（测试计量技术及仪器专业论文）膜厚宽带监控系统的信号获取方法与实现技术研究.pdf

膜厚宽带监控系统的信号获取方法与实现技术研究学科：测试计量技术及仪器研究生签字：指导教师签字：度成阂，j盔b 黏摘要随着现代科技的飞速发展，光学薄膜器件得到了越来越广泛的应用。同时，人们对光学薄膜制作精度的要求也越来越高。因此，如何通过对镀膜过程的自动控制来提高薄膜制作效率，镀制任意厚度的膜层，提高光学器件的光谱性能，一直是光学薄膜制作过程中的焦点问题，也是本课题研究的的关键。在现有的薄膜监控技术中，宽带监控技术特别引入注目。其实质是在薄膜镀制过程中，依靠c c d 或其它阵列器件实现对较宽波段内的光谱光强信号的实时检测，并与理论计算的光谱光强值进行对比，当两者的差值最小时，认为薄膜镀制达到设计要求，可以完成本层薄膜的置备工作。由此可以看出，采用宽带监控技术对薄膜制备过程进行监控的成败依赖于检测信号的准确性和可靠性。为了获取高质量的监控信号，本次研究通过步进电机实现光源精确调制，并借助于三态门的功能，用所获得的明暗信号差值来实现高质量的监控信号的输出。同时也采用了温度传感器实现对c c d 暗电流等参数的调整。采用时钟及存贮系统，目的是将镀制的历史参数保存，便于以后分析、总结，并可实现同类产品的大批量镀制。系统同时也借助于步进电机实现对膜料的自动更换，避免掉人为误差，并最终形成闭环操作模式。本次研究是在原有镀膜机及其控制的基础上，增加了实时宽带在线监控部分以及膜料自动更换部分，在镀膜过程中实时对所镀的基片通过线阵c c d 进行数据采集，并同时对数据进行分析计算，根据计算结果进行下一步镀膜过程的实时调整，避免误差的累积，提高镀膜的精度，镀制过程中的状态可实时显示并可调整后续的镀制参数，最终实现镀制过程的高精度、自动化。关键词：光学薄膜，厚度监控，c c d ，三态门控制，步进电机s t u d yo ns i g n a lg a i na n dr e a l i z a t i o nt e c h n o l o g yo ft h i n f i l mt h i c k n e s sm o n i t o r i n gs y s t e md i s c i p l i n e ：s t u d e n ts i g n a t u r e ：s u p e r v i s o rs i g n a t u r e ：m e a s u r e m e n tt e c h n o l o g ya n di n s t r u m e n t力灿a b s t r a c tw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o d e r ns c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , o p t i c a lt h i n - f i l mc o m p o n e n tw a sw i d e l yu s e d a tt h es a m et i m e ，t h er e q u i r e m e n tt op r e c i s i o no fo p t i c a lt h i n f i l mm a n u f a c t u r ew a sb e i n gr a i s e d t h e r e f o r e ，i ti su s u a l l yt h ef o c a lp r o b l e mh o wt oe n h a n c et h et h i n - f i l mm a n u f a c t u r ee f f i c i e n c yt h r o u g ht h ea u t o m a t i cc o n t r o lt oc o a t i n gp r o c e s s ，t op l a t e sf r e et h i c k n e s st h em e m b r a n el e v e l ，t oe n h a n c et h es p e c t r u mp e r f o r m a n c eo fo p t i c a lc o m p o n e n t ，a n di ti sa l s oak e yt ot h et h e s i s i ne x i s t i n gt h i n f i l mm o n i t o r i n gt e c h n o l o g y , w i d eb a n dm o n i t o r i n gt e c h n o l o g yw a se s p e c i a l l yn o t i c e a b l e ，t h ee s s e n c eo fw h i c hi st h er e a l t i m ee x a m i n a t i o nt os p e c t r u ml u m i n o u si n t e n s i t ys i g n a li nt h er a n g eo fw i d t hw a v eb a n d ，d u r i n gm a k i n gt h i nf i l m ，d e p e n d i n gu p o nc c do ro t h e ra r r a yc o m p o n e n t i nc o n t r a s tt ot h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o ns p e c t r u ml u m i n o u si n t e n s i t yv a l u e ，w h e nt h et w oi n t e r p o l a t i o n sa r es m a l l e s t ，t h ea c h i e v e m e n to ft h ef i l md e s i g nw a sa c c e p t e d s ot h es u c c e s so rf a i l u r eo fm o n i t o r i n go ft h i n f i l mp r e p a r a t i o np r o c e s sw a ss e r i o u s l yr e l i e do nt h ea c c u r a c ya n dt h er e l i a b i l i t yo ft h ee x a m i n a t i o ns i g n a l i no r d e rt og a i nt h eh i g h g r a d es u p e r v i s o r ys i g n a l ，t h et h e s i sw i l lu t i l i z et h es i g n a li n t e r p o l a t i o ng a t h e r e dt or e a l i z et h eh i g h - g r a d es u p e r v i s o r ys i g n a lo u t p u tb yv i r t u e so ft h et h r e e - s t a t eg a t e ，w i t ht h ep h o t o s o u r c ed e l i c a t ea d j u s t m e n t a tt h es a m et i m e ，t h et e m p e r a t u r es e n s o rw a su s e dt oa d j u s tt h ep a r a m e t e ro fc c dd a r kc u r r e n t u s e st h ec l o c ka n dt h es t o r a g es y s t e m ，t h eg o a li sp l a t e st h es y s t e mt h eh i s t o r i c a lp a r a m e t e rp r e s e r v a t i o n ，w i l lb ea d v a n t a g e o u sf o rl a t e rt oa n a l y z e ，s u m m a r i z e s ，a n dm i g h tr e a l i z et h es i m i l a rp r o d u c tm a s st op l a t et h es y s t e m t h es y s t e mw i t ht h ea i do fi ns t e p p e rm o t o rr e a l i z a t i o nt ot h em e m b r a n em a t e r i a la u t o m a t i cr e p l a c e m e n t a v o i d st h ep e r s o n a le r r o r , a n df i n a l l yf o r m st h ec l o s e dl o o po p e r a t i o np a t t e r n t h i sr e s e a r c hi si nt h eo r i g i n a lf i l mp l a t i n gm a c h i n ea n di t si nt h ec o n t r o lf o u n d a t i o n ，i n c r e a s e dt h er e a l t i m ew i d eb a n do n l i n em o n i t o r i n gp a r ta sw e l la st h em e m b r a n em a t e r i a la u t o m a t i cr e p l a c e m e n tp a r t ，r e a l t i m et ot h es u b s t r a t ew h i c hp l a t e st h r o u g hl i n ec c dc a r r i e so nt h ed a t aa c q u i s i t i o ni nt h ec o a t i n gp r o c e s s ，a n da tt h es a m et i m ec a r r i e so nt h ea n a l y s i sc o m p u t a t i o nt ot h ed a t a ，c a r r i e so nt h en e x ts t e po fc o a t i n gp r o c e s sa c c o r d i n gt ot h ec o m p u t e dr e s u l tt h er e a l - t i m ea d j u s t m e n t ，a v o i d se r r o n e o u st h ea c c u m u l a t i o n ，e n h a n c e st h ec o a t i n gt h ep r e c i s i o n ，p l a t e si nt h es y s t e mp r o c e s st h ec o n d i t i o nt ob ep o s s i b l et h er e a lt i m ed i s p l a ya n dm a ya d j u s tf o l l o w i n gp l a t e st h es y s t e mp a r a m e t e r , f i n a l l yr e a l i z e sp l a t e st h es y s t e mp r o c e s st h eh i 曲a c c u r a c y , t h ea u t o m a t i o n k e yw o r d s ：o p t i c st h i n - f i l m ，t h i c k n e s sm o n i t o r i n g ，c c d ，t h r e e - s t a t eg a t ec o n t r o l ，s t e p p e rm o t o r 1 绪论1 绪论1 1 光学薄膜厚度监控的发展现状人们对薄膜厚度的监控从最早的目视法，通过眼睛观察控制膜层的厚度【lj逐步发展为智能化监控。这是由于计算机技术、电子技术等各项技术的飞速发展，给薄膜厚度监控带来了新的春天。操作员可通过仪器设备自动监控膜层的淀积过程，自动对淀积厚度进行判别【2 】。在国外，如l e y b o l d 、t e l e m a r k 、s h i n c r o n 等公司，对厚度有很高的控制精度。其中l e y b o l d 公司一直处于领先地位，如该公司生产的o m s - - 3 0 0 0 光度计可对薄膜沉积过程进行实时处理和控制，对于固定和旋转的监控片都适用，监控软件保证了在沉积过程对于膜厚的可靠测量和判别。判别点条件的计算及其一些仪器参数的计算的最优设置都可以自动执行，实时t i g g e r p o i n t 的校正技术保证较高的生产可重复性和膜厚的判别精度1 3 4 i n 。我国在该领域的发展相对慢一些，但仍有多家单位在不断探索，其中西安工业大学和复旦大学研制了光学薄膜厚度监控系统和多探头薄膜厚度监控系统。他们通过计算机的串口通信得到光信号或石英晶体振荡频率的信号，然后用计算机作为控制器进行薄膜沉积速率监控和薄膜厚度监控。中国科学院上海技术物理研究所对红外光学薄膜镀制过程的厚度自动监控系统【3 】也进行了研究。另外，还有浙江大学，上海光机所，北京理工大学也在做这方面的研究工作【2 1 。总之，现代科学技术的发展推动监控仪器的精度、稳定性、智能化水平和镀膜机自动化程度不断提高，大大改善镀膜工艺的重复性和镀制的精确性。1 2 光学薄膜厚度监控所要解决的问题及其环境现代科技的飞速发展，使得光学薄膜器件得到了越来越广泛的应用。同时，随着用户要求的提高，人们对光学薄膜制作精度的要求也越来越高。因此，如何通过对镀制过程中的一些主要因素的自动监控来提高薄膜制作的效率，减轻镀膜工作者的劳动强度，镀制任意厚度的膜层，提高光学器件的光谱性能，一直是光学薄膜制作过程中的焦点问题。光学薄膜器件的镀制一般是通过热蒸发或离子镀的方式【6 l 在镀膜机的真空室内完成的。镀膜机真空室内环境复杂，必须具有极高的温度才能进行，基底温度升高是通过电阻丝或卤钨灯加热的方式实现，故其内会产生很强的背景噪声和高斯白噪声以及强光折反射所产生的噪声 7 1 等。由于真空室内复杂的环境，要实时准确的监控镀膜过程的进度，并镀制出高精度的光学薄膜器件则相当日难。而本次研究的重点主要是针对以上镀制中所出现的问题进行深入研究，并提出相应的解决方案，最终实现镀制过程的高效率，镀制产品的高质量。1 3 光学薄膜厚度监控方法概述光学薄膜的光学特性与其每一层的厚度密切相关。为了镀制符合要求的光1 一两安工业大学硕十学位论文学薄膜，在制备过程中必须监控每层膜的镀制。在光学薄膜制备工艺中，若要对薄膜的真空沉积进行自动监控，则必须在膜层的沉积过程中监测其透过光强或反射光强等这样的一个随着薄膜厚度变化而变化的信号，然后设计一个在薄膜蒸镀过程中监控这一参数的装置和方法，就可实现对薄膜厚度的监控【l 】o 目前，主要有以下几种监控方法。1 3 1 目视法此方法是最简单的光学控制方法。它是利用眼睛作为接收器，当基片镀膜后，各个波长的反射光强度就不相等，因而带有不同的干涉色彩。不同的膜厚有不同的颜色，因此，可以根据薄膜干涉色的变化来监控介质膜的厚度。这种方法至今仍广泛用于单层m g f 2 减反射膜的镀制【5 】【8 】【9 】【1 0 】。但由于人眼的差别，加之能监控的膜系种类单一，且精度低，对多层膜镀制的监控就更无能为力了。1 3 2 光电极值法它是利用光电接收系统，测量镀膜过程中由于薄膜厚度变化而引起的薄膜透射比或反射比的变化来控制膜厚。由光学薄膜理论可知，当薄膜光学厚度n d到达1 4 监控波长整数倍时，透射比或反射比出现极值。因此可通过测量出现极值点的次数来控制1 4 波长整数倍的膜系。若厚度变化一个微小量a n d 所引起的透射比或反射比的变化为i t 或r 。则它们在不同的厚度值时是不同的，在极值点附近z j t z j n d 很小，接近于零，亦即这时透射比或反射比对厚度的变化最不灵敏，导致监控的准确性差【1 1 【1 1 l 【埘。这正是该方法固有的缺陷，而且对于镀制任意厚度的膜层来说，该方法无法满足要求。1 3 3 波长调制法它也是一种控制1 4 波长或其整数倍厚度的监控方法。与极值法不同的是，它不是通过直接测量控制片的反射比( 或透射比) ，而是测量反射比( 或透射比)对波长的导数来实现对薄膜厚度的监测。在极值点反射比曲线的导数为零。在极大值情况下，从正值到负值迅速变化，在极小值的情况下变化则相反。其监控原理如图所示设从单色仪振动狭缝出射光波长为a ，而单色仪指示中心波长为如，则a ；知+ a c o s ( 2 印)( 1 1 )其中，为振动狭缝的振动频率，口为与振动狭缝振幅和单色仪色散情况有关的常数，且口t t 知，这时被测膜层的分光透射特性丁似) 有泰勒级数形式图1 1 波长调制法示意图酬刮+ 憾) 凡酬姚鲁 c o s ( 姚( 1 z )西安工业大学硕士学位论文若用选频放大器滤掉监控信号中直流分量和高次谐波分量，而将上式中第二项( 基波分量) 作为控制膜厚的信号。因为以r d a ) 九是膜厚的函数。当膜厚为a 4 及其整数倍时似f 枞) j = 0 ，即与振动狭缝同频的基波分量为0 ，实现了对：t 4 膜系的监控，精度较高【2 】o 对于镀制任意厚度的膜层来说，该方法同样无法满足要求。1 3 4 石英晶体振荡法它是利用石英晶体的压电效应和质量负荷效应，通过测量石英晶体的固有频率或与固有频率有关的参量的变化来监控沉积薄膜的厚度，但其得到的厚度只是膜层的质量厚度。此种监控方有三个非常实际的优点：其装置简单，不需要通光窗口，不需要安排光学系统，信号判读容易，随着膜层的增加，频率线性下降，没有光信号常有的摆动，灵敏度高，而且与薄膜是否透明无关。同时，可记录蒸发速率，这使它适用于自动控制；对于小于“8 的厚度有较高的控制精度。但其主要缺点是晶体直接测量的是薄膜的质量厚度而不是光学厚度，对于监控密度和折射率显著依赖于蒸发条件的薄膜材料，欲得到良好的重复性要求工艺条件极为稳定，且它不像极值法或波长调制法具备自动补偿机理。同时，晶体的灵敏度随着质量的增加而降低，这使它在红外多层膜镀制工作中的应用受到限制【3 1 【1 1 】。1 3 5 变波长监控它是通过模拟实际蒸发的过程，计算出薄膜厚度增加时各个波长反射比的变化量，从而求出达到正确厚度时出现极值的波长。这样在镀制每层膜时，找到每一层对应的出现极值的波长，就可监控任意厚度的膜系。问题是换用控制波长频繁，不但操作麻烦，而且还会引入误差，对色散较大的材料尤其严重1 1 1 。1 3 6 宽带监控方法和传统方法不同的是，宽光谱薄膜厚度监控技术可以实现对任意膜厚镀制的监控。宽光谱薄膜厚度监控技术是在宽光谱范围内实时测量沉积过程中膜层的光谱特性，并实时计算评价函数达到极小值时停止沉积【”】。宽光谱膜厚监控有精度高，重复性好及直观等单波长监控不可比拟的优点，研究它可改善当前国内、国外普遍采用的光电极值法和石英晶体监控法的缺点，在镀膜的过程中，实时观察到膜系的光谱特性，使设计与实际达到进一步的一致，镀制出任意厚度，精确度高的膜系。结构原理如图1 2 所示，后面将详述其实现过程。西安工业大学硕士学位论文=监控片卜厂；酊订i 图1 2 波长调制法示意图宽光谱膜厚监控系统原理图1 4 宽光谱薄膜厚度监控技术1 4 1 课题背景宽光谱膜厚监控系统【1 】【6 】是- - f o 最新在线检测方法，即在宽光谱范围内通过探测器件( 例如线阵c c d 1 4 】) 实时测量沉积过程中膜层的光谱特性，并通过计算机数据处理程序实时计算评价函数值，当其达到极小值时，伺服系统1 1 5 】控制程序就发出指令停止沉积。整个镀制过程最终会形成一个全自动闭环操作模式。宽光谱膜厚监控理论自2 0 世纪7 0 年代末提出后，8 0 年代各国科研机构纷纷研制，已有许多成功的实例。其中，法国马赛国家表面和光学薄膜试验室【1 3 j 的e p e l l e t i e r 在1 9 7 8 年提出以评价函数进行膜厚控制，并在1 9 8 1 年发表了用宽带法制备的一个1 1 层长波通滤光片的结果。1 9 8 6 年加拿大国家研究院的p o w e l l 建立一台7 通道宽带监控系统之后，国内外不少从事薄膜研究的工作者对此作了大量的研究，据文献报道，日本新科隆株式会社【1 7 】在1 9 9 9 年的仪器光谱范围已达3 5 0 7 5 0 n m ，扫描时间l o o m s l s ，波长分辨率为2 o h m ，信噪比小于0 0 2 ，温漂低于0 1 h 1 8 】_ 矧。在近几年，国内的华东工业大学研制了八通道光学薄膜宽带监控装置 2 3 】，监控波长有3 2 种可供选择；上海理工大光电学院周鹏飞等人，国防科技大学理学院光电工程系刘晓元等人在宽光谱膜厚监控的硬件与软件方面进行研究并取得了一些进展 2 4 1 2 5 】f 2 6 1 。总之，为了满足不断提高的薄膜器件的光学特性的要求，对宽光谱膜厚监控技术的研究已成为当今研究的热点。宽光谱膜厚监控有精度高，重复性好及直观等单波长监控不可比拟的优点，研究它可改善当前国内、外普遍采用的光电极值法和石英晶体监控法的缺点，在镀膜的过程中，实时观察到膜系的光谱特性，使设计与实际达到进一步的一致，镀制出任意厚度，精确度高的膜系【l 】【目。1 4 2 本文主要研究工作为了提高现有镀膜机的镀制效率和精度，实现镀膜机在镀制过程的自动闭环操作，避免人为操作造成的各种误差，首先需要获取高精度的膜层信号。在镀制过程中进行宽光谱膜层监控，通过分析实现镀制过程的补偿功能，使得镀制中的误差不累积，最终提高镀膜的精确度及镀制效率，实现目前人们对高精度光学器件的需求。西安工业大学硕士学位论文1 4 3 监控原理为了获取高精度的膜层信号，需要选择高精度高稳定光源，并对该光源进行精确调制。为了实现高精度的调制光源，本系统通过步进电机【2 来实现，通过控制步进电机的转子实现对斩光盘的控制，进而达到对光源调制的目的。利用三态门实现对有用光信号的提取【7 】，并借助与所选c c d 相匹配的数据采集卡通过上位机实现对有用信号的数字化，然后通过算法实时获得评价函数及权重因子1 2 ，进而调整下一步镀制方案。为了避免环境温度以及人为因素造成系统镀制过程中出现差错，本系统中添加温度传感器进行参数自校正功能，添加另一步进电机来实现膜料的自动更换，从而避免人为更换所造成的误差。1 4 4 本系统所采用的宽带监控技术优点由于采用步进电机对光源进行精确调制，可通过c c d 获取明暗相间的膜层信号【2 3 0 i ，根据获取信号的组成，通过明信号与相邻暗信号做差值运算，可最大限度的消掉或减弱各种真空镀制环境中背景噪声的影响。通过对环境温度的监控，实现对c c d 暗电流的参数调整，进而达到对c c d 输出信号的精确控制。在c c d 信号输出后，为避免外部各种复杂因素的影响，系统采取了多次求平均值法、剔除粗大误差法以及加权平均值法等来实现对后期所获得的数据的处理，更进一步提高信号的精度。! 蜜堂! 塑堕星鏖些挂j 熊盟笪兰茎窒查鎏皇壅望。2 宽光谱薄膜厚度监控系统的信号获取方法与实现2 1 宽光谱薄膜厚度监控系统构成本监控系统由光源系统，蒸镀系统及数据采集处理系统构成，其结构示意图如下：毫伏袭图2 1 宽光谱薄膜厚度监控示意图2 2 宽光谱薄膜厚度监控系统原理对于多层膜系中的每一层薄膜，在理论设计时就能获得该层薄膜的光谱特性曲线。在膜层所要求的光波段范围内，各波长处均有相应的透射比，我们将理论计算时获得的透射比用玉n ，再d ) 来表示。在制作膜层时，利用宽带监控装置，检测出膜层在淀积过程中在各波长处的实际透射比墨( a ，n i d f ) ，把理论设计透射比与实际透射比进行比较其差值为：i = 五( a ，n d ) 一瓦以，n f d f )( 2 1 )式中i 为膜层序数，a 为检测波长，”d 为膜层理论厚度，n i d i 为膜层实际厚度。如果对第i 层而言，按式( 2 1 ) 计算在监控波长处的理论和实测值的差值则该层薄膜的评价函数为差值在要求波长范围内的积分：6 一西安工业大学硕士学位论文e = j ：2 胁以d ，) 一正( 枷d 】协( 2 2 )田虱【2 2 ) 口j 看出，当鼻趋l 司于最小町，买际膜层厚崖n i d i 越磺血十埋论厚度n d ，这时蒸镀可结束。在处理计算评价函数时，可采取一些合理的简化。e = 辟一艄卜仁。，用( 2 3 ) 式取代( 2 2 ) 式，其中q 协) 是淀积每层膜前计算出的相对透射比，钆n ) 、铋似) 分别是淀积前和淀积时的透射光能量，用它们的比值代替实时确定的透射比，其中：删= 訾锻( a ) = 哗警妒d 似) 为没有控制片时系统接受到光能量，t ，r 分别为控制片后表面的透射比和反射比，瓦，r 。和i ，r i 分别是控制片前表面镀制前和镀制过程中的透射率和反射率，两式相除为：似) l ( 1 一r r r 。)jt o ( 1 - r ，r ij由于大部分膜系的光谱特性在2 3 n m 厚度范围内一般不会发生跃变，可以用求和式( 2 4 ) 取代积分式( 2 3 ) ，在要求的光谱范围内取k 个点，则：( 2 4 )另外，人们一般只对薄膜光学特性的某些特定的波段或某几个特定的波长的要求较高，而对其它部分不太关心，因此，对( 2 4 ) 式进一步改进为：正= 渺 剖qg s ，其中嘶是权重因子。这样就可在控制前确定所选的波长点，并将其权重因子值一、_，、二pno m昌i西安工业大学硕士学位论文和淀积前透过光能值和q 存入计算机，控制过程中根据接受到的光能量计算评价函数作出判断，并反馈判断结果以进行监控【1j i ”j 。由上述原理可见，平价函数的确定与每层膜的理论值和测试值密切相关。而理论值的计算则是由经验参数以及真空室内背景噪声等系统相关参数进行初步设计形成的。故针对每层膜的经验参数和实际参数的的获取成为实现对镀膜过程监控的关键。由于监控信号精确度受镀制技术、真空室内环境以及所镀膜料的种类的不同等原因的影响，在进行每层的镀制过程中，由经验参数所得到的理论值会与实际测得值发生偏差。为了尽可能的减小偏差，确保能准确有效的制造出高精度的光学器件，本系统采用逐层补偿的方法来提高监控精度，即在进行每层膜的镀制时，会适时调整当前镀制的理论参数，并在进行下一层膜的镀制时，根据上层膜实际参数与理论参数之间的差异，然后对下一层的理论参数进行调整，用以补偿上层实际镀膜时造成的镀制误差，并用新产生的理论值进行本层膜系的镀制。依据同样的方法，逐次对每层膜进行补偿校正口“，最终行成高精度的膜系，进而可获得高质量的光学器件。2 3 宽光谱薄膜厚度膜层信号获取原理由于镀膜过程在真空室内完成，要实现对膜厚的实时监控，首先必须尽量避免或者减少真空室的各种背景噪声的影响，获取高精度的膜层变化信号。本系统采用明、暗信号做差的方法来实现对背景噪声的消耐3 3 1 。故在进行信号采集过程中，最关键因素是如何精确的对采集到的数据进行分类。只有对数据能精确的定位，才能通过计算得到真实可靠的评价函数等参数，进而真正地实现实时监控，提高精度。其实现原理如下：系统上电进行镀膜准备工作完成后，步进电机开始控制斩光盘工作，将光源调制成所给定频率的缓变交流信号。由于步进电机的步距、转速及角度是可控可知的，故通过分析其相应的转速及角度可知当前信号光处于明或暗的状态。其过渡过程即光孔一半被遮挡一半通光时的状态，将对信号的提取产生负面影响，需要被剔除，可以通过一个三态门来避免该种状态的出现。三态门采用7 4 h c 2 4 4 ，其功能是当其控制端为低电平时，则信号端导通；若控制端为高电平时，则信号端处于高阻状态，即相当于断开，没有信号通过，则数据采集系统会自动停止转换。通过对步进电机的控制，可判断信号当前所处的三种状态。其所出现的三种状态及处理如下：( 1 ) 当调制光处于明状态时，系统会将三态门的控制端置低，允许信号通过，此时，c c d 接收光照信号1 3 4 胁】i ( 其中包含膜层信号) ，并通过c c d 的驱动设备将信号传给相应的数据采集卡，采集卡接收到信号后，控制a d l 6 7 2 进行a d 转换，上位机通过采集卡给出的动态库( 即 d l l ) 实现数据的存贮，则光照状态下的数据d o 则可以完全提出来。( 2 ) 兰j 调制光处于暗状态时，处理类似于( 1 ) ，即系统会自动将三态门的控制端置低，允许信号通过，同时设置标志位，确保此时所采集数据d 1 为暗状态时的数据a 上位机接收到相应的数据后，判断此时标志位状态，如若为高时，则西安工业大学硕十学位论文将其保存在暗区对应的数据单元，实现数据的存贮，则在光遮挡状态下的数据则可以完全提出来。( 3 ) 当调制光处于过渡状态时，即一半被遮挡一半通光的状态时，系统会自动拉低三态门的控制端，此时信号端处于高阻状态，类似于断开状态，信号线开路，此时c c d 上接收到的光信号无法传递给数据采集卡上，故此时数据采集系统停止工作，系统会自动抛掉当前状态所产生的数据。( 4 ) 当上两种状态的信号采集出来后，由于在亮时所得数据d o 即为相邻暗时数据d 1 与当前膜层信号d 之和，故所求膜层信号a o 可由亮时所采集数据d o与相邻暗时所采集数据d 1 之差来求出。即为：d = - d o d l这样运算之后，实时膜层信号即可求出。2 4 监控系统基本构成监控系统基本构成框图如图2 2步进电机控制图2 2 监控系统基本构成框图2 4 1 微处理器控制部分微处理器控制部分硬件包括有：处理器【3 7 】p 8 7 c 5 5 2 、m a x 2 3 2 电平转换器件【蚓、d s l 8 b 2 0 温度传感器、d s l 3 0 2实时时钟芯片、1 2 8 k 8 的数据存贮器、z c m l 2 8 6 4 a 图形点阵液晶显示模块【3 9 1 、步进电机驱动器控制接口j l o 和j “、三态控制芯片m m 7 4 h c 2 4 4 、复位电路及2 * 4 键盘阵列，两相混合式步进电动机驱动器s h - - 2 0 8 0 6 c n ，混合式步进电机8 6 b y g 2 5 0 a 。该部分是本系统的重点部分，信号精度的关键就在于对控制部分的掌握程度。其实现过程后面会进行详细叙述。2 4 2 数据采集部分包括：t c d l 2 5 1 u d 线阵c c d 及相应的驱动系统【4 0 】【4 1 1 f 4 2 】、相配套的数据采集卡a d a l l g h - p c i 。该部分为模块化结构，主要考虑对从c c d 输出的有用信号如何精确的传输到采集卡上进行高速的a d 转换，并将转换后的有用数据信息进行提取。在实现中，采用三态门的方法确保数据的精确完整，通过调用采集卡所提供的动态链接库实现对数据的获取【4 3 4 4 】。西安工业大学硕士学位论文2 4 3 数据处理部分a 中值滤波法中值滤波法【4 5 】就是对某一个被测量连续采样n 次( 一般n 取奇数) 然后把n 个原始值从小到大( 或从大到小) 排队，再取中值作为本次采样值。b ，算术平均值法算术平均值法【4 5 】就是寻找这样一个l 作为本次采样的平均值，使该值与本次各采样值间误差的平方和最小。c 加权平均滤波法算术平均值法1 4 6 1 对每次采样值给出相同的加权系数，即i n ，实际上有些场合需要用加权平均法，即用下式求平均值y = a 0 x x 0 + a l x x l + + a n x n( 2 6 )式中a 0 ，a 1 ，a n 均为常数且应满足：0 a n 并且a 0 + a l + + a n = l 。d 防脉冲干扰复合滤波法该方法算术平均值法和中值滤波法的综合，先用中值滤波法消除由于脉冲干扰而引起的采样偏差，然后把剩下的采样值做算术平均，就可得出防脉冲干扰复合滤波方法。它集中了中值滤波法和算术平均值滤波法的优点，对于防脉冲干扰和平滑处理，有较好的效果，能提高数据处理质量。e 五点三次平滑算法随机干扰的存在使得离散数据呈折线状，很不光滑。为了消除这种高频干扰，可对数据进行平滑处理，常用的方法有平均法，五点三次平滑法和样条函数法等。这种平滑处理的原则是：既要削弱干扰成分，又要保持原有曲线的变化特性。f 剔除粗大值( 即奇异项) 采样数据中的奇异项是指采样数据序列中有明显错误( 丢失或粗大) 的个别数据。为了减少数据处理后的误差，必须剔除采样数据中的奇异项。剔除奇异项一般可选用一阶差分法、多项式逼近和最j 、- - 乘法【4 5 1 。2 5 数据采集系统基本工作原理首先通过下位机的多个按键设定监控系统的基本参数，例如积分时间，调制频率等等。监控系统根据设定的参数控制步进电机工作，将高稳定的卤光源进行精确调制。形成明暗相间的调制光源。通过对调制光源在明暗下的c c i ) 输出的离散信号通过数据采集卡采集并进行a d 转换，将转换后的信息在上位机数据处理软件中进行相应的评价函数等相关参数的计算，并将计算结果回传至下位机，下位机根据回传的相关信息控制镀膜的进行状态以及膜料的更换，并适时将当前的镀膜状态回显至液晶显示器中，当镀膜过程完成后，相关参数以及各种环境参数保存入下位机的数据存贮器，以便下次进行时参考，并同时切断相关步进电机电源，确保系统可靠停止。上位机中数据自动保存成文档，以备后用。2 6 数据采集系统硬件基本构成2 6 1 数据采集系统硬件结构原理数据采集系统硬件结构如图2 3 。西安工业大学硕士学位论文图2 3 数据采集系统硬件结构框图2 6 2 数据采集系统硬件电路板结构数据采集系统硬件电路板为双层板4 刀，全工艺制造。该电路板长为11 3 m m ，宽为9 6 删，各元器件均在正面安装。电路中包括稳压电源及功作指示灯等辅助电路。其结构图如图2 4 。图2 4 数据采集系统硬件电路板图西安工业大学硕士学位论文2 7 系统分辨率分析根据光谱采集系统【鹌】 4 9 1 的结构特点，得出影响光谱分辨率【5 0 】1 5 1 的有关参数如下：狭缝宽度、物方焦距、像方焦距、角色散率、光栅分辨率、c c d 像素尺度、真空度、温度、光源及电源。实际镀膜过程中，这些参数的变化会造成：引起透射光的变化，从而引起c c d 采集的信号的误差。引起c c d 的某些性能的改变，如温度的变化将直接引起c c d 的暗电流的变化，从而也引起c c d 采集的信号的误差。引起波长定标误差。波长定标误差也是造成系统误差的原因之一。在进行c c d 光谱标定时，由于峰值波长的偏差，会使得对应于c c d 上的象元值出现错位，造成系统分辨率下降。为了尽可能的避免以上所出现的影响分辨率情况的发生，我们采用了高稳定的卤光灯做为光源，并对光路系统做了严格的标定，c c d 器件也选用了高精度的t c d l 2 5 1 u d 线阵c c d 传感器，其象元有2 7 0 0 个，象元间距为l l l b n ，积分时间最小为2 8 m s ，所选用的a d a l l g h p c i 数据采集卡为1 2 位a d 转换。为了确保环境因素对镀制的影响，本系统中也添加了d s l 8 8 2 0 温度传感器来对环境温度进行监控，以便实时调整c c d 参数。3 数据采集系统电路部分设计3 数据采集系统电路部分设计数据采集电路是整个系统的关健环节，是实现信号采集与处理的前级，也是原始信号产生的依据。它主要完成的任务是对光源的调制、对有用信号的输出，以便实现信号的采集与处理。3 1 电路部分总体设计3 1 1 电路的控制实现及输入输出信号特征电路首先控制步进电机带动斩光盘进行光源调制。调制光源为明暗相间频率为i o o h z 的方波，如果用光电管接收后并接入示波器，其输出图形如图3 1 。0图3 1 信号输出示意图由于调制频率较低，故示波器中显示的上升沿和下降沿都会相对产生一个斜角，在进行信号提取时，沿上的这些数据不会被采集到，故这不会影响有用信号的获取。c c d 接入后，在明或暗处则会产生有用数据，该数据会通过采集卡进行a d 转换形成数字信号进入计算机【5 2 】。3 1 2 硬件结构图及程序模块图i 与上位机通讯接口l ic c d 数据倍im a x 2 3 21 号控制if 液曩蔷示h 液品显示卜一。蒜锅揣，2 * 4 键盘i微处理器堕型p 8 7 c 5 5 2i 温虱罚薮翮一。旃镰揆换，l 醅i b 瑟j 。i 姗d 晰s 1 3 0 甜2 卜一l 外扩数据存贮器6 2 1 2 8图3 2 硬件结构图从图3 2 可以看出，微处理器p 8 7 c 5 5 2 在监控系统中处于核心地位，所有外设只有通过微处理器发出控制信息才可以进行各种功能实现操作。其程序模块结构如图3 3 所示。1 3 西安工业大学硕士学位论文图3 3 监控系统程序模块结构图3 1 3 相关元器件简述a 处理器p 8 7 c 5 5 2p 8 7 c 5 5 2 单片8 位微控制器【5 3 】采用先进的c m o s 工艺制造是8 0 c 5 1 微控制器家族的派生品其指令集，包含8 k 字节非易失性e p r o m ，2 5 6 字节r a m ，5 个8 位i o 口，2 个1 6 位定时计数器( 与8 0 c 5 1 定时器相同) ，一个附加的1 6 位定时器具有捕获和比较锁存功能，1 5 个中断源，一个8 输入通道的a d c ，一个双d a c 脉宽调制p w m 接口，两个串行i o 口u a r t 和1 2 c ，一个看门狗定时器和一个片内振荡器和时序电路，p 8 7 c 5 5 2 还具有两个可由软件进行选择的低功耗模式空闲模式和掉电模式空闲模式冻结c p u 但允许r a m 定时器串行h 和中断系统继续工作可以通过软件选择是否在空闲模式下对a d c 进行操作掉电模式可保存r a m 的内容但使振荡器停止这样所有其它片内功能都被禁止在不丢失用户数据的情况下时钟可停止工作也可从时钟停止处恢复执行程序。b z c m l2 8 6 4 a 图形点阵液晶显示模块本系统液晶显示模块选用了z c m l 2 8 6 4 a做为显示窗口实现对镀制过程的全程监控。z c m l 2 8 6 4 a 是一种图形点阵液晶显示器，它主要由行驱动器，列驱动器及1 2 8 6 4 全点阵液晶显示器组成。可完成图形显示，也可以显示4 8 个( 1 6 1 6 点阵) 汉字。其与c p u 接口采用8位数据总线并行输入输出和8 条控制线。c m a x 2 3 2 电平转换器件其作用是将相应的t t l 电平转换为上位机即计算机串口可接受的r s 2 3 2 电平。d o s l 8 6 2 0 温度传感器利用m a x i m 的一线技术，可以实时的提供相应的系统温度，以便实时调整相应的镀膜参数，近而实现镀膜过程的精确控制。e d s l 3 0 2 实时时钟芯片实时给出系统时间，并进行相应的膜镀过程计时，同时将当前系统以及镀膜所用的相关参数进行保存，以便后进行提取或者借鉴。f 1 2 8 k 8 的6 2 1 2 8 数据存贮器提供给系统1 2 8 k 字节的空间来存放相应的镀膜数据以及多次进行镀膜所用到的参数及最终所镀的结果及精度。g 三态控制芯片m m 7 4 h c 2 4 4 实现对有用数据的提取而进行相应信号的通断控制。h 复位电路及2 * 4 键盘阵列复位电路用来实现本监控系统出现不可预知的错误时进行恢复处理，使得系统自动恢复至工作状态。键盘阵列用来转换显示状态及对基本参数的手动调整，使得镀膜过程也可以按设定参数进行镀制。i 步进电动机驱动器s h - - 2 0 8 0 6 c n 及两相混合式步进电机8 6 b y g 2 5 0 a 驱动器两安工业大学硕十学位论文s h - - 2 0 8 0 6 c n 用来提供给电机所需的各种状态，例如电压、步距、转速等等。本系统所用到两个步进电机8 6 b y g 2 5 0 a ，其中一个用于实现对高稳定光源的精确调制，这为后来的有用信号获取提供保障。另一个用来实现膜料的自动更换。3 2 数据采集电路中各功能模块接线及实现方法3 2 1 c p u 接线说明根据外接电路的考虑，本系统选用了菲利普公司研制的6 8 脚p l c c 封装的微处理器8 7 c 5 5 2 ，原理图【4 7 】如下：图3 4 微处理器8 7 c 5 5 2 原理图对微处理器外围接口方式的说明：并口p o 分做八位数据并口线，且做为地址线的低8 位；并口p 1 0 p 1 5 口用于连接液晶控制线，用来对液晶显示部分进行显示控制。p i 6 用于连接温度传感器d s l 8 6 2 0 ，并进行数据传输，p 1 7 悬空不用。并口p 2 o 。p 2 6 做为地址线的高7 位，p 2 7 悬空不用；并1 3p 3 为功能接口，其中p 3 0 与p 3 1 为串口的两个收发接口，p 3 0 为串行收数线即r x d ，p 3 1 为串行发数线即t x d 。p 3 2 与p 3 3 做为c c d 有用信号的输出控制线用于在有用信号产生时通过三态门接通信号线，而在其它情况下阻止无用信号的通过，其中，p 3 2 为行脉冲控制线即f c ，p 3 3 为象西安工业大学硕士学位论文元脉冲控制线即s p 。p 3 6 为读控制线即r d ，p 3 7 为写控制线即w r ，p 3 4与p 3 5 悬空不用；并口p 4 中，p 4 0 p 4 2 为步进电机控制线，其中p 4 0 为步进控制线即s e t p ，每当一个脉冲发生时，也即p 4 0 由低到高电平，再由高电平回至低电平时，启动步进电机前进一步。p 4 1 为步进电机步进方向控制线即d i r ，当其若为高电平时，有步进脉冲来临时，步进电机正向转一步距，若其为低电平时，有步进脉冲来则反向转一个步距。一个步距角一般为9 度或1 8 度。p 4 2为步进电机脱机控制线，当该引脚为高电平时，步进电机脱机空转，不受步进脉冲控制，而在其为低电平时则根据脉冲进行精确旋转。p 4 3 与p 4 4为矩阵按键的横引线。其用来对按键值进行判断。p 4 中的p 4 5 、p 4 6 、p 4 7用来控制日历时钟芯片d