干衍射，其衍射线的位置必 定落在计数管的2 口位置上。放置的晶体样品是棒状，所以需要加工设计 东北大学硕士学位论文 第二章粘料机的介绍以及工作原理 专门的样品台，根据需要选择放置的位置，然后将棒状晶体固定，在工作 测量时，晶体样品和样品台都随着s f 自如地转动，以调整0 角的大小，使 射线光束能被盖革计数管所接收。为此，晶体被测表面必须通过旋转轴中 心线( a r ) 转动，光束打到的位置不能移动。被测晶面的0 角可以从液晶 上读出，盖革计数管固定在被测晶面的20 位置。如果某点阵面平行于被 测面，则读数a 等于某晶面的理论布拉格角臼。计数管所接收到的衍射线 的位置为2 0 ，该面的反射强度由液晶显示。 j荼7 。忒t 掣 。 图2 2x 射线测量的基本结构图 f i g 2 2 t h eb a s i cs t r u c t u r eo fm e a s u r e dx - r a y s 2 3 粘料机的工作过程 粘料装置主体装在电控回转台上和主轴相连。料板装在粘料装置上 部。晶棒放在料板上，x 射线粒子可以照射晶棒的晶面，料板的角度可以 通过电子手轮调节，由液晶显示。当上述入射角和晶面交角符合布拉格公 式时便产生相干衍射线，衍射线进入盖革管后，盖革管将产生极其微弱的 电流，当盖革管接收到的射线强度最大时，可以产生最大的电流，如果液 晶显示的测量值达到最大状态，即找到了晶棒在料板上最精确的位置。 操作人员可以快速或者缓慢地旋转电子手轮，从而控制电控回转台的 快速或缓慢地转动，回转台转动的方向和电子手轮的方向一致。回转台角 度的变化将导致回转台上晶棒晶面与x 射线入射角的变化，从而影响到盖 革管接收到的x 射线强度拉j 。 东北大学硕士学位论文第三章控制系统的总体设计 第三章控制系统的总体设计 3 1 硬件系统总体方案设计 粘料机控制系统要处理光、机、电三个方面，完成x 射线变为电信号后的数据 采集，电控回转台的驱动控制。整个系统由音频放大、棒柱显示、l c d 液晶显示、 手动旋钮、面板控制按钮、电机驱动、信号放大和低通滤波等部分组成，控制系 统组成如图3 1 。由于需要较多的i o 口、中断和定时器资源，系统的控制部分由 c y g n a l 公司的8 0 c 5 1 f 0 0 5 ( 以下简称f 0 0 5 ) 来实现。f 0 0 5 系歹l j 单片机采用8 0 5 1 内核， 片内具有3 2 k 在系统可编程f l a s h 、1 2 位a d 、1 2 位d a ，集成有u a r t 、s p i 总线 接口等，利用它可方便的与多种外设接口 3 1 o 图3 1 粘料机控制系统组图 f i g 3 t t h es b - u c t u r eo f c o n t r o ls y s t e mm o d u l eo f s i z i n gm a c h i n e 东北大学硕士学位论文第三章控制系统的总体设计 系统充分发挥f 0 0 5 的控制和接1 2 1 功能，完成各种面板按键的响应、采集后的 信号大小通过声音、棒柱和液晶显示反映给用户。通过电子旋钮控制电控旋转台 运动，使旋转台可以在正、反方向上旋转，调整晶面与射线的角度。 由于液晶显示模块要占用十多个i o 口，i o 的资源就变得比较紧张，为了减少 对i o 口的使用，棒柱接口将通过f 0 0 5 的i s p 串口来驱动专用数码管显示电路 m a x 7 2 1 9 实现。m a x 7 2 1 9 是八位串行共阴l e d 数码管动态扫描驱动电路，其峰值 段电流可达4 0 m a ，最高串行扫描速率为1 0 m h z ，典型扫描速率为1 3 0 0 h z ，仅使用 单片机3 个i o 口，即可完成对八位l e d 数码管的控制和驱动。 盖革管加上工作电压时，并不产生电流，当x 射线粒子进入盖革管后，将管内 所充气体分子电离成正、负离子，因而产生微弱电流，经过放大器放大、低通滤 波后进行a d 转换。而m a x 2 9 1 是m a x i m 公司新推出的应用非常广泛的8 阶低通型 开关电容滤波器。这种芯片性能优越，使用方便，可以很好地实现低通滤波功能。 倍频和方向提取电路的元器件采用触发器，与非门等集成片，这种技术比较 成熟，实现起来也比较方便，而且降低了设备成本。 3 2 微控制器的选型 通过对总体方案设计，系统对微处理器的数据采集以及数据存取速度有一定 要求，因此选择合适的微控制器也是实现整个智能控制系统成功的关键，通过从 下面几点比较，我们采用混合信号系统级芯片c 8 0 5 1 f 0 0 5 作为微控制器1 4 j 满足系 统系统设计要求，f 0 0 5 的内部结构如图3 3 。 1 、采用c i p 5 l 内核大力提升c i s c 结构运行速度 迄今为止，m c s 5 1 已成为8 位机中运行最慢的系列。为了提升速度，d a l l a s 公司平i i p h i l i p s 公司采用传统的改变总线速度的办法，将机器周期从1 2 个缩短到4 个和6 个，速度提升有限。s i l i c o nl a b 公司在提升8 0 5 1 速度上采取了新的途径，即 设法在保持c i s c 结构及指令系统不变的情况下，对指令运行实行流水作业，推出 了c i p 5 1 的c p u 模式。在这种模式中，废除了机器周期的概念，指令以时钟周期为 运行单位。平均每个时钟可以执行完1 条单周期指令，从而大大提高了指令运行速 度。即与8 0 5 1 相比，在相同时钟下单周期指令运行速度为原来的1 2 倍；整个指令 集平均运行速度为原来8 0 5 1 的9 5 倍，使8 0 5 1 兼容机系列进入了8 位高速单片机行 列。四种单片机最高执行速度比较如图3 2 。 东北大学硕士学位论文 第三章控制系统的总体设计 m i p s 2 5 2 0 1 5 1 0 5 厂 厂 一 一 c y g n a l c i p 一5 l 2 5 姗i z 晶振 k l i c r o c h i p p i c l 7 c 7 5 x 3 3 m h z 晶振 p h i lj p s 8 0 c 5 1 3 3 哪z 晶振 a d u c 8 1 2 8 0 5 l 1 6 m h z 晶振 图3 2 四种单片机最高执行速度比较 f i g 3 2c o m p a r i s o no fp e a km c u e x e c u t i o ns p e e d s 2 、i o 从固定方式到交叉开关配置 迄今为止，i o 端口大都是固定为某个特殊功能的输入输出口，可以是单功能 或多功能，i o 端口可编程选择为单向双向以及上拉开漏等。固定方式的i o 端口， 既占用引脚多，配置又不够灵活。为此，s c e n i x 公司在推出的8 位s x 单片机系列中， 采取虚拟外设的方法将i o 的固定方式转变为软件设定方式。而在c y g n a l 公司的 c 8 0 5 1 系列中，则采用开关网络以硬件方式实现i o 端口的灵活配置。在这种通过 交叉开关配置的i o 端口系统中，单片机外部为通用i o i ，女l l p o i ：3 、p 1 口年1 t p 2 口。 内有输入输出的电路单元通过相应的配置寄存器控制的交叉开关配置到所选择的 端口上。 3 、从传统的仿真调试到基于j t a g 接口的在系统调试 c 8 0 5 1 系列在8 位单片机中率先配置了标准的j t a g 接口( i e e e l l 4 9 1 ) 。引入 j t a g 接口将使8 位单片机传统的仿真调试产生彻底的变革。在上位机软件支持下， 通过串行的j t a g 接口直接对产品系统进行仿真调试。c 8 0 5 1 系统的j t a g 接口不仅 支持f l a s hr o m 的读写操作及非侵入式在系统调试，它的j t a g 逻辑还为在系统 测试提供边界扫描功能。通过边界寄存器的编程控制，可对所有器件引脚、s f r 总线和的口弱上拉功能实现观察和控制。 东北大学硕士学位论文 第三章控制系统的总体设计 图3 3f 0 0 5 的内部结构 f i g 3 ，3 i n t e r n a ls t r u c t u r eo f f 0 0 5 f 0 0 5 的典型特性： ( 1 ) 2 5 m i p s8 0 5 1c p u ( 2 ) 3 2 k 字节f l a s h ( 3 ) 2 3 0 4 字节r a m ( 4 ) u a r t ，s p i ，s m b u s 1 2 c ( 5 ) 4 个1 6 位定时器 ( 6 ) 可编程计数器阵列( p c a ) r 7 13 2 个i o 口 ( 8 ) 1 2 位a d c ； ( 9 ) 1 2 位d a c ( 1 0 ) 比较器；电压基准；温度传感器 ( 1 1 ) j 1 a g 非侵入式在系统调试 ( 1 2 ) 一4 0 。c 到+ 8 5 ；t q f p - 6 4 封装 3 3 开发环境的建立 c y g n a l 集成开发环境 d e 集成了源代码编辑器、源代码级调试器和在系统 f l a s h 编程器。同时支持第三方编译器和汇编器的使用，此开发环境包含k e i la 5 l 宏编译器、连接器和评估c 5 1 版本的c 编译器【5 1 。 1 、系统要求 c y g n a li d e 要求运行m i c r o s o f tw i n d o w s9 5 9 8w i n d o w sn t 或者w i n d o w s2 0 0 0 1 n 东北大学硕士学位论文 第三章控制系统的总体设计 的奔腾级p c 主机有一个可用的c o m 端口( 1 4 ) 。 2 、汇编程序和链接程序 c y g n a li d e 包含了一套完全版的k e i la 5 1 宏汇编器和b l 5 1 连接器它们都能在 安装i d e 时同时被安装上，关于汇编器和连接器的参考手j l | 可以参考c y g n a li d e 的h e l p 菜单或c y g n a l k h l p 目录。 3 、在c y g n a li d e 上使用k e i l8 0 5 1 软件工具 为了在i d e 下实现源代码级调试，必须配置k e i l8 0 5 l 工具以生成一个带有目标 扩展名的o m f 5 1 格式的绝对目标文件，然后才能调试。可以使用i d e 项目管理器 或者在命令行中( 比如批处理文件或生成文件) 调出k e i l8 0 5 1 工具来生成o m f 5 1 绝对目标文件。在使用c y g n a li d e 项目管理器时，默认的配覆会激活目标扩展名， 然后就可以调试了。 为了使用c y g n a li d e 项目管理器建立一个绝对目标文件，必须首先新建一个项 目。该项目包含一系列文件i d e 配置调试界面和一个目标生成配置。( 当建立一个 输出目标文件时，这些文件和工具配置被作为输入，送到汇编程序、编译程序和 链接程序中) 。以下是新建一个或多个源文件、编程及下载程序到目标板调试所 必须的步骤。( 如果在定义一个项目前选择b u i l do rm a k ep r o i e c ti d e ，会使用当前 打开的文件或激活的原文件生成一个单文件项目。) ( 1 ) 生成一个新项目 选择f i l en e wf i l e ，打开一个编辑窗口建立并保存源文件。( 一旦文件被 加上c ，h 或a s m ，扩展名保存关键的语法会自动变成彩色。) ( b ) 右击项目窗u ip r o j e c tw i n d o w s q b 的n e wr o j e c t ，选择a d df i l e sl op r o j e c t ，然 后在随后的文件浏览窗口中选择一个文件加入项目并单击打开。 ( c ) 选择你想加入文件的文件组f i l eg r o u p ，单击a d dg r o u p ，重复步骤2 和步 骤3 ，将你要的文件加入到项目中。 ( d ) 右击p r o j e c tw i n d o w s 里的每一个想要汇编、编译和链接的文件然后选择 a d df i l et ob u i l d ，每个文件都会根据它的扩展名被相应的编译或汇编，并且被链接 到绝对目标文件上。 ( 2 ) 建立并下载调试程序 一旦所有的文件都被加到目标生成里，单击工具栏上的b u i l d 按钮( 或选 择p r o j e c t - b u i l d m a k ep r o j e c t ) ，生成目标文件并下载程序到目标硬件中。 默认状态下，如果程序编译成功，i d e 将自动连接目标硬件并下载程序( 这 项功能可以被禁止，在p r o j e c t t a r g e tb u i l dc o n f i g u r a t i o n 对话框中，选择e n a b l e a u t o m a t i cc o n n e c t d o w n l o a da f t e rb u i l d ) 。如果程序在编译时有错误，那么i d e 不会 下载程序。 东北大学硕士学位论文第三章控制系统的总体设计 图3 4c y g n a l 的开发环境 f i g 3 4c y g n a ld e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ( b ) 当调试结束时，保存项目其实就是保存目标配置、编辑器设置和所有打开 的调试窗口的位置。需要保存项目时右击p r o j e c tw i n d o w s 中的n e wp r o j e c t ，然后 单击s a v e 船p r o j e c t 。 东北大学硕士学位论文第四章控制系统硬件电路设计 第四章控制系统硬件电路设计 4 1 硬件电路的基本组成 控制系统的硬件总体结构见下图4 1 所示 图4 1 硬件总体结构 f i g 4 1 t h et o t a ls t r u c t u r eo f h a r d w a r e 由上图可以看出控制系统的硬件主要由以下几部分组成： ( 1 ) 前向通道，包括将x 射线转换为电信号所经过的放大电路、低通滤波电 路，光码盘信号经过的倍频电路和码盘方向提取电路； ( 2 ) 微控制器的控制电路，其中包括按键和电子手轮的接口以及人机交互模 块，液晶显示、棒柱显示的驱动电路、声音放大电路； ( 3 ) 后向通道，主要是执行机构的电路接口，通过电机驱动器完成对电控制 回转台的控制。 4 2 前向通道的电路设计 前向通道是控制系统的信号采集通道，将采集的信号分别进行采样、处理和 东北大学硕士学位论文第四章控制系统硬件电路设计 变换，然后通过i o 口送给微控制器。在设计的控制系统中，前向通道由模拟信 号输入通道和数字信号输入通道组成。 4 2 1 模拟信号输入通道 4 2 1 1 模拟信号输入接口与前置放大电路设计 在本系统中，当x 射线粒子进入盖革管后，将管内所充气体分子电离成正、 负离子，因而产生微弱电信号，在输入给微控制器前，需要将微弱信号进行放大 再进行模数转换种。设计的前置放大电路如图4 2 所示。 调霉电位船 图4 2 前置放大电路 f i g 4 ，2 f r o n ta m p i i 毋c i r c u i t 因为盖革管本身是阻抗极高的恒流源，他产生的电流极其微弱，放大前需要 进行阻抗变换处理，因此前一级运放c a 3 1 4 0 主要实现这一功能。根据理想运放输 入不取电流的特点，可以知道流过电阻r 1 和r 5 的电流相等，根据v - = v + = o ，尽管 反相端不接地，但是他与地等电位，将反相端称为“虚地”【7 】。利用上述特点，可 知这级的放大倍数为r 1 r 5 ，由于该运放主要实现阻抗变换处理而不是信号放大功 能，这里设计r 1 r 5 = i ，另外由于并联负反馈的作用，使反相输入放大器的输入电 阻减少，输入电阻完全有r 5 决定，为了和盖革管相匹配r 5 取1 m 。运放的同相端 1 4 查些叁兰塑主鲎堡堕查苎! 主丝型墨丝堡堡皇整堡苎 通过r 6 接地，r 6 称作补偿电阻或者平衡电阻，它的值为r 1 r 5 ，以保证同相端 和反相端的外接电阻相等，使运放处于对称工作状态，从而消除了运放的输入偏 置电流不对称及其飘移影响。 运放l f 3 5 6 n 主要实现信号的放大功能，通过上面分析，采用级放大电路的 方式，输入电阻不可能太高，特别是闭环放大倍数要求很大时，提高输入电阻就 更困难【8 l 。例如，要求反相放大器的输入电阻为2 0 0 k ，闭环放大倍数为- l o g ，这 样就应该选择r 5 = 2 0 0 k ，r i = 2 0 m 。r 1 取如此大的数值，不仅会加大对输入偏置电 流、失调电流机及其漂移的影响，产生直流运算误差，而且当阻值过高时，其精 度不可能很高，这将直接影响到闭环放大倍数的精度。因为当r 5 值太大时，运放 输入电阻理想化条件不能满足，即运放的输入端将产生分流，不再等于零，这将 带来不可忽视的运放误差。为了解决这个矛盾，运放l f 3 5 6 n 的电路和运放c a 3 1 4 0 有所不同，采用t 形反馈网络的反相放大器。 在图4 2 中，采用r 2 、r 1 1 、r 1 2 组成的t 形网络