（检测技术与自动化装置专业论文）静电探针自动测量仪的研制.pdf

摘要 摘要 目前等离子体在半导体加工、材料改性、低温杀毒阻及污染治理等诸多领域 的应用研究蓬勃发展，等离子体中的电子密度、电子温度、悬浮电位等特性参数 与应用对象有着直接密切的关系，因此对等离子体特性参数进行诊断，不仅对等 离子体的基础研究。而且对等离子体的应用研究都是十分必要的。 静电探针是一种最为基本和可靠的等离子体特性参数诊断工具，具有广泛的 成用价值。国内在该领域基本采用手动测量的方式，测量速度慢、效率低、精度 不高。本文采用a r m 微处理器，针对静电探针测量系统的实时、可靠和通用的性 能要求，设计并研制出了一种静电探针自动测量仪，该测量仪在实际中得到了应 用，使用效果达到了预期目标的要求。 测量仪主要由一块控制板和一块测量板组成。控制板采用基于a r m 9 内核的 a t 9 1 r m 9 2 0 0 ，提供以太网、u s b 接口、串行接口和c a n 总线接口。测量板主要实现 扫描电压输出，电流信号采集以及机械扫描等功能。控制板一方面可以通过以太 网接口、u s b 接口、串行接口或者c a n 总线接口接收从终端设备发来的命令，完成 相关操作：另一方面把测量扳测得的数据传给终端设备，在终端设备上显示测量 蓝线，并计算等离子体特性参数。 软件方瑟，控制板移植了l i n u x 操作系统，完成了瞳太随接口、u s b 接口、串 行接口、c a n 总线接口驱动程序的设计班及实现测量功能源代码的编写工作。 针对测量仪使用环境较复杂、有些场合干扰信号很大的特点，通过软硬件 相结合的方式，其体进行了抗干扰技术的研究与设计，取得了较好的效果。 关键谲；等离子体静电探针 a r ml i n u xu s bc a n以太嘲 信号采集 机械扫描a t 9 l r m 9 2 0 0 抗干扰 。一 垒堡! 坠堕!。一 _ _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 a b s t r a c t c u 嗍t l y ，血er e s e a r c ho fp l 栅aa p p l i c a 虹o nh a sd e v e l o p e dr a p i d l y 证v 矾o u s 丘e l d ss u c ha ss e m i c o n d u c o fp r o c e s s i n g ，m a t e r i a l sm o d i n e d ，l o w - a n t i v i m sa n d l l u t i o nc o n 仃0 1 t h ec h a r a c t e r i s t i cp 撒m e t e r so fp l a s m a ，i n c l u d i i 培e l e c 细nd e l l s i t y ， e l e c t f o nt e n l p e r a l i l r e ，丑o a l i n gp o t e n t i a l 撇，锄e l o s e l ya s s o c i a l e d 谢出a p p 骚咖i o n 幽e c t s t h e f e 妇e ，玉a g n c 如gp l 鑫蛐ap 瑟勰嗽k 键i t i c a l 丑o to 啦t o t l l c 内n d a m e n t a ls t u d yo f p l a s m ab h 童西s o 蛔m ep l 鑫s m aa p p l i c a t i o n r e s e a r c h t h el a n g n l u i rp r o b ei sak i n do f m o s t 血n d 黝e n t a la n dr e l i 曲l ed i a g s l i c 细l t o 撖e a s u r ep l a s m ap 黝e t e r s 砌c hh a s 铱把蹦v ev a 王u ei nu s e 。h o w e 嘲d o m e s t i e r c 燃k r sa r e 姬 lu s i n gm a n u a lm e a s l 重f _ c m e n tm e 岫di nt h i sf i | e d ，w h i c hf c a h 王麟雏 王o wi ne 氆c i e 眦ya n da c c u r a c y i nm i st h e s i s ，8s t a t cp r o b ea u 妇m 猫cm 洲n g i n 曲嘲e mi sd e s i g n e db a s e do f la r mm i c r o p r o c e s s o rt 0m e c t t h er e q u i r e m 黜瞳s u c ha s r e a l 。t i m e ，r e l i a b l ea n dc o m m o np e r f o m 拼啪m es f a l i cp p 曲e a u t o 】龇n cm e 豁嘶n g s v s t e m ，皿ei n s 馆u m e n th a sb e e n 唧1 i e di np r a c t i c e 锄d 也er e s u l tm e e t s t h ee x p e 噼d g o a l t h em e a s u r i n gi n s t r u m e n tc o n s i s t so fac o n 打o lb o a r da n d am e a s u r i n gb o a r d - t h e c o m f o lb o a r d1 l s e sa t 9 1 r m 9 2 0 0 ，w h i c hb a s e so na r m 9 k e r n e i ，t op r o v i d e 默h e r 【圮t ， u s b s e r i a la n dc a nb l l si m e r f 沁e s t h cm e a s u r i n g b o a r dm a i n l yr e a l i z e s 也e f u n c t i o na ss c a n n i n gv o l f a g eo u t p u t ，t h ec 峨n ts i g n a la c q u i s i t i o na n dm e c h 撕c a l s c 籼i i l g 髓ec o n 加lb o 盯d ，o nt l l e 鲫eh 觚d ，r e c e i v e sc o m m a n d s 肋m t h et e 枷n a l e 舢p m e n tt h r o u 幽t h ee 岫m e t ，u s bh o s t ，u s bs l “e ，s e r i a l o rc a nb u si n t e 舭e 8 t oc o m 口l e t e 恤er e l e v 锄to p e r a t i o n s ；o nt h eo m e rh a i l d ，i ts e n d s 也em e a s l l r e dd a t at o m et e n n i n a ie q u i p m e n t t h em e 删瑚1 e n tc u r v e i sd i s p l a y e do nm et e 蛐i i l a l e q u i p m c n ta i l dp a r a n n e t e r so f t h ep l a s m a r ec a l c u l a t e d i ns o f l w a r ea s p e c t ，m ec o n lb o a r dt r a i l s p l a n t st h el i n u x 。m b e d d e d0 p e 枷n g s y s t e ma n dc o 唧i e t e st h ed r i v c r sd e s i g i lo f 也ce t h e m e 匕u s b ，s e d a l 枷c a n b u s n 论文原创性和授权使用声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工 作所取得的成果。除己特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对 本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即： 学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名：隘： 猁年拥呷日 第l 章绪论 1 1 低温等离子体概述 第一章绪论 等离子体是由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的正负电子组 成的离子化气体状物质，它是在固、液、气三态之外，物质存在的第四态。因为 电离过程中f 离子和电子总是成对出现，所以等离子体中正离子和电子的总数大 致相等，总体来看为准电中性。反过来，我们可以把等离子体定义为：正离子和 电子的密度大致相等的电离气体。其实，人们对等离子体现象并不生疏。在自然 界里，炽热烁烁的火焰、光辉夺目的浏电、以及绚烂壮丽的极光等都是等离子体 作用的结果。等离子体可分为两种：高温和低温等离子体。人们把带电粒子温度 为1 1 0 e v 的称为低温等离子体；温度为o 1 1 0 k e v 的称为高温等离子体 1 ，2 ，3 。和本文讨沦相关的是低温等离子体。 低温等离子体是一门蓬勃发展的应用科学，它已在传统和高科技领域得到了 广泛的应用。目前，低温等离子体应用研究开发所涉及的领域包括：环境保护、 材料的表面改性、建筑装饰材料、化工、纺织等等。 对等离子体参数的测量方法有：静电探针、微波、光谱等等 1 ，2 ，4 】。其中静 电探针因结构简单，能在大的条件范围工作以及能对等离子体的各个部位进行测 量等优点而得到了广泛的应用，静电探针的理论相当复杂，但简单条件下，可以 从探针的伏安特性曲线训算出等离子体的电子温度、电子密度和悬浮电位等重要 参数 5 ，6 。特别是在低温等离子体研究中，是一种十分有用的诊断手段。下面将 介绍静电探针的测量原理。 1 2 静电探针测量原理 1 2 1 单探针测量原理 我们在深入等离子体中的静电探针木端接上如图1 1 所示的电路就构成了 单探针测量电路 1 ，4 ，7 ，8 ，9 ，1 0 ，1 1 】。调节加在探针上的电压值，假设调节电压值的 过程中，等离子体的状态保持稳定，对应探针的电位，记录下电流表上对应的探 针电流值，根据此可得到探针的i v 曲线，如图1 2 所示。 第1 章绪论 探针电谴w 探针电压1 1 】i 图1 1单探针测量电路图1 2 单探针测量效果图 根据朗缪尔( l a n g m u i r ) 单探针测量理论，通过单探针测量进行等离子体参 数的计算，是在单探针与真空室管壁两端施加一从一5 0 v 到+ 5 0 v 的锯齿波扫描电 压，然后测出流过探针与所加电压值对应的电流值，由此描出所谓的单探针“伏 一安”特性曲线，根据此曲线再进行具体计算。 电子温度( 单位；屯子伏特) ：后z = 一( 1 n ( 。i ) ) ( 1 i ) 圪：等离子体的浮悬电位，单位：伏特。 悬浮电位就是流过探针的电流为零时所施加在探针端的电压值，对应为曲线 上y 轴值为零时的x 轴上的值。 l ：电子饱和电流，单位：安培。 l 取3 5 v ( x 轴为3 5 v 左右的函数平均值) 与2 5 v ( x 轴为2 5 v 左右的平均值) 之间的切线与零点的切线的交点。 z ：离子饱和电流，单位：安培。 取一3 5 v ( x 轴为一3 5 v 左右的函数平均值) 与一2 5 v ( x 轴为一2 5 v 左右的平均 值) 之间的切线与零点的切线的交点。 一般情况下，单探针测量等离子体的密度范围为：1 0 ”t o5 l o ”肌3 ，在 获得较好的单探针扫描盐线的情况下，按照上述方法测电子温度七z 的值。 1 2 2 双探针测量原理 静电探针的双探针测量方法是在单探针测量方法的基础上发展起来的，它是 测量等离子体参数一种方便实用的方法。静电探针的双探针测量的主要优点【4 】： ( 1 ) 能够测得等离子体中某一小体积范围内的电子温度； ( 2 ) 探针上的电子流始终小于饱和电子电流，且不超过饱和正离子电流， 因此对等离子区的干扰很小； 2 第l 章绪论 理论上该两点的僮大小相等，符号相反。求出两条直线的交点。对应的电流值作 为魄帮离子电流僮。 e ：电子的电荷薰，8 = 1 6 1 旷悖。 a i “ | 如2 0 ：为“茯安”特性麴线过零点时豹斜率4 电子密度( 攀佼：电子数翩3 ) ：一8 = ( 1 3 ) s ：探针截面积，一般为裸露探针丝长度与其周长的乘积，摹位势：m 2 。 m i ：被溯等巍子体中离子的质量，等于工传气俸暴子量与氢离子质豢豹乘积。 k t e ：被测等离子体中电子的温度。 离子密度( 单位：离子数m 3 ) ：n i - n e ，z 。 z ；电子电蒋数。 l 。3 国内外发展现状以及发展趋势 1 国乡 发展现状 美国s c i e 崩纛cs y s t e m s 公司生产的s m a r t 跏b c 攥针测量系统7 】，可测量 直流放电，射频放电，微波放电以及脉冲放电形式下的等离子参数，提供r s 2 3 2 接口，有岛清洗功熊。 英国h i d e n a n a l ”i c 越公司生产的e s p i o n 商缀g m u 拓探赞f l s 】，可快速、 可靠、精确地进行等离子体诊断，获褥数据速度1 5 s c a i l “s ，h i d e n 在被动射频补 偿方露处予领先地位，兵霄最高的屏蔽阻抗。有自清洗功能，可防止探针尖端污 染。通过r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、n h e m e tl a n 和e s p s o 最软件控制。 韩国p l a s m a f t 公司生产的s l p 2 0 和d l p 2 0 0 0 【1 9 】，扫撼范围5 0 v 丹5 0 v ， 繁有机械扫搓系统，s 4 0 删n ，s 最大搽针电流2 5 n 呱，带鸯自清洗功能，时闵 在o 1 5 s 范围。提供r s 2 3 2 接口。 2 国内发展现状 农国内，通用的静电探针自动测量系统还没骞。正在搜用l 柚g m u i r 探针测 量系统体积庞大，多用p 实现，溺量精度低，抗干扰控能不足，没有蠹清洗 功能，探针容易受到污染。 目前，还有很多的研究人员尚使用手动测量的方式开展工作，该方式效率 4 第l 章绪论 低下、准确度低、不能实时反映等离子体特性。 3 发展趋势 以自动测量方式代替传统的手动测量方式。提高设备的通用性，使之能够 满足在直流放电，射频放电，微波放电等其它放电方式下等离子参数的测量要求： 缩短系统测量的时间，适应脉冲放电形式下等离子体参数测量的需要；增加机械 扫描系统，使探针能够测量出被测设备等离子体参数的空间分布：提高系统的抗 干扰性能，使数据更加准确高效；提供丰富的外围接口；提供友好的操作界面； 向通用型、智能化方向发展。【1 7 ，1 8 ，1 9 ，2 4 ，2 5 】 1 4 本文的主要工作内容 1 4 1 本文的研究目的和意义 目前，等离子体在对金属、微电子、聚合物改性，聚合、生物功能材料相 容性处理，低温杀毒以及污染治理等诸多领域有着广泛地应用，相关的的研究与 开发工作发展迅速。 静电探针是最早被用来进行等离子体特性测量的一种诊断工具，可以从探 针的伏安曲线计算出等离子体的电子温度，密度，空间电位和悬浮电位等重要参 数。 静电探针测量因其系统构成相对简单、经济耐用，而成为低温等离子体研 究中一种很常用的诊断工具，对深入开展等离子体的应用研究具有十分重要的意 义。 1 4 2 本文的主要内容 1 建立静电探针自动测量仪的软、硬件平台。 2 进行静电探针测量仪通用性方面的研究，适合在直流放电、射频放电、 微波放电等等离子等放电形式下等离子体参数的测量，重点研究在射频放电形式 下，抗干扰能力的提高，以及数据快速，准确，实时的获取。 3 对探针自清洗功能进行研究，使得探针能够长时间有效的工作，提供 r s 2 3 2 等通用型接口，便于系统扩展和二次开发。 4 对在线故障检测和全生命周期产品监测等新功能进行初步研究。 预期成果：建立静电探针自动测量仪的测试平台，能够完成探针自清洗功 能。能够测量，显示数据。能够和上位机进行通信【2 1 ，2 2 ，2 3 】。 笙! 童跫生堡笪旦垫型量垡堕查墨堡生 第二章静电探针自动测量仪的方案设计 2 。1 测量仪的功能要求 根据国外静电探针自动测量系统的性能指标，以及国内楣关研究人员的实践 经验及建议，对静电探针自动测量仪提出以下设计要求： 1 1 能够测量在射频放电以及微波放电形式下的等离予体特性曲线，重点研 究射频放电形式： 2 ) 探针扫描电压：三个量程3 5 v 计3 5 v ；- 5 0 v 计5 0 v ；- l o o v l o o v ； 3 1 最大探针扫描电流：3 0 m a ： 4 ) 测量仪具有静电探针自清洗功能； 5 ，测量仪具有空间枫缀扫描功能； 6 1 提供多种通信接口，便于系统扩展，比如：串口，网口，u s b 口等【1 7 ，1 8 ，1 9 2 2 测量仪的硬件平台设计 根据上述功能要求，设计测量仪硬件平台如下。静电探针自动测量仪有一块 控制板和块测量板组成，控制板采用3 2 位m t m 9 微处理器a t 9 1 r m 9 2 0 0 ，提供以 太网接口，u s b 主视接口，u s b 从机接口，串曰和c a n 总线接口。测量板主要完成扫 描电压输出，电流信号采集以及机械扫描功能。控制板和测量板直接通过排线相 连。系统框图如图2 1 所示： 6 1 终端设备 第2 霸胡薛甜雌自鸲羹瞽夜餐班霞强 蠹j ；蟹铆铸霉 菇君删曼哇登萄鳃养藤父管蒙； ；l 荫搀诮“醣雏基辑矍a t 篡：藩蘩。鍪美蹩瓠舾蠹萋鬟鹾耋妻琴羁燃犁朝r 霉；瞒罐燮举狮氲；亍趔喾骚喇i 灯珂捌嘞理嚆渤悖惺；西蓦曩磊掣驰嚣。 崔l 篓i 囊与加数该鲰娄妻j e 誊忙型鬻垲咄毳霉i i i 篓篓剐豁矍誊引斟五【二蜀 冀孺零演鳓矧配豁；孜痛讲懈强刑呵喻手瓤爷荆；= i ? i i i 匾，耐二j 蓥i i ! 浇霾i 囊诣墅鞋黥酷能螅基妻戥矧拦捌可则能j 鬻巍掌蜜乔量；美葫鳓 t ；耋k 。l 霉：t l b 蟊凝j 羹。；蓁美雾i i 女薹翳塑羹翼塑磊律i ：轷墼耍蓄举各孕蚕 铅霎函鸲；馁 i ； 翟萼善缝徉钱j 毫i 五渐拼引鲁囊嚣测量仪的j 拜射蠢舔翥谬一讦羹籁操作系统悬揭唾资 狎錾囊翌；烈錾壁娄摇捌蜉仟堪簧随哺懦弓徕淀雠弼囊纛嚆理鬈；堡盟i | 非雏 鹏 鬟藓矫伟翥羹蠢j 薹l 魏舅蓟墅， l l 霉螽i 茹棼l 专g 罐震霪窒i ! l k 陵老痈商孺携；茵此疆秘朗惦辫。序开发疆整 个系统设计过程叫必不可少盟蜘羔j 誊斟r 基娄囊；氧；矍蠢薯霎雾蠢蝎鞋】e 陵錾喜羹羹咱醚孵鸱骗矫静阿秘一齐趣f = i 虬而_ 烈j 蔷：哽 | ；莹刘刚e f 蠢塞；i f 摘| l l 朔勤雕豫甜酲k 毓：鄙分圭晕冠腐趔莩但 复；氇孺罄肇丕恻哩停协俅时雠j 囊甄茁卿蓁前雀趔瓣瞄薹雩简；诈鬻酶稽息香 百：丽秆薷德豢缘带雨； 囊；萎薹纂鋈篓黧萋霎彭羹擎 蔷雕 x 第3 章静电探针自动测量仪的硬件平台设计 第三章静电探针自动测量仪的硬件平台设计 静电探针自动测量仪硬件平台主要分为两个部分：控制板和测量板。本章将 对这两部分的设计过程，进行详细的阐述。 3 1测量仪的控制板设计 控制板主要为测量板提供相关的控制信号，并把采集的数据通过串口、u s b 口、网口或c a n 接口传送给终端设备，便于数据的进一步分析和处理，下面主 要详细描述控制板的设计过程。 3 1 1 最小系统设计 最小系统是保证微处理器可靠工作所必须的基本电路。基于a t 9 l r m 9 2 0 0 的最小系统由a t 9 1 r m 9 2 0 0 、电源电路、晶体振荡器电路、复位电路、j 1 a g 接 口、s d r a m 、f l a s h 、串行调试接口等电路组成，其最小系统框图如图3 1 所 不a 叫s 。队m - 电源电路卜+ 叫：f l a s h - 晶振电路卜 a t 91 r m 9 2 0 0 一，n g 接口。j | j 复位电路卜- 峥 一串行调试接口 图3 1a t 9 l r m 9 2 0 0 最小系统框图 1 ) a t 9 l r m 9 2 0 0 简介【2 6 】 a t 9 1 蹦9 2 0 0 是基于a r m 9 2 0 t 的a r m 9 微处理器。它有丰富的系统与应 用外设及标准的接口，从而为低功耗、低成本、高性能的计算机宽范围应用提供 一个单片解决方案。 t 9 1 i t m 9 2 0 0 包括一个高速片上s r a m 及一个外部总线接口( e b i ) ，以完成 应用所要求的片外存储器和内部存储器映射无缝连接。e b i 有同步d r a m 9 第3 章静电探针自动测量仪的硬件平台设计 ( s d r a m ) 、b u r s t f l a s h 及静态存储器的控制器，并设计了专用电路以方便与 s m a 阿垤e d i a 、c o m p a c t f l a s h 及n a n d f l a s h 连接。 高级中断控制器(aic)通过多向量，中断源优先级划分及缩短中断处理传输 时间来提高arm920t处理器的中断处理性能。 外设数据控制器( p d c ) 向所有的串行外设提供d m a 通道，使其与片内或片 外存储器传输数据时不震经过处理器。这就减少了传输连续数据流孵处理器的开销。包含双指针的p d c 控制器极大的简化了a r 9 1 r m 9 2 0 0 的缓冲器链接。 并行io(p10)控制器与作为通用数据的io复用外设输入输出口线，以最大 程度上适应器件的配置。每条口线上包含有一个输入交化中断、开漏能力及可编程上拉电阻。 电源管理控制器( p m c ) 通过软件控制有选择的使能禁用处理器及各种外 设来使系统的功耗保持最低。它用一个增强的时钟产生器来提供包括慢时钟( 3 2 m z l 在内的选定时钟信号，以随时优化功耗与性能。 at9lrm9200集成了许多标准接口，包括usb2o全速主机和设备端口及与 多数外设和在网络层广泛使用的10loob a t 以太网媒体访问控制器( m a c ) 。 此外，它还提供一系捌符合工、韭标准的外设，可在音频、电信、f 1 8 s h 卡红外线及智能卡中使用。 为完善性能，at9lrm9200集成了包括nag-ice、专门ual珂调试通道 (d8gu)及嵌入式静实酵追踪的一系列的调试功能。这些功能使得开发、调试应用程序十分方便。2 ) 电源电路 在该系统中，a t 9 l r m 9 2 0 0 需要3 3v 和l 。8v 电源，其输入电压为5v 直流稳压毫源。为了得到可靠的3 f 3 v 年鞋1 8 v 电压，选藤l l l 7 - 3 3 型低癍差( l d 0 ) 稳压器，它的输人电压为5v，输出电流为33v，最大输出电流为o8a。同样， 选用1 1 1 7 1 8 产生最大输出电流为0 8 a 的1 8 v电源。电源电路如图32所示。 lo图32电源电路 第3 章静电探针自动测量仪的硬件平台设计 3 ) 晶振电路 晶体振荡电路用于向a t 9 1 r m 9 2 0 0 和其他需要时钟的外设电路提供工作时 钟。本系统使用无源晶体振荡器m l ( 1 8 4 3 2m h z ) 和m 2 ( 3 2 7 6 8k h z ) 作为系统的 主振荡器和慢时钟振荡器，振荡器产生的系统主时钟和慢时钟基准经过微处理器 内部2 个p l l 后，产生系统所需的各种c p u 时钟、外设时钟以及u s b 器件工 作时钟。晶振电路与p l l 电路如图3 _ 3 所示：jc 3 。l o p _ 。j 。二0 ： 图3 3 晶振电路和p l l 电路4 ) 复位电路 a t 9 l r m 9 2 0 0 有2 个独立的复位信号，即系统复位信号n r s t 与系统内部调试复位信号n t r s i ，都是低电平有效。系统上电后，a t 9 1 r m 9 2 0 0 必须执行一 个上电复位(称为“冷”复位)，在过渡状态下，它强制复位信号nrst和ntrst 为低直到电源电压和振荡器工作频率稳定为止。此外，n r s t 和n t r s t 还可以 进行手动按键复位功能，以方便用户调试程序。本设计中选用了l m p 8 1 1 芯片搭 建复位电路，它有一个手动复位输入引脚，当工作电压低于3 0 8v 或手动复位 输入引脚被拉低时复位i c 产生一个低电平信号，持续时间为2 0 0m s 。复位电路 如图3 4 所示 ：藏 j 匿霉箸霉瓣 。榉鞲辫蠢嚣 11 曩骶誉强蕊 j 。渤；i i ；1 秘童。l 图3 4 复位电路 燕篷 h 阱h h 叫 第3 章静电探针自动测量仪的硬件平台设计 7 ) f l a s h 电路 2 8 】 f l a s h 存储器用于存储系统运行所需的程序和重要数据，即使掉电程序和数 据都不会丢失。设计中采用的是i n t e l 公司生产的2 8 f 1 2 8 j 3 a ，其存储容量为1 2 8 m b i t ( 1 6m b ) ，工作电压为2 7v 3 6v ，采用4 8 引脚t s o p 封装，1 6 位数据宽 度。它所需引脚为a 【2 4 ：o 】、d 【1 5 ：0 】、n r s t 、b f c sn c s o 、c f o en o en r d 、 c f w en w en w r o 。如图3 7 所示： 3 1 2 u a r t 接口设计 图3 7f l a s h 电路 串口接口电路的设计一方面为了满足调试程序作为标准的输入和输出，另一 方面可以通过串口来设置一些系统的参数。目前r s 2 3 2 是p c 机与嵌入式设备通 信应用最广泛的一种接口。 a t 9 1 r m 9 2 0 0 集成了通用同步异步收发器( u s a r t ) ，它提供一个全双工通用 同步异步串行连接。数据帧格式可编程( 数据长度，奇偶校验位，停止位数) 以 支持尽可能多的标准。接收器执行奇偶错误、帧错误及溢出错误检测。接收器超 时使能可变长帧处理，发送器时间保障方便与慢慢速远程器件通信。接收与发送 地址位也支持多点通信。 其中d e b u gu a r t 在调试状态下作为调试串口，在正常工作状态下为一般 u a r t 口，也可以通过r s 2 3 2 电平实现与其他设备的通信。 a t 9 l r m 9 2 0 0 的u a r t 采用的是3 3 v 的r r l 电平，与r s 2 3 2 的电气标准不 一样，需要一个转换过程，本系统采用m a x i m 公司的m a x 3 2 3 2 作为输入输出 信号间的电平转换 2 9 】。m a x 3 2 3 2 可以接两路串口信号，其中通道1 接普通 u a 耵，通道2 接d e b u g u a r t 接口，电路图如图3 8 所示： 第3 章静电探针自动测量仪的硬件平台设计 以太网m a c 可以通过配置e t hc f g 寄存器中r m i i 和m i i 的位来选择接 口。当该位为l 时，选择褂m i 接口；当该位为o 时，选择m i i 接口。由于在本 设计中采用的以r m i i 方式连接a r 9 l r m 9 2 0 0 与d m 9 1 6 1 ，所以置e t hc f g 寄 存器中砌i i 和m i i 的位为1 ，选择使用r m i i 接口。 r m i i 的目的是用缩减的引脚数来代替i e e e8 0 2 3 um i i 。它使用2 位进行发 送( e t x 0 与e t x l ) ，2 位进行接收( e r x 0 与e r x l ) 。有一个发送使能( e t x e n ) ， 一个接收错误( e i e r ) ，一个数据有效( e c r sd v ) ，及一个对于1 0 0 m b s 数据 率的5 0m h z 参考时钟( e t x c kr e f c k l 。 简化接口的目的是减少接线器引脚数，以连接多p h y 接口。r m i i 模式特 性如下： 一时钟频率为5 0 m h z 一缩减所需控制引脚 一通过加倍时钟频率缩减数据路径到2 位宽 一1 0m b i t “s 与1 0 0m b i t s s 的数据传输能力 a r 9 1 i t m 9 2 0 0 与d m 9 1 6 l 的硬件电路，如图3 9 所示： d m 9 1 6 l 的状态中断输出脚( m d i n t r ) 连接在a t 9 l r m 9 2 0 0 的p c 4 上，状态 中断输出脚需要外接2 2 k 电阻上拉，当发生状态改变时( 连接，传输速率) ，由 高电平变为低电平。 a t 9 1 r m 9 2 0 0 的p a l 5 和p a l 6 与d m 9 1 6 1 的m d c 和m d l 0 相连接，其中 m d c 是管理数据时钟脚，最大时钟速率为2 5 m h z ；m d l o 是管理数据i o 引脚， 通过m d c 和m d i o 可以控制和管理d m 9 1 6 l ，可以获得物理层芯片的状态信息 和错误信息等 第3 章静电探针自动测量仪的硬件平台设计 蟊 3 1 4 u s b 接口设计 图3 9 网口电路 1 ) u s b 主机接口设计 a 1 9 1 i t m 9 2 0 0 内部集成了u s b 主端口控制器( u h p ) ，u s b 主机端口在应用中 与u s b 设备连接。它处理开h c i 协议( 开主机控制器接口) 及u s bv 2 0 全速与低 速协议。它还给a s b 提供简单的读写协议。 u s b 主机端口集成一个根集线器，并在下游端口集成收发器。它提供几个 半双工高速串行通信，端口速率为1 2m b i t s 。最多可连接1 2 7 个u s b 器件( 打 印机、照相机、鼠标、键盘、硬盘等) ，而u s b 集线器可使用“分层星型”布 1 6 第3 章静电探针自动测量仪的硬件平台设计 局与u s b 主机连接。 u s b 主机端口控制器与开h c i 规范完全兼容。标准o h c iu s b 堆栈驱动器 可以相同的方式轻松进入删e l 已有的无硬件规范的驱动结构中。 这意味着标准分类驱动是自动检测并可在用户应用中使用。例如集成h i d ( 人机接口设备) 类驱动器对所有u s b 键盘与鼠标提供即插即用功能。 u s b 主机端口主要特性如下： 一与开h c i r e v l o 规范兼容 一与u s bv 2 0 全速及低速规范兼容 一支持低速1 5 m b p s 与全速1 2 m b p s 的u s b 设备 一有两个下游u s b 端口的根集线器 一内置u s b 收发器( 收发器数目由产品决定) 一支持电源管理 一在a s b 总线上作为主机工作 通过a s b 总线接口访问u s b 主机工作寄存器。开h c i 主机控制器使用a s b 总线初始化主机d m a 传输，过程如下： 一取得端点描述符与传输描述符 一从系统存储器访问端点数据 一访问h c 通信域 一写状态寄存器并退出传输描述符 u s b 主机的d m a 可访问所有的a s b 存储器映射。因此不必在u s b 主机中 定义专用的物理存储器空间。 u s b 主机接口参考电路如图3 1 0 所示：由于u s b 主机端口会自动检测设备 连接，所以h d p a 和h d m a 必须接下拉电阻，否则u s b 主机端口将一直检测 该设备连接。 图3 1 0u s b 主机接口电路图 第3 章静电探针自动测量仪的硬件平台设计 2 ) u s b 从机接口设计 a t 9 1 r m 9 2 0 0 内部集成了u s b 从机接口控制器( u d p ) ，它适用于通用串行总 线m s b ) v 2 o 全速器件规范。内置u s b 收发器，每个端点可配置为几种u s b 传 输类型中的一种。它可用双端r a m 的一段或两段来存储当前数据。若使用两段， 一个d p r 段由处理器读、写，另外一个d p r 段则由u s b 器件外设读、写。对 于同步端点强制使用该特性。因此器件工作于有两d p r 段端点时，保持最大带 宽( 1 m b ，s ) 。u s b 器件自动检测挂起与恢复，通过出现中断来通知处理器，也可 以利用外部信号来通知处理器。 u d p 主要特性如下： 一与u s bv 2 0 完全兼容，1 2 m b s 一内置u s b v 2 0 全速收发器 一端点内置双端r a m 一用于同步与批处理的p i n g 。p o n g 模式 u s b 从机接口电路如图3 1 l 所示：p b 2 9 用来检查v b u s 是否有效，可以使 用该i o 口通知自供电器件断电，这个时候需要禁止上拉d d p 以防止电流流入主 机。p b 2 8 是用来控制d d p 上拉的上拉电阻，当器件准备与主机通信时，通过这 个i o 口来激活d d p 的上拉电阻。u s b 器件的外设需要4 8 m h z 的时钟，该时钟 由p l l 产生，因此u s b 器件收到来自电源管理控制器的两个时钟：主机时钟 m c k 用来驱动外设用户接口；u d p c k 用来与总线u s b 信号连接。 1 8 f 嚣硐囊燃蘸 卦j je ：。- p ； f ” l r 一哥1j 、 卜一 蠢一；了：， 一一f r ”? i 。t ” i 。 u s b d ：u 一- 一，r 7口，u g bd l? 矿l c e ( 一- l d d mr - 7 1 2 4 r1 n h d _口10d l- 一 2 。 3 4 晶器 j 一_ 丁面卜一：【j 蕃i !_ t r 图3 1 1u s b 从机接口电路图 第3 章静电探针自动测量仪的硬件平台设计 3 1 6 其他 1 ) n a l l d f l a s h 接口电路 3 6 】 n a n d f l a s h 则是采用i o 口和一些控制信号来实现数据的存取。由于n a i l d f l a s h 只能顺序的进行数据的访问，所以不能直接进行代码的执行。 n a n d f l a s h 芯片的控制管脚主要有7 个。具体的管脚功能分别是： c e ：芯片使能信号 c l e 命令锁存信号 a l e 地址锁存信号 肥读信号 ，w e 写信号 肘p 写保护信号 r b 闲忙信号 其中，r e 和w e 管脚是和n o r f l a s h 一样的，不过在使用时要同片选c s 信号同时 使用。r b 管脚一般用来判断操作是否结束。c l e 和a l e 的组合表示了i ，o 数据 线上的数据含义，如表3 2 所示。 表3 2c l e 和a l e 的状态图 i ，o 数据线 c l ea l e 命令 1o 地址0l 数据 oo 需要注意是，c l e 和a l e 不能同时为l 。c l e 和a l e 同i o 口及读写信号配合 就可以实现基本数据读写和擦除操作。 n a l l d f l a s h 的接口实现中由需要注意两点： 一擦除时，一定不能擦除坏块。坏块在出厂时就做好了标记，坏块的管理 需要通过软件来实现。 一读写中要注意n a i l d f l a s h 的位翻转错误，需要采用e c c 算法来校验和纠错， 可以用硬件实现，也可以通过软件实现 本文采用三星公司生产的k 9 f 2 8 0 8 进行设计，如图3 1 3 所示，k 9 f 2 8 0 8 是一块 1 6 mb v t e s 的n a n d f l a s h 存储器。与a t 9 l r m 9 2 0 0 的硬件电路连接如图所示，其中 w p 接高电平允许擦除和写入，接低电平禁止擦除和写入，所以r 1 5 和r 1 6 不能 同时焊接。 2 l 第3 苹静电探针自动测量仪的硬件平台设计 图3 1 3n a n d f l a s h 接口电路2 ) s d 卡接口电路 3 7 】 sd卡(secured i g i t a l m e m o r ) ，c a r d ) 是一种基于半导体快闪记忆器的新一代 记忆设备。sd卡由日本松下、东芝及美国sandisk公司于1999年8月共同开发研 制。sd卡尺寸小，重量轻，但却拥有高记忆容量、快速数据传输率、极大的移 动灵活性以及很好的安全性。s d 卡在外形上同m u i t i m e d i a c a r d 卡保持一致，并且兼容 m m c 卡接口规范。 a t 9 l r m 9 2 0 0 自带多媒体卡接口( m c i ) 。多媒体卡接口( m c i ) 支持多媒体卡 ( m m c ) 规范v 2 2 及s d 存储卡规范v 1 0 。多媒体卡接口( m c i ) 包括命令寄存器、响 应寄存器、数据寄存器、暂停寄存器以及错误检测逻辑，它还能自动处理命令发 送，雾霎黔雾蔓b 引彭酗州挠鬟| 羹鞴羁驯魏鸵。 措盯翮豁鞘蓍i 莉譬删琵黧：型莹翌蓟剡羁萝i 菁赢耀源辟曩凄叫零 筑地夏；引戥衔糕鸶刘鲤鞑再篓棼誊搿l 1 f 蓄。痪等断珀制鋈l 醣妻：l “鞴鞘慧雾 烈跫翥鲥型霸裂墼；堑萋；蒌尊垂羹雾；鼬殂鳓叫坤l 藿靴型嚣萋i ；嚣绸蹦刊朔 醵胖拨雄痿垮垮蜊噔i 季矧班帛融i 自满燮! 謦! 兰泰筑曼丛鍪，鎏陪氅饕形 曼蛾霪：潲漤碰建堡i 。交弱酶柏瓤的输入代码和输出电平直 接的关系如表3 3 所示 ：u 3 b o f f1 m d 玎呵p 12 0 m c l rpl3 1 m c l kpl4 2 m c sp 15 3 6 d g n d7 第3 章静电探针自动测量仪的硬件平台设计 描电压，加在探针的一端( 以双探针为例) ，同时把另一个探针测得的微弱电流 信号经取样电阻网络转换成电压信号，通过仪用放大器i n a l 2 l 放大，经过电压 转换后送给a d 转换器t l c l 5 4 9 进行采样。控制板把采集到的数据通过串口，网 口，u s b 口或者c a n 总线上传给终端设备，方便进一步数据处理。同时还可以对 探针的空间位置进行一些相应的调整，满足测量等离子参数空间分布的需求。下 面将详细叙述系统测量板的设计过程。 3 2 1d a 转换电路设计 m a x 5 3 1 芯片是m a x i m 公司推出的性能优越的1 2 位d a 转换芯片，采用“反 向”艮2 r 的梯形电阻网络结构。内置单电源c m o s 运算放大器，其最大工作电流仅 为2 6 0 a ，具有很好的电压偏移，增益和线性度。内部运算放大器根据需要可 配置成+ l 或+ 2 的增益，也可作四象限乘法器【3 8 】。 其主要性能如下： 一单双工作电源： 一缓冲电压输出； 一内置2 0 4 8 v 电压基准； 一误差( i n l ) ：1 2 l s b ； 一灵活的输出电压范围：v s s v d d ； 一电源上电复位功能： 一具有菊花链连接的串行数据输出。 在本系统中，m a x 5 3 1 采用5 v 供电，双极性输出的连接方式，参考电路如 图3 1 6 所示，对应的输入代码和输出电平直接的关系如表3 3 所示 ：u 3 b o f f11 4 m d 玎呵p 12 0 b o f fr f b 1 35 v m c l rp l3 1 d 巧td m c l kp l4 2 ，c l rv o u t 1 2 m a 3 1 一o ；。 m c sp 15 3 s c l kv s s l l - j v 一i 6 ，c sr e f o u t 1 0 d o u tr e f i n 9 皿o f f 。；= c 2 9 = = c 2 d g n d7 8 0 1 uo 1 d g n da g n d c ”： h u 凸= 5 3 1 “。 = 0 u ，1 6 v 上7 第3 章静电探针自动测量仪的硬件平台设计 图3 1 6m a x 5 3 l 双极性输出电路 表3 - 3 输入代码和输出电压对应表 i n p u to u t p u t 1 ”11 1 1 1 1 1 1 1 ( 帐圳裟 1 o0 0 0 0 0 0 0 1 ( + v n ) 南 1 0 0 00 0 0 00 0 0 0o v o ”11 1 ”1 1 ” ( 。v 旺j 蠡 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 1 ( - v m m 裟 0 0 0 00 0 。0 0 0 0 0 v r n ) 鬻_ _ v r e f 下面介绍一下m a x 5 3l 的工作原理： 在c s 为高电平时，s c l k 被禁止，此时d i n 端的数据不能进入d a ，从而v o u t 处于高阻状态。当把c s 拉至低电平时，转换时序开始允许s c l k 工作并使v o u t 脱离高阻状态。数据串行接口将s c l k 时钟序列传给s c l k ，在s c u ( 的上升沿， 1 6 位串行数字输到d i n 被锁入1 2 位移位寄存器，其中高4 位( m s b ) 移入d o u t 寄存器，此时d a 以菊花链连接才能用到。在c s 上升沿时，1 2 位移位寄存器的数 据进入d a c 寄存器，从