ModbusTCP通訊協(xié)議在高溫MOCVD控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

何華云，林伯奇，胡曉宇

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所，湖南長(zhǎng)沙410111)

MOCVD (Metal-organic Chemical Vapor Deposition)是一種有機(jī)金屬氣相沉積法，通常是以III族、II 族元素的有機(jī)化合物和V 族、VI 族元素的氫化物作為源材料，在真空腔里熱分解后，在襯底表面形成各種III-V 或II-VI 化合物薄層材料，廣泛應(yīng)用于光電子材料和器件等研究和生產(chǎn)中[1]。

目前市場(chǎng)上用于量產(chǎn)的MOCVD 設(shè)備全部依賴進(jìn)口，主要來(lái)自德國(guó)Aixtron 和美國(guó)的Veeco，由于GaN/AlGaN 基材在軍事上的特殊用途，使得能夠生長(zhǎng)AlGaN 材料的高溫MOCVD 設(shè)備受到西方國(guó)家的禁運(yùn)，國(guó)內(nèi)高溫MOCVD 設(shè)備的研究尚屬空白，研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高溫MOCVD 設(shè)備有著非常重要的意義。

中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所2002年起開(kāi)始致力于GaN 基材料生長(zhǎng)用MOCVD 設(shè)備，2013年自主研發(fā)了一臺(tái)19 片的M8453-3/UM型高溫MOCVD 設(shè)備（如圖1所示），用于制備GaN 發(fā)光二極管及大功率激光器所需的GaN/Al-GaN 系外延材料。

圖1 高溫MOCVD 整機(jī)照片

1 高溫MOCVD 控制系統(tǒng)概述

MOCVD 設(shè)備控制系統(tǒng)比較復(fù)雜，通常包括襯底傳送（機(jī)械手，手套箱或傳送室）、襯底旋轉(zhuǎn)、襯底溫控（加熱和在線監(jiān)測(cè)）、氣路、真空、安全聯(lián)鎖等子系統(tǒng)。高溫MOCVD 和普通的MOCVD 設(shè)備的系統(tǒng)組成并無(wú)差別（系統(tǒng)組成原理如圖2所示），其特殊性主要體現(xiàn)在最高生長(zhǎng)溫度為1 450 ℃，而普通的MOCVD 設(shè)備均在1 250 ℃以下。

為適應(yīng)系統(tǒng)中各種部件和外圍檢測(cè)儀表的連接，系統(tǒng)布線簡(jiǎn)單、傳輸速度快、抗干擾能力強(qiáng)。MOCVD 控制系統(tǒng)通常設(shè)計(jì)為基于TCP/IP 協(xié)議的快速以太網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可包含Modbus TCP、DeviciNet、RS485 等多種協(xié)議。

圖2 MOCVD 系統(tǒng)組成原理

MOCVD 工藝對(duì)氣氛和溫度非常敏感，襯底表面的層流氣氛、組分以及襯底溫度控制精度、均勻性，是保證外延材料質(zhì)量的關(guān)鍵。

為了保證襯底旋轉(zhuǎn)速度穩(wěn)定及平滑升/ 降速，旋轉(zhuǎn)控制器選用進(jìn)口伺服智能驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)了襯底旋轉(zhuǎn)最大速度1 200 r/min，并通過(guò)起始速度、加速度、減速度及旋轉(zhuǎn)方向的在線修改，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速斜率上升/下降的靈活控制。

襯底溫度由在線監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)、主控計(jì)算機(jī)和智能溫控儀實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，以保證襯底溫度均勻性控制在±1 ℃。溫控儀內(nèi)部控制器配置有多路電流采集模塊、電壓采集模塊、輸出控制模塊，實(shí)時(shí)采集加熱電源的電流、電壓信息，通過(guò)輸出模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱電源功率的線性控制；溫控儀設(shè)置有雙回路，可預(yù)存多組PID 參數(shù)，可針對(duì)每組PID 設(shè)定其功率輸出上、下限；另外，根據(jù)溫控儀內(nèi)部提供的軟連線功能，可靈活將電壓、電流、電阻、溫度和材料等特性參數(shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，實(shí)時(shí)計(jì)算加熱器當(dāng)前電阻、當(dāng)前溫度，并依據(jù)相關(guān)特征參數(shù)設(shè)置多重報(bào)警，保證設(shè)備運(yùn)行安全可靠。

主控計(jì)算機(jī)需根據(jù)不同的工藝步對(duì)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行速度、加速度、減速度、使能、報(bào)錯(cuò)、驅(qū)動(dòng)模式等數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)定和監(jiān)測(cè)；定時(shí)讀取溫控儀內(nèi)的電壓、電流、電阻、設(shè)置溫度、當(dāng)前溫度及控制模式等數(shù)據(jù)；定時(shí)對(duì)溫度進(jìn)行設(shè)定，并通過(guò)對(duì)控制模式的修改，將當(dāng)前控制方式設(shè)定為開(kāi)環(huán)控制、回路一閉環(huán)控制、回路二閉環(huán)控制。為了滿足主控計(jì)算機(jī)對(duì)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器及多路溫控儀的多個(gè)參數(shù)讀寫(xiě)的通訊要求，我們采用了Modbus TCP 以太網(wǎng)協(xié)議。

2 Modbus TCP 協(xié)議

Modbus TCP 協(xié)議具有以太網(wǎng)的通信速度，能滿足主控計(jì)算機(jī)對(duì)多路控制器多個(gè)參數(shù)快速讀寫(xiě)的要求[2]，且要求的布線簡(jiǎn)單（網(wǎng)線+ 交換機(jī)），是一種理想的MOCVD 控制系統(tǒng)解決方案。Modbus TCP 通信協(xié)議是基于Modbu 協(xié)議的主機(jī)/ 從機(jī)(Master/Slave)通信機(jī)理，與互聯(lián)網(wǎng)(Internet)客戶機(jī)/服務(wù)器(Client/Server)的通信機(jī)理相對(duì)應(yīng)，即Modbus 協(xié)議中的主機(jī)為Modbus TCP 協(xié)議中的客戶端(主控計(jì)算機(jī))，從機(jī)為Modbus TCP 協(xié)議中的服務(wù)器(旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器、智能溫控儀)。

Modbus TCP 協(xié)議是施耐德公司推出的基于TCP/IP 的以太網(wǎng)通信協(xié)議，與傳統(tǒng)的OSI 模型相比，Modbus TCP 協(xié)議網(wǎng)絡(luò)模型中沒(méi)有表示層和會(huì)話層，而在應(yīng)用層采用Modbus，在傳輸層采用TCP 協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)層采用IP 協(xié)議。將Modbus 與TCP/IP 相結(jié)合，在TCP 幀中嵌入Modbus 信息幀，去掉Modbus 信息幀中的差錯(cuò)校驗(yàn)，再在Modbus信息幀前添加7 個(gè)字節(jié)的報(bào)文頭，組成Modbus TCP 協(xié)議信息幀，如圖3所示。

圖3 Modbus TCP 協(xié)議信息幀格式

3 Modbus TCP 通信實(shí)現(xiàn)

3.1 編程環(huán)境及通訊端設(shè)置

主控計(jì)算機(jī)使用Visual Basic 6.0 編程環(huán)境，采用套接字控件Winsock 與其它控制器進(jìn)行通訊。Winsock 控件是基于Windows 操作系統(tǒng)的套接字網(wǎng)絡(luò)編程接口，可以方便地實(shí)現(xiàn)主控計(jì)算機(jī)與其它控制器“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”通信。“套接字”的實(shí)質(zhì)是在IP 協(xié)議的基礎(chǔ)上以TCP 或UDP 規(guī)范進(jìn)行信息交換，建立雙方通信的過(guò)程即稱建立一個(gè)“套接字”，進(jìn)行各種信息的交流。

主控計(jì)算機(jī)利用IP 地址與各控制器建立TCP 連接，而Modbus TCP 協(xié)議規(guī)定每個(gè)控制器還必須有自己的單元地址(在控制器端設(shè)置)，這個(gè)單元地址與IP 地址一樣，也是唯一的，用于構(gòu)成信息幀，其取值范圍為0～255。

3.2 Modbus TCP 通信實(shí)現(xiàn)

利用旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器配置的專用測(cè)試軟件Work-Bench，測(cè)試主控計(jì)算機(jī)與智能驅(qū)動(dòng)器的Modbus TCP 連接是否成功，并獲取所需的各控制參數(shù)地址，進(jìn)行驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)；然后利用智能溫控儀配置的ITools 軟件，測(cè)試主控計(jì)算機(jī)與溫控儀的PID 控制器是否連接成功，獲取所需的各控制參數(shù)地址。主控計(jì)算機(jī)與控制器之間的完整通信過(guò)程如圖4所示。

圖4 主控計(jì)算機(jī)與控制器通信過(guò)程

3.3 讀控制器參數(shù)子程序示例

Private Sub ReadFromController(單元識(shí)別號(hào)，參數(shù)地址)

Dim byte_Out(0 to 11) as byte

byte_Out(0) = &H0 ' 事務(wù)處理標(biāo)識(shí)符高/ 低字節(jié)-由服務(wù)器復(fù)制，通常為0

byte_Out(1) = &H0

byte_Out (2) = &H0 ' 協(xié)議識(shí)別號(hào)高/ 低字節(jié)，為0

byte_Out(3) = &H0 '

byte_Out(4) = &H0 ' 長(zhǎng)度字段高字節(jié)（所有的消息長(zhǎng)度小于256 字節(jié)）

byte_Out(5) = &H6 ' 長(zhǎng)度字段低字節(jié)，等于此數(shù)組此字節(jié)后續(xù)的字節(jié)個(gè)數(shù)

byte_Out(6) = &H1 ' 單元識(shí)別號(hào)(根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行修改)

'上述信息為7 個(gè)字節(jié)的Modbus TCP 報(bào)文頭

byte_Out (7) = &H3 ' 讀多個(gè)寄存器命令功能碼

byte_Out (8) = "&H" + 4 位16 進(jìn)制參數(shù)地址的高字節(jié)

byte_Out (9) = "&H" + 4 位16 進(jìn)制參數(shù)地址的低字節(jié)

byte_Out (10) = &H0 ' 參數(shù)值的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度信息高字節(jié)

byte_Out (11) = &H1 ' 參數(shù)值的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度信息低字節(jié)

End Sub

3.4 寫(xiě)控制器參數(shù)子程序示例

Private Sub WriteToController(單元識(shí)別號(hào)，參數(shù)地址，所寫(xiě)數(shù)據(jù))

Dim byte_Out(0 to 16) As Byte

byte_Out(0) = &H0 '事務(wù)處理標(biāo)識(shí)符高/ 低字節(jié)-由服務(wù)器復(fù)制，通常為0

byte_Out(1) = &H0

byte_Out (2) = &H0 ' 協(xié)議識(shí)別號(hào)高/ 低字節(jié)，為0(表示Modbus/TCP 協(xié)議)

byte_Out(3) = &H0

byte_Out(4) = &H0 ' 長(zhǎng)度信息高字節(jié)（所有的消息長(zhǎng)度小于256 字節(jié)）

byte_Out(5) = &HB ' 長(zhǎng)度信息低字節(jié)，等于數(shù)組此字節(jié)后續(xù)的字節(jié)個(gè)數(shù)

byte_Out(6) = &HFF '單元識(shí)別號(hào)

'上述信息為7 個(gè)字節(jié)的Modbus TCP 報(bào)文頭

byte_Out (7) = &H10 ' 此處為寫(xiě)多個(gè)字功能碼，可根據(jù)實(shí)際情況修改

byte_Out (8) = 4 位16 進(jìn)制參數(shù)地址信息的高字節(jié)

byte_Out (9) = 4 位16 進(jìn)制參數(shù)地址信息的低字節(jié)

byte_Out(10) = 寫(xiě)寄存器個(gè)數(shù)信息高字節(jié)

byte_Out(11) = 寫(xiě)寄存器個(gè)數(shù)信息低字節(jié)

byte_Out(12) = 寫(xiě)數(shù)據(jù)字節(jié)個(gè)數(shù)信息（2* 寄存器個(gè)數(shù)）

' 將需寫(xiě)入的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為4 字節(jié)的16 進(jìn)制信息

byte_Out(13) = &H00 ' 以寫(xiě)十進(jìn)制值1234 為例（轉(zhuǎn)換為16 進(jìn)制值為&H000004D2）

byte_Out(14) = &H00

byte_Out(15) = &H04

byte_Out(16) = &HD2

End Sub

4 結(jié)束語(yǔ)

目前，M8453-3/UM 型高溫MOCVD 設(shè)備已經(jīng)研發(fā)完成，在藍(lán)寶石襯底和Si 襯底上成功生長(zhǎng)出AlN/AlGaN 材料，應(yīng)用于HEMT 功率開(kāi)關(guān)和LED器件上，并擴(kuò)展應(yīng)用到紫外LED 和日盲探測(cè)器的研究中。

[1]過(guò)潤(rùn)秋，陳賢能.基于PLC 的MOCVD 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息.2007，23(5-1)：25-27.

[2]尹靜濤，董會(huì).Modbus/TCP 協(xié)議在高爐監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用[J].中國(guó)科技信息.2009(21)：144.