納米測(cè)量機(jī)傳感器信號(hào)顯示與切換系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

盧 歆 雷李華 沈瑤瓊 李 源 王麗華

(中國計(jì)量學(xué)院計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院1，浙江 杭州 310018;上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院2，上海 201203)

0 引言

在微納測(cè)試和計(jì)量領(lǐng)域，器件的尺寸、位置和形貌特征等幾何量的測(cè)量是影響微加工精度和工藝水平的關(guān)鍵因素。以納米測(cè)量機(jī) (nano measuring machine，NMM)為代表的微納坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)是解決微米納米測(cè)量的有效手段之一。目前與之配套的測(cè)量傳感器有很多種，包括原子顯微鏡 (atomic force microscope，AFM)、聚焦式測(cè)頭(laser focus sensor，LFS)、接觸式測(cè)頭和白光干涉測(cè)頭(white light sensor)等。由于不同的測(cè)量任務(wù)需要不同的測(cè)量原理、測(cè)量范圍和測(cè)量精度的測(cè)量傳感器，因此，需要頻繁更換測(cè)頭。這就容易導(dǎo)致測(cè)頭產(chǎn)生接觸不良、效率低下以及故障率高等問題［1－2］。

針對(duì)以上納米測(cè)量機(jī)使用過程中存在的問題，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)具有測(cè)頭測(cè)量信號(hào)/觀察信號(hào)切換功能和記錄輸出測(cè)量信號(hào)電壓值功能的裝置。該裝置作為納米坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的一個(gè)附屬裝置，用以提高測(cè)量的效率，減少設(shè)備出故障的幾率，在保護(hù)儀器的同時(shí)也便于觀察信號(hào)。系統(tǒng)主要由C8051F單片機(jī)控制，通過A/D轉(zhuǎn)換芯片和液晶顯示模塊，實(shí)現(xiàn)其信號(hào)電壓值的顯示功能，并通過多路選通開關(guān)實(shí)現(xiàn)其信號(hào)切換功能［3－4］。

1 裝置系統(tǒng)

系統(tǒng)利用A/D轉(zhuǎn)換芯片及液晶顯示模塊，在單片機(jī)的控制下，實(shí)現(xiàn)信號(hào)電壓實(shí)時(shí)顯示以及測(cè)量信號(hào)與視頻信號(hào)之間的切換功能。系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理圖Fig.1 Principle of the system

系統(tǒng)選用C8051F系列單片機(jī)作為MCU來實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的控制功能。C8051F單片機(jī)是完全集成的低功耗混合信號(hào)片上系統(tǒng)型MCU，它使用Silicon Labs的專利CIP-51微控制器核，具有標(biāo)準(zhǔn)8052的所有外設(shè)部件［5］。CIP-51采用流水線結(jié)構(gòu)，與標(biāo)準(zhǔn)的8051結(jié)構(gòu)相比，其指令執(zhí)行速度有很大的提高。本裝置中所使用的C8051F410芯片采用QFN封裝，且包含精準(zhǔn)度高達(dá)2%的振蕩器，因此，只需采用其內(nèi)部振蕩器就可以完成相應(yīng)的時(shí)鐘功能，從而大大簡(jiǎn)化了硬件電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，使系統(tǒng)更加輕便簡(jiǎn)潔［6］。

1.1 A/D 轉(zhuǎn)換電路

納米測(cè)量機(jī)在開展測(cè)量的過程中，需要引入測(cè)量傳感器的輸出電壓信號(hào)。該信號(hào)的電壓幅度在－10～+10 V之間浮動(dòng)。為了避免由于降壓等措施引起測(cè)量信號(hào)的衰減，系統(tǒng)采用有雙極限的AD574A芯片，在有效簡(jiǎn)化其外圍電路的同時(shí)，更能提高轉(zhuǎn)換精度，減少誤差。根據(jù)單雙極限選擇的不同，其外部電路連接也有一定的區(qū)別。AD574A芯片的連接方式可以參考數(shù)據(jù)手冊(cè)，需要注意的是，外部電阻的連接與否與其轉(zhuǎn)換精度有著密切關(guān)系［7］。

AD574A的工作模式分為全速模式和單一模式兩種。在全速工作模式時(shí)，通過和A0等管腳對(duì)其工作狀態(tài)進(jìn)行控制，邏輯關(guān)系比較復(fù)雜且容易混淆;而單一工作模式就顯得相對(duì)簡(jiǎn)單明了，只需將接至+5 V電源端和A0接至電源地，僅用管腳來控制A/D轉(zhuǎn)換的啟動(dòng)和數(shù)據(jù)輸出。因此，本系統(tǒng)選用單一工作模式。AD574A工作于單一模式時(shí)與單片機(jī)的接口電路如圖2所示。

圖2 AD574A與單片機(jī)的接口電路Fig.2 Interfacing circuit between AD574A and single chip computer

1.2 液晶顯示電路

YM12232是一種內(nèi)置8 192個(gè)16×16點(diǎn)漢字庫和128個(gè)16×8點(diǎn)ASCII字符集圖形點(diǎn)陣的液晶顯示模塊。它主要由行/列驅(qū)動(dòng)器及122×32全點(diǎn)陣液晶顯示器組成，可完成圖形及漢字的顯示。該液晶顯示模塊同時(shí)提供并行和串行通信兩種接口方式，便于和多種微處理器、單片機(jī)進(jìn)行通信［8］。在并行接口方式下，系統(tǒng)將配合RS、RW、E和DB0～DB7來完成指令和數(shù)據(jù)的傳送。而在串行接口方式下，系統(tǒng)則只需通過時(shí)鐘信號(hào)線CLK、數(shù)據(jù)線SID及片選信號(hào)CS配合使用來完成指令和數(shù)據(jù)的傳送。串行接口方式大大簡(jiǎn)化了液晶顯示模塊與單片機(jī)之間的接口設(shè)計(jì)，同時(shí)，串口通信比并行通信擁有更強(qiáng)的抗干擾性，大大改善了以往單片機(jī)接口界面不夠友好的弊端［9］。串行通信時(shí)，各管腳與單片機(jī)的接口電路如圖3所示。

圖3 串行接口電路圖Fig.3 The serial interface circuit

其中，單片機(jī) P2.4口控制片選端 CS，P2.5口控制數(shù)據(jù)線SID，P2.6口控制時(shí)鐘信號(hào)CLK。為了使液晶屏幕能正常顯示，需要在VEE、VDD及VSS之間接一個(gè)10 kΩ電位器，通過電位器的變化來調(diào)節(jié)屏幕背光，使液晶屏可以清晰地顯示。另外，需要注意的是，一般液晶屏出廠的默認(rèn)工作方式是并行方式，因此在選擇串口方式通信時(shí)，需將液晶模塊后面的J2接口重新焊點(diǎn)，使其中間的焊點(diǎn)跟下面的焊點(diǎn)焊接。

1.3 切換系統(tǒng)

為了能更加直觀地表示切換功能，所設(shè)計(jì)的切換系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 切換系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖Fig.4 Simplified diagram of the switching system

圖4中，測(cè)頭1-1、測(cè)頭1-2、測(cè)頭2-1、測(cè)頭2-2四個(gè)BNC接口表示兩組測(cè)頭信號(hào)接口，視頻1和視頻2兩個(gè)BNC接口表示兩個(gè)視頻信號(hào)接口。通過開關(guān)S的上下?lián)軇?dòng)，選擇所需測(cè)頭的測(cè)量信號(hào)和視頻信號(hào)，然后將所選通的測(cè)量信號(hào)提供給A/D轉(zhuǎn)換電路，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)量信號(hào)電壓的實(shí)時(shí)顯示功能。

1.4 電源電路

為了保證單片機(jī)能夠穩(wěn)定地工作，需要的輸入電壓為3.3 V;液晶顯示模塊的標(biāo)準(zhǔn)工作電壓為5 V;AD574A的工作電壓同時(shí)需要5 V、+15 V、－15 V三種電壓。由此可見，整個(gè)電源電路所需要的電壓共有四種，這是一個(gè)電源模塊所不能提供的。因此，在整個(gè)設(shè)計(jì)中又加入了LM2937芯片和電壓轉(zhuǎn)換電路。

2 軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)設(shè)計(jì)的程序流程圖如圖5所示。

圖5 程序流程圖Fig.5 Flowchart of the program

C8051F410具有片內(nèi)Silicon Labs 2線(C2)接口調(diào)試電路，既支持在線觀察和修改存儲(chǔ)器和寄存器，也支持?jǐn)帱c(diǎn)和單步執(zhí)行。執(zhí)行過程不需要額外的目標(biāo)RAM、程序存儲(chǔ)器、定時(shí)器或通信通道。對(duì)于開發(fā)和調(diào)試而言，Silicon Laboratories IDE接口比采用標(biāo)準(zhǔn)MCU仿真器要優(yōu)越得多，只需使用MCU的兩個(gè)C2引腳和GND，即可實(shí)現(xiàn)在線調(diào)試和程序燒制。

3 試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

本系統(tǒng)裝置的數(shù)據(jù)來自于納米坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量時(shí)所用測(cè)量傳感器的測(cè)量信號(hào)，其信號(hào)電壓值范圍為－10～+10 V。由于納米坐標(biāo)測(cè)量機(jī)設(shè)備昂貴，測(cè)量過程中測(cè)頭的測(cè)針容易損壞，所以，試驗(yàn)初期暫時(shí)用Agilent直流穩(wěn)壓源代替。試驗(yàn)環(huán)境為距離地下6 m的超凈實(shí)驗(yàn)室，室溫控制在(20±0.1)℃，相對(duì)濕度控制在(40±20)%。

經(jīng)程序燒制，即可進(jìn)行試驗(yàn)。將直流穩(wěn)壓源的輸出電壓提供給AD574A，通過改變電壓值進(jìn)行誤差試驗(yàn)。每次提供相隔1 V左右的電壓，并記錄此刻LCD顯示的電壓值，共進(jìn)行20組試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。由標(biāo)準(zhǔn)差公式計(jì)算可得，該裝置的電壓示值與輸入電壓間的標(biāo)準(zhǔn)差為0.005 V。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Experimental data

4 結(jié)束語

本文在基于C8051F410、AD574A和YM12232F液晶模塊等工作原理的基礎(chǔ)上，以 C8051F410為核心［11－12］，設(shè)計(jì)了一個(gè)具備切換和顯示功能的系統(tǒng)裝置。該裝置通過各個(gè)模塊的功能設(shè)計(jì)，編制總體框架程序，最后進(jìn)行程序編譯，實(shí)現(xiàn)了測(cè)量信號(hào)和視頻信號(hào)的切換及測(cè)量信號(hào)電壓值的實(shí)時(shí)顯示的功能［13－15］。試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)提高了納米坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量效率，減少了設(shè)備的故障率，對(duì)納米坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的使用和履行更多測(cè)量任務(wù)具有重要的意義。

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