基于LabVIEW的碳基薄膜制備自動(dòng)控制系統(tǒng)開發(fā)研究

摘 "要： 基于LabVIEW圖形化編程軟件和PCI1711多功能卡，設(shè)計(jì)開發(fā)了用于真空等離子鍍膜機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)四面體非晶碳薄膜制備工藝的自動(dòng)控制。該系統(tǒng)共分為5個(gè)模塊：鍍膜機(jī)各設(shè)備的電源控制（70路）、模/數(shù)轉(zhuǎn)換（32路）、數(shù)模轉(zhuǎn)換（32路）、PWM輸出（6路）、機(jī)間通信（采用RS 485總線）。對(duì)電源的控制通過電磁繼電器實(shí)現(xiàn);數(shù)/模轉(zhuǎn)換通過開關(guān)量輸出接口控制D/A轉(zhuǎn)換器予以實(shí)現(xiàn);模數(shù)轉(zhuǎn)換通過多路模擬開關(guān)芯片進(jìn)行選通后送到數(shù)據(jù)采集卡的模擬量輸入端予以實(shí)現(xiàn);通過RS 485總線實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合真空計(jì)、渦輪分子泵、氣體質(zhì)量流量計(jì)等的控制與數(shù)據(jù)獲取。實(shí)驗(yàn)表明， 該控制系統(tǒng)具有對(duì)真空度、離子束表面改性、真空磁過濾多弧鍍膜的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制功能，實(shí)現(xiàn)了薄膜制備的計(jì)算機(jī)控制。

關(guān)鍵詞： LabVIEW; 四面體非晶碳薄膜; 真空磁過濾多弧; 離子束表面改性

中圖分類號(hào)： TN915.9?34; TP311 " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A " " " " " " " " " " " "文章編號(hào)： 1004?373X（2015）02?0111?04

Development of LabVIEW?based automatic control system for tetrahedral amorphous carbon film preparation

AN Shu?dong1， BI Peng2， ZHAO Hai?tian3， ZHAO Yu?qing1

（1. Key Laboratory for Physical Electronics and Devices of Ministry of Education， School of Electronics and Information Engineering， Xi’an Jiaotong University， Xi’an 710049， China; 2. City College， Xi’an Jiaotong University， Xi’an 710018， China;

3. Guangzhou Iron amp; Steel Enterprises Group， Guangzhou 510381， China）

Abstract： A automatic control system for vacuum plasma coating machine was designed by means of graphical programming software LabVIEW and data acquisition card PCI1711， which realized automatic control of tetrahedral amorphous carbon film preparation. The design of the system hardware and the core software is described in detail. This system can be divided into five modules： power control， A/D conversion， D/A conversion， PWM output and inter?host communication. The power supply is mainly controlled by electromagnetic relay. D/A conversion is implemented by output on?off interface. A/D Conversion can be achieved by the multi?channel analog switch chip and data acquisition card. The composite vacuometer， molecular pump and gas mass flowmeter ， and their data acquisition are controlled through RS485 data bus. The experiment results indicate that the control system has the real?time monitoring and control functions of vacuum degree， ion beam surface modification，and filtered cathode vacuum arc coating. Computer control of film preparation was realized.

Keywords： LabVIEW; tetrahedral amorphous carbon film; filtered cathode vacuum arc; ion beam surface modification

0 "引 "言

近年來，四面體非晶碳膜（tetrahedral amorphous Carbon films，ta?C）憑借其具備許多堪與天然金剛石相媲美的卓越性能而備受關(guān)注[1?3]。通過等離子電弧在結(jié)構(gòu)件基體表面沉積ta?C薄膜，能夠極大地提高構(gòu)件的耐磨性、耐腐蝕性等性能?，F(xiàn)已廣泛應(yīng)用于微電子、醫(yī)療、國防等不同領(lǐng)域，成為新型碳材料家族中最具吸引力的材料之一[4?5]。隨著ta?C薄膜的廣泛推廣和應(yīng)用，必將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益，因此，對(duì)ta?C薄膜的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化技術(shù)研究逐漸成為近年來的熱點(diǎn)。

然而，由于ta?C涂層制備工藝的窗口期很窄，要進(jìn)行大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，如果沒有一套完整的自動(dòng)控制系統(tǒng)，要保證制備過程中的一致性和重復(fù)性將會(huì)非常困難，因此研制用于鍍膜裝置的自動(dòng)控制系統(tǒng)，是ta?C薄膜大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵所在。

本文利用圖形化編程語言LabVIEW編寫軟件，通過研華公司的PCI?1711多功能卡將鍍膜機(jī)中的各個(gè)部件與計(jì)算機(jī)相連接，開發(fā)并設(shè)計(jì)了用于ta?C薄膜制備的自動(dòng)控制系統(tǒng)，有效地控制制備過程中出現(xiàn)的偏差，消除人的主觀性對(duì)薄膜制備質(zhì)量一致性的影響，保證ta?C薄膜在工業(yè)化生產(chǎn)中涂層性能的一致性和可重復(fù)性，對(duì)ta?C薄膜制備的產(chǎn)業(yè)化具有重要意義。

1 "系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)分為5部分。主要由內(nèi)置多功能卡PCI1711的PC機(jī)、各設(shè)備電源控制電路板A、多路模擬電壓信號(hào)選通電路板B、多路數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路板C、多路脈沖量輸出電路板D以及有基于RS 485總線的設(shè)備間互聯(lián)通信網(wǎng)絡(luò)等組成。該系統(tǒng)能夠?qū)Ρ∧ぶ苽涞母鱾€(gè)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

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圖1 薄膜制備硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)為普通工業(yè)用計(jì)算機(jī)或個(gè)人電腦，多功能卡選用北京研華公司的PCI?1711多功能卡，它包含16路單端或8路差分模擬量輸入的12位A/D轉(zhuǎn)換、2路12位模擬量輸出、16路開關(guān)量輸入、16路開關(guān)量輸出、1路脈沖量輸出。由于實(shí)際本系統(tǒng)要控制的開關(guān)量、模擬量輸入路數(shù)、模擬量輸出路數(shù)、脈沖量輸出路數(shù)都遠(yuǎn)大于多功能卡的路數(shù)，因此要對(duì)該卡的功能進(jìn)行擴(kuò)展。需要外加電路板實(shí)現(xiàn)，具體見圖1中的電路板A、B、C、D，這樣才能實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和輸出控制。

在電路板A中，通過控制電磁繼電器完成對(duì)各個(gè)電源啟動(dòng)與關(guān)閉的控制。

將數(shù)據(jù)采集卡16路開關(guān)量輸出的高8位作為地址輸出，低8位作為控制數(shù)據(jù)輸出，在本控制電路板上采用74HC574觸發(fā)器鎖存控制數(shù)據(jù)，每個(gè)74HC574控制8個(gè)設(shè)備，設(shè)計(jì)了15個(gè)74HC574，共可輸出120路控制信號(hào)。每一路控制信號(hào)可以控制一個(gè)三極管的通斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)一個(gè)電磁繼電器的控制，通過電磁繼電器的觸頭的接通或斷開控制1個(gè)設(shè)備的電源通斷。其中一路的控制電路見圖2。

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圖2 "一路設(shè)備的電源控制電路

本系統(tǒng)的數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路采用8個(gè)DAC7725芯片，該芯片是美國AD公司出品的高性能12位工業(yè)級(jí)D/A芯片，每個(gè)芯片內(nèi)含4個(gè)獨(dú)立的12位D/A轉(zhuǎn)換器，可以輸出4路各自獨(dú)立的模擬電壓。8個(gè)DAC7725共可提供32路模擬電壓輸出，滿足了本系統(tǒng)需要30路用于設(shè)備控制的模擬電壓需求。通過DAC7725芯片對(duì)數(shù)據(jù)采集卡輸出的12位數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換公式如下：

[Vout=VREFL+VREFIL-VREFL?N4 095]

式中：Vout為送給設(shè)備的控制電壓;VREFL和VREFH 分別為芯片需要的參考電壓;N為轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)[6]。根據(jù)DAC7725的轉(zhuǎn)換時(shí)序，可將LDAC和R/W均設(shè)置為低電平有效，之后輸入12位數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換，DAC7725輸出端輸出一個(gè)Vout電壓送至受控設(shè)備的接線見圖3。

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圖3 DAC7725接線圖

模擬量輸入電路（A/D轉(zhuǎn)換），將設(shè)備送來的0～5 V的模擬電壓，通過2片8路模擬開關(guān)芯片CD4051進(jìn)行選通后送到數(shù)據(jù)采集卡的模擬量輸入端，由于PCI1711共有16路模擬量輸入端，2個(gè)4051占用了2個(gè)輸入通道，還有14個(gè)通道可供模擬電壓輸入，從而共可以提供30路模擬量輸入測(cè)量。滿足本系統(tǒng)28路模擬電壓輸入采集的要求。模擬電壓選通電路見圖4。

在薄膜制備過程中，需要控制真空室真空度、離子源氣體進(jìn)氣流量、分子泵轉(zhuǎn)速等，而這些設(shè)備都配備了RS 485計(jì)算機(jī)通信接口，并提供了相應(yīng)的通信協(xié)議[7?8]，因此，只需要利用RS 485總線，便能實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與這些設(shè)備之間的通信，對(duì)其實(shí)施控制。

圖4 模擬電壓選通電路

2 "基于LabVIEW環(huán)境下控制程序設(shè)計(jì)

基于LabVIEW環(huán)境的四面體非晶碳膜制備自動(dòng)控制系統(tǒng)軟件是采用順序結(jié)構(gòu)的思想來編寫的，流程圖如圖5所示，根據(jù)ta?C薄膜制備工藝中不同設(shè)備的控制方式不同，將程序分為電源控制、數(shù)/模轉(zhuǎn)換、模/數(shù)轉(zhuǎn)換、多路PWM輸出和機(jī)間通信5部分。

對(duì)于電源的控制，主要通過數(shù)據(jù)采集卡輸出高低電平控制電磁繼電器實(shí)現(xiàn)。在LabVIEW中，利用Diowriteportbyte函數(shù)，一次性輸入8位數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)輸出端state，由于電路通過反相器以及ULN2003型復(fù)合晶體管，因此，當(dāng)程序輸出低電平（0）時(shí)，控制設(shè)備啟動(dòng)，當(dāng)程序輸出高電平（11111111，即十進(jìn)制255）時(shí)，控制設(shè)備關(guān)閉。

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圖5 薄膜制備工藝流程圖

在數(shù)/模、模/數(shù)轉(zhuǎn)換（D/A、A/D）部分，首先利用控制原理中介紹的公式計(jì)算出需要輸入的12位數(shù)字量，然后分為低8位、高4位分別送入數(shù)據(jù)采集卡，經(jīng)過轉(zhuǎn)換，輸出對(duì)應(yīng)的0～5 V的模擬電壓信號(hào)，控制設(shè)備的運(yùn)行;如果設(shè)備工作狀態(tài)發(fā)生改變，以模擬量輸出的方式，將自身的工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換成0～5 V的模擬電壓信號(hào)傳送到數(shù)據(jù)采集卡的輸入端，實(shí)現(xiàn)信息的反饋，其程序框圖如圖6所示。

在鍍膜過程中，同樣需要很多設(shè)備與計(jì)算機(jī)之間的通信，這些通信可以通過RS 485總線串行通信接口來實(shí)現(xiàn)，在軟件設(shè)計(jì)中，VISA函數(shù)可以很好實(shí)現(xiàn)這一功能[9?10]。

設(shè)備使用異步串行通信接口，采用RS 485通信方式，其數(shù)據(jù)格式為：一個(gè)起始位，8個(gè)數(shù)據(jù)位，無校驗(yàn)位，2個(gè)停止位。設(shè)置串口號(hào)COM1、波特率4 800 b/s、校驗(yàn)位NONE、數(shù)據(jù)位8、停止位2等參數(shù)（注意：設(shè)置的參數(shù)必須與儀器設(shè)置的一致），選擇 " " " 16進(jìn)制發(fā)送方式，將要輸入的指令通過總線接口進(jìn)行傳送，從而達(dá)到與設(shè)備之間的通信，程序框圖如圖7所示。

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圖6 D/A、A/D轉(zhuǎn)換上位機(jī)部分程序框圖和前面板

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圖7 真空室真空度控制程序框圖

3 "實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)證明，此系統(tǒng)可以制備出四面體非晶碳膜，運(yùn)行本控制系統(tǒng)的程序界面如圖8所示。lt;E：＼王芳＼現(xiàn)代電子技術(shù)201502＼Image＼10t8.tifgt;

圖8 控制系統(tǒng)程序界面

對(duì)此薄膜用Dimension 3100 SPM型原子力顯微鏡作為測(cè)試儀器，效果如圖9所示。

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圖9 本系統(tǒng)制備出的ta?C薄膜的表面形貌

4 "結(jié) "語

本文利用LabVIEW 軟件平臺(tái)構(gòu)建了四面體非晶碳薄膜制備的自動(dòng)控制系統(tǒng)，結(jié)合西安交通大學(xué)磁過濾陰極真空電弧源多層介質(zhì)涂層設(shè)備，最終制備了高質(zhì)量的ta?C薄膜，同時(shí)，在薄膜沉積過程中，還可以利用該自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)ta?C薄膜進(jìn)行各種調(diào)控，使薄膜具有更加穩(wěn)定的性能，減少了在傳統(tǒng)人工控制中的許多人為性錯(cuò)誤操作和批量生產(chǎn)質(zhì)量的不一致性，對(duì)ta?C薄膜的廣泛應(yīng)用具有重要意義。

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