激光調(diào)阻機(jī)測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

林秉泉，徐巧玉，徐 愷，宋江巖，王軍委

(1.河南科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河南 洛陽 471003；2. 洛陽冰巖激光設(shè)備有限公司，河南 洛陽 471003；3. 洛陽銀杏科技有限公司，河南 洛陽 471003)

0 引言

在厚膜電阻的生產(chǎn)過程中，通過印刷技術(shù)制造的電阻誤差達(dá)到15%～20%，無法滿足高精度應(yīng)用的需求，因此需要對電阻進(jìn)行進(jìn)一步加工以提高電阻精度。激光調(diào)阻具有高效率、無污染及高精度等優(yōu)點(diǎn)，成為目前主要的調(diào)阻方式[1-3]。激光調(diào)阻機(jī)的調(diào)阻精度和效率決定目標(biāo)電阻的指標(biāo)，因此亟需對激光調(diào)阻機(jī)的電阻檢測與控制問題進(jìn)行研究。

目前，國內(nèi)外在激光調(diào)阻機(jī)測量與控制方面進(jìn)行了一系列研究[4 -13]，由于嵌入式測控系統(tǒng)靈活性高、專用性強(qiáng)、集成化高及功能可定制等特點(diǎn)，成為激光調(diào)阻機(jī)測控系統(tǒng)的主要研究方向。文獻(xiàn)[14-16]提出基于單臂電橋測量的激光調(diào)阻機(jī)測控系統(tǒng)，通過對電阻檢測原理的研究，實(shí)現(xiàn)了硬件控制激光器，有效地提高了調(diào)阻效率和調(diào)阻精度。但其系統(tǒng)構(gòu)成較為復(fù)雜，使用硬件對系統(tǒng)進(jìn)行誤差補(bǔ)償無法有效提高系統(tǒng)測量精度。文獻(xiàn)[17-20]提出基于開爾文法檢測電阻的激光調(diào)阻機(jī)測控系統(tǒng)，使用可編程的高精度恒流源作為激勵(lì)產(chǎn)生電流信號，有效地提高了系統(tǒng)的測量范圍與測量精度。但由于測量系統(tǒng)直接由上位機(jī)進(jìn)行控制，無法有效地控制激光器動(dòng)作，引起調(diào)阻速度慢、調(diào)阻精度低等問題。

為了實(shí)現(xiàn)激光調(diào)阻機(jī)的高速高精度調(diào)阻，本文設(shè)計(jì)了一種激光調(diào)阻機(jī)測控系統(tǒng)。采用高級精簡指令集微處理器(advanced RISC machine,ARM)作為主控制器，負(fù)責(zé)調(diào)阻過程中的電阻阻值采集與激光器的控制，結(jié)合實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(real time operating system,RTOS)保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性與可靠性。采用開爾文測阻法搭建高精度恒流源、信號調(diào)理與數(shù)據(jù)采集電路，提高電阻采集精度。通過設(shè)置數(shù)模轉(zhuǎn)換器(digital to analog converter,DAC)輸出與檢測信號進(jìn)行比較，由硬件直接控制激光器動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)電阻的刻蝕，保證了調(diào)阻精度與調(diào)阻效率。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

為了有效控制激光調(diào)阻機(jī)，使其能夠快速、精確地控制電阻刻蝕，設(shè)計(jì)了激光調(diào)阻機(jī)測控系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖如圖1所示，主要包括：主控單元、檢測與采集單元和比較輸出單元。

圖1 激光調(diào)阻機(jī)系統(tǒng)框圖

主控單元：主要負(fù)責(zé)與上位機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)消息處理、檢測與采集參數(shù)配置、待調(diào)電阻計(jì)算、參考電壓計(jì)算和系統(tǒng)誤差補(bǔ)償?shù)裙ぷ?，并根?jù)執(zhí)行動(dòng)作參數(shù)信息控制檢測與采集單元、比較輸出單元執(zhí)行動(dòng)作。

檢測與采集單元：實(shí)現(xiàn)待調(diào)電阻的檢測與采集。首先，恒流源根據(jù)待調(diào)電阻信息輸出恒定電流，并在待調(diào)電阻兩端產(chǎn)生電壓。信號調(diào)理電路對電壓值進(jìn)行濾波、放大后，由數(shù)據(jù)采集電路將電壓值轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號返回到主控制器。

比較輸出單元：將主控制器計(jì)算后的標(biāo)準(zhǔn)電阻值轉(zhuǎn)換為參考電壓，和檢測與采集單元傳輸?shù)碾妷哼M(jìn)行比較，比較產(chǎn)生的晶體管-晶體管邏輯電平(transistor transistor logic,TTL)信號控制激光器的停止動(dòng)作。

系統(tǒng)工作流程：本系統(tǒng)由上位機(jī)控制?？刂浦噶钔ㄟ^通用串行總線(universal serial bus,USB)發(fā)送到主控單元，主控單元根據(jù)控制指令計(jì)算參數(shù)配置信息，并控制檢測與采集單元執(zhí)行動(dòng)作，對待調(diào)電阻進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測與阻值采集。將采集的待調(diào)電阻信息返回到主控單元中進(jìn)行計(jì)算，判斷當(dāng)前電阻是否可調(diào)，并將電阻值返回到上位機(jī)。若當(dāng)前電阻不可調(diào)，本次調(diào)阻結(jié)束。反之，主控輸出參考信號到比較輸出單元，同時(shí)，上位機(jī)控制激光器開始調(diào)阻。比較輸出單元將參考電壓信號與實(shí)時(shí)檢測的電壓信號進(jìn)行比較。當(dāng)兩者相等時(shí)，比較器發(fā)送TTL電平轉(zhuǎn)換信號控制激光器停止。同時(shí)，主控單元控制檢測與采集單元采集電阻值信息，并將調(diào)阻完成后的電阻值返回到上位機(jī)。

2 激光調(diào)阻測控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控單元

主控制器采用STM32F407VG T6芯片，具有豐富的外圍設(shè)備接口，系統(tǒng)主頻達(dá)到168 MHz，內(nèi)部集成的浮點(diǎn)運(yùn)算單元(float point unit,FPU)可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行精確計(jì)算，保證系統(tǒng)的精度與速度[21]。通信芯片采用USB3300，支持高速USB2.0，最大傳輸速度達(dá)480 Mbits/s。與主控芯片連接后，可以保證上位機(jī)指令的準(zhǔn)確快速傳輸。主控單元硬件設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖2 主控單元硬件設(shè)計(jì)框圖

2.2 檢測與采集單元

2.2.1 開爾文法檢測原理

開爾文法測阻原理，通過恒流源在電阻兩端產(chǎn)生電壓，由電壓表直接測量電阻兩端電壓，可減小線電阻的影響，獲得較為精確的阻值，所以開爾文法又被稱為四線制測阻法[22]。

設(shè)待測電壓為U，恒定電流為I，待測電阻為Rx，導(dǎo)線電阻為r。根據(jù)開爾文法原理可得，電壓與電流的理想關(guān)系為：

U=IRx。

(1)

圖3 檢測與采集電路結(jié)構(gòu)框圖

2.2.2 檢測與采集單元基本結(jié)構(gòu)

根據(jù)開爾文法測阻原理，檢測與采集電路包括恒流源、檢測通道和數(shù)據(jù)采集電路3個(gè)部分。待測電路產(chǎn)生的電壓在傳輸過程中極易受到干擾，因此，增加信號調(diào)理電路保證信號的穩(wěn)定性。檢測與采集電路結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖4 恒流源電路

2.2.3 檢測與采集單元電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)恒流源為反饋型恒流源，由雙運(yùn)放構(gòu)成電流發(fā)生電路，使用繼電器控制恒流源擋位切換[23]。恒流源電路分為兩部分，電路如圖4所示。

第1部分由基準(zhǔn)信號源、運(yùn)放AD706、P溝道結(jié)型場效應(yīng)晶體管(junction field-effect transistor，JFET)、基準(zhǔn)電阻組成。設(shè)流經(jīng)電阻R1的電流為I1，Vref為基準(zhǔn)電壓，根據(jù)運(yùn)放的虛短定理，通過調(diào)整管后流經(jīng)R1的電流I1為：

I1=Vref/R1。

(2)

在恒流工作狀態(tài)下P溝道JFET的源極電流與漏極電流相等，所以流入電阻R2的電流I2與I1相等。因此電阻R2兩端的壓降V2為：

V2=I1R2=(Vref/R1)R2。

(3)

第2部分由采樣電阻、運(yùn)放AD706、N溝道JFET組成。由式(3)可得R2上的電壓V2為恒定電壓。根據(jù)運(yùn)放的虛短定理，采樣電阻R3～R8的電壓與R2的電壓相等。通過繼電器選擇不同的采樣電阻Rf，即可輸出不同的恒定電流。所以流經(jīng)N溝道JFET的電流，即恒流源的輸出電流IL：

IL=V2/Rf=((Vref/R1)R2)/Rf。

(4)

為實(shí)現(xiàn)設(shè)備對多路電阻值的連續(xù)調(diào)阻，檢測通道設(shè)計(jì)為由繼電器陣列組成的可擴(kuò)展的多通道繼電器板。繼電器板由輸入/輸出(input/output,I/O)擴(kuò)展芯片CH423、繼電器驅(qū)動(dòng)和繼電器組成。CH423負(fù)責(zé)將主控的控制信號轉(zhuǎn)換為I/O輸出，進(jìn)而控制繼電器通道切換。檢測通道是由干簧繼電器構(gòu)成的繼電器陣列，最大可支持單板120×120通道。

信號調(diào)理電路如圖5所示，共分為3個(gè)部分。信號調(diào)理電路第1部分是由AD8220儀表運(yùn)算放大器構(gòu)成的共模抑制放大電路，AD8220是具有放大倍數(shù)可調(diào)的增益放大器，該放大器在單位增益下具有94 dB以上的共模信號抑制能力，可以大幅度降低來自于測量端的共模干擾[24]。在對小阻值電阻進(jìn)行測量時(shí)，匹配不同的增益電阻Rg，可以產(chǎn)生不同的放大倍數(shù)，以增大系統(tǒng)的可測量范圍。第2部分是由AD820構(gòu)成的兩極點(diǎn)的Sallen-Key濾波器，調(diào)節(jié)電阻電容參數(shù)以實(shí)現(xiàn)對高頻干擾的濾波。電阻R3與電阻R1構(gòu)成電阻分壓器，以便信號能夠縮放到模數(shù)轉(zhuǎn)換器(analog to digital converter,ADC)的輸入電壓。第2部分的輸出信號分別流向比較器與數(shù)據(jù)采集電路。第3部分是由THP210全差分運(yùn)放構(gòu)成的運(yùn)算放大電路，將單端信號轉(zhuǎn)換為差分信號進(jìn)入數(shù)據(jù)采集電路。

圖5 信號調(diào)理電路

為保證系統(tǒng)的反應(yīng)速度，提高數(shù)據(jù)采集精度，數(shù)據(jù)采集模塊采用AD7176-2高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片。AD7176-2是一款快速建立、高精度、高分辨率的∑-Δ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，適合低帶寬輸入信號。AD7176-2為24位高精度ADC，最高采樣率為150 KSPS，可以得到17個(gè)無噪聲位的完全建立數(shù)據(jù)。AD7176-2支持差分輸入或單端輸入，將0～2.5 V電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。

2.3 比較輸出單元

比較輸出單元的參考信號來自DAC輸出。通過主控制器計(jì)算目標(biāo)電阻的電壓值，控制DAC輸出參考電壓并與調(diào)阻過程中的電壓變化進(jìn)行比較。選用比較器實(shí)現(xiàn)電壓的比較，并輸出TTL信號控制激光器。比較輸出電路如圖6所示。

圖6 比較輸出電路

數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片采用AD5541高精度DAC，輸出電壓精度16位，保證了參考信號的高精度。比較器使用AD790，傳播延遲最大值為45 ns，輸入失調(diào)電壓為250 μV，輸入遲滯電壓500 μV，可以靈敏地識別輸入信號的微弱變化。

3 激光調(diào)阻測控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

針對激光調(diào)阻機(jī)測控系統(tǒng)高速、穩(wěn)定與多任務(wù)處理的要求，引入了RT-Thread實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。將設(shè)備硬件驅(qū)動(dòng)嵌入到系統(tǒng)中，通過多任務(wù)切換實(shí)時(shí)處理測量過程中的任務(wù)。系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

RT-Thread是一個(gè)嵌入式實(shí)時(shí)多線程操作系統(tǒng)，以線程調(diào)度為基本調(diào)度單位、使用基于優(yōu)先級的搶占式調(diào)度算法進(jìn)行任務(wù)切換[25-26]。在激光調(diào)阻機(jī)測控系統(tǒng)中引入RT-Thread，將測量與控制過程中的具體任務(wù)劃分為線程，使用優(yōu)先級對線程進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)用，保證系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)性。

激光調(diào)阻機(jī)測控系統(tǒng)的主要任務(wù)分為4個(gè)部分：消息處理、電阻采集參數(shù)配置、數(shù)據(jù)計(jì)算與誤差補(bǔ)償。系統(tǒng)通過設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序調(diào)用外圍設(shè)備執(zhí)行動(dòng)作，系統(tǒng)軟件流程圖如圖8所示。

圖8 軟件流程圖

4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

為驗(yàn)證系統(tǒng)性能，本文通過測量實(shí)驗(yàn)與調(diào)阻實(shí)驗(yàn)，對系統(tǒng)的測量精度、調(diào)阻效率與調(diào)阻精度進(jìn)行驗(yàn)證。激光調(diào)阻機(jī)測控系統(tǒng)硬件測試平臺如圖9所示。

圖9 激光調(diào)阻機(jī)測控系統(tǒng)硬件測試平臺

4.1 測量實(shí)驗(yàn)

取激光調(diào)阻機(jī)工作區(qū)間(0.5 Ω～40 MΩ)的多組電阻值，分別對不同擋位進(jìn)行測量實(shí)驗(yàn)。為驗(yàn)證測量精度，使用FLUKE 8508A八位半高精度萬用表的測量結(jié)果作為參考值。測量實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 測量實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表1可知：在低阻值區(qū)間(1～100 Ω)，測量結(jié)果相對誤差小于0.2%；在標(biāo)準(zhǔn)阻值區(qū)間(100 Ω～100 kΩ)，測量結(jié)果相對誤差小于0.01%；在高阻值區(qū)間(100 kΩ～10 MΩ)，測量結(jié)果相對誤差小于0.1%。

4.2 調(diào)阻實(shí)驗(yàn)

取激光調(diào)阻機(jī)工作區(qū)間(0.5 Ω～40 MΩ)的多組電阻值，分別對不同擋位進(jìn)行調(diào)阻實(shí)驗(yàn)。在連續(xù)調(diào)阻過程中，使用示波器采集比較器輸出波形，驗(yàn)證調(diào)阻效率。調(diào)阻完成后，使用FLUKE 8508A八位半高精度萬用表測量阻值，分析驗(yàn)證調(diào)阻精度。

設(shè)置示波器采樣率為40 kHz，在連續(xù)調(diào)阻過程中對比較器輸出信號進(jìn)行連續(xù)采樣，比較器輸出電壓如圖10所示。

①單次調(diào)阻周期；②設(shè)置測量通道；③調(diào)阻前判斷； ④粗調(diào)；⑤精調(diào)；⑥調(diào)阻后測量。圖10 連續(xù)調(diào)阻下比較器輸出波形

由圖10可知：在單次調(diào)阻周期內(nèi)，調(diào)阻時(shí)間接近于20 ms，則在連續(xù)調(diào)阻下，調(diào)阻速度可達(dá)50個(gè)/s。

調(diào)阻實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。由表2可知：在低阻值區(qū)間(1～100 Ω)，調(diào)阻結(jié)果相對誤差小于1%；在標(biāo)準(zhǔn)阻值區(qū)間(100 Ω～100 kΩ)，調(diào)阻結(jié)果相對誤差小于0.1%；在高阻值區(qū)間(100 kΩ～10 MΩ)，調(diào)阻結(jié)果相對誤差小于2%。

表2 調(diào)阻實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)論

本文根據(jù)激光調(diào)阻機(jī)測控系統(tǒng)的特點(diǎn)，對激光調(diào)阻機(jī)測控系統(tǒng)的測量與控制電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。依據(jù)開爾文測阻法搭建電阻檢測電路，實(shí)現(xiàn)對電阻值的高精度測量。通過將待調(diào)電阻與標(biāo)準(zhǔn)電阻比較，輸出TTL電平控制激光器達(dá)到精確調(diào)阻的目的。實(shí)驗(yàn)表明：此種方法可以有效提高激光調(diào)阻機(jī)的調(diào)阻精度和調(diào)阻效率。