基于LabVIEW的開(kāi)關(guān)陣列及霍爾測(cè)試軟件編程

熊壯壯

（武漢科技大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，湖北 武漢 430081）

0 引 言

霍爾效應(yīng)可以用來(lái)測(cè)量金屬薄膜及半導(dǎo)體材料的電阻率、載流子濃度和霍爾效應(yīng)等參數(shù)。

基于LabVIEW平臺(tái)下的霍爾效應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)，集硬件控制、數(shù)據(jù)采集與通信以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的呈現(xiàn)為一體，克服了實(shí)驗(yàn)室中測(cè)霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的不足，避免了高成本購(gòu)進(jìn)相關(guān)儀器的麻煩。該測(cè)試軟件可以方便地測(cè)量半導(dǎo)體或金屬薄膜的電阻率、載流子濃度、遷移率和霍爾系數(shù)等電學(xué)性能，為金屬材料電學(xué)性能的研究提供了良好的條件、成熟的系統(tǒng)、較為穩(wěn)定的測(cè)量平臺(tái)。

1 測(cè)試原理

霍爾效應(yīng)是指將一金屬導(dǎo)體，放入與它通過(guò)的電流方向相互垂直的磁場(chǎng)內(nèi)，橫跨樣品的2面可以產(chǎn)生與電流磁場(chǎng)都垂直的電場(chǎng)的現(xiàn)象，該實(shí)驗(yàn)也可以證明金屬中存在自由電子[1]。產(chǎn)生電場(chǎng)的原因是，垂直于電子運(yùn)動(dòng)方向的磁場(chǎng)使電子受到洛倫茲力而偏轉(zhuǎn)，并向某一面積聚，導(dǎo)致電子積聚的那一面帶負(fù)電，而其對(duì)面的那一面帶正電，從而形成電場(chǎng)EH，這個(gè)電場(chǎng)稱(chēng)之為霍爾場(chǎng)[2]。用來(lái)表征霍爾場(chǎng)的物理參數(shù)稱(chēng)為霍爾系數(shù)，即

式中：EH為霍爾場(chǎng)強(qiáng)度；JX為電流密度；B0為外加磁場(chǎng)。

在測(cè)量前將薄膜切成方塊狀，然后在方塊的4角焊上4個(gè)金屬鎢電極A、B、C、D，如圖1所示。

圖1 接線示意

在AB兩點(diǎn)間通電流IAB，在另一對(duì)點(diǎn)測(cè)量電位差為UCD；然后在BC兩點(diǎn)間通電流IBC，在另一對(duì)點(diǎn)間測(cè)量電位差為UDA，則有R1=UCD/IAB，R2=UDA/IBC，從而得到薄膜電阻率為

式中：t為薄膜厚度；f為范德堡修正因子。它是由于樣品的幾何形狀以及點(diǎn)擊配置的不對(duì)稱(chēng)性所引進(jìn)的，可以近似為

為了獲得更加準(zhǔn)確、可靠的數(shù)據(jù)，按照上述方法測(cè)出UCD、UDA、UAB、UBC，再取2組的平均電阻率。

測(cè)試霍爾系數(shù)RH時(shí)，在B、D兩點(diǎn)間通電流I，則在A、C這2點(diǎn)間可以測(cè)量電位差為UAC1；然后在垂直于薄膜樣品的方向加一恒定磁場(chǎng)，測(cè)得A、C這2點(diǎn)電位差為UAC2，由外加磁場(chǎng)引起的電位差變化即為霍爾電壓UH=UAC2-UAC1。如果薄膜的厚度為d，磁場(chǎng)強(qiáng)度為B，RH計(jì)算公式為

由RH求載流子濃度n和遷移率μ，如式（5）和式（6）所示，其中q=1.6×1019C為電荷量，ρ為薄膜電阻率。

2 程序設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)選用LabVIEW軟件作為基礎(chǔ)，結(jié)合Modbus通信協(xié)議以及可編程儀器標(biāo)準(zhǔn)命令（Standard Commands for Programmable Instruments，SCPI）指令語(yǔ)言，通過(guò)4×4開(kāi)關(guān)陣列和吉時(shí)利2 450數(shù)字源表實(shí)現(xiàn)了霍爾測(cè)試的程序編寫(xiě)，思路方式如圖2所示。

圖2 設(shè)計(jì)思路

2.2 設(shè)計(jì)思路

2.2.1 基于Modbus通信協(xié)議的4×4開(kāi)關(guān)陣列的程序控制

由于在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)需要手動(dòng)操縱各線連接，本程序設(shè)計(jì)計(jì)劃使用在16路232繼電控制器基礎(chǔ)上，基于Modbus通信協(xié)議的4×4開(kāi)關(guān)陣列來(lái)自動(dòng)完成連線方式的變化。

通過(guò)LabVIEW的環(huán)境來(lái)實(shí)現(xiàn)Modbus通信方式有很多，但是在大部分方式的實(shí)現(xiàn)中需要安裝LabVIEW數(shù)據(jù)記錄與監(jiān)控（Datalogging and Supervisory Control，DSC）模塊，比較常用的方式有通過(guò)VISA實(shí)現(xiàn)Modbus串口通信、采用傳輸控制協(xié)議（Transmission Control Protocol，TCP）模塊實(shí)現(xiàn)Modbus通信、采用用于過(guò)程控制的OLE（OLE for Process Control，OPC）協(xié)議實(shí)現(xiàn)Modbus通信、通過(guò)Modbus模塊實(shí)現(xiàn)Modbus通信。

本設(shè)計(jì)是采用Modbus模塊實(shí)現(xiàn)Modbus通信。使用本方法實(shí)現(xiàn)通信需要安裝DSC擴(kuò)展包，這也是在LabVIEW下實(shí)現(xiàn)Modbus通信最簡(jiǎn)單且相對(duì)穩(wěn)定的一種方法[3]。程序員需要做的就是在相應(yīng)的庫(kù)中選擇需要的命令模塊，并根據(jù)要求設(shè)置參數(shù)，便可完成通信。這種方法省略了自行寫(xiě)入相應(yīng)字符串命令的步驟，簡(jiǎn)化了開(kāi)發(fā)，本文使用的是過(guò)程終端單元（Remote Terminal Unit，RTU）協(xié)議來(lái)連通電磁繼電器模塊和計(jì)算機(jī)。

首先將繼電器模塊的16個(gè)繼電器進(jìn)行分組，將1～4號(hào)繼電器標(biāo)注為A組，5～8號(hào)標(biāo)注為B組，以此類(lèi)推至16號(hào)繼電器，再將完成初次分組后的繼電器進(jìn)行組內(nèi)編號(hào)，形成4×4的開(kāi)關(guān)陣列，其程序如圖3所示，開(kāi)關(guān)陣列思路如圖4所示。

圖3 開(kāi)關(guān)陣列關(guān)鍵程序

圖4 開(kāi)關(guān)陣列思路

在LabVIEW 2016中安裝DSC擴(kuò)展包，調(diào)用Creat Serial Master函數(shù)（創(chuàng)建主設(shè)備實(shí)例），在前面板上增加串口號(hào)與校驗(yàn)位選擇窗口，設(shè)定Modbus RTU協(xié)議，設(shè)置與模塊匹配的波特率，數(shù)據(jù)位、停止位，將單元ID設(shè)為1，并手動(dòng)調(diào)整繼電器模塊上的撥碼開(kāi)關(guān)數(shù)字為1，完成繼電器模塊與計(jì)算機(jī)的通信。

本設(shè)計(jì)使用順序結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行。順序結(jié)構(gòu)分為平鋪式與層疊式2種，為節(jié)省框圖程序空間，故選擇了層疊式結(jié)構(gòu)。

由于此前單元ID設(shè)置為1，繼電器的地址從0開(kāi)始進(jìn)行排列。調(diào)用Write Single Coil（寫(xiě)單個(gè)線圈）函數(shù)對(duì)繼電器完成開(kāi)關(guān)操作，需要將繼電器接通時(shí)，將布爾型常量T接入，使用完時(shí)將F接入，順序依次為第1組 A1、B2、C3、D4，第2組 A2、B3、C4、D1、第3組 A3、B4、C1、D2，第4組 A4、B1、C2、D3接入并斷開(kāi)，為實(shí)現(xiàn)接線方式自動(dòng)切換打下基礎(chǔ)。

在進(jìn)行測(cè)試時(shí)，本設(shè)計(jì)只用將繼電器所使用的COM口選擇好，即可自動(dòng)完成接線方式的轉(zhuǎn)換。

2.2.2 計(jì)算機(jī)與吉時(shí)利2 450數(shù)字源表的通信

使用USB B型端口與儀器相連，在主機(jī)上安裝虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu)（Virtual Instrument Software Architecture，VISA）層。

VISA包含USB測(cè)試和測(cè)量類(lèi)協(xié)議的USB類(lèi)驅(qū)動(dòng)程序。安裝此驅(qū)動(dòng)程序后， VISA驅(qū)動(dòng)程序會(huì)自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備。

本設(shè)計(jì)使用SCPI指令集完成交互，SCPI允許不斷用新命令控制指令集，當(dāng)新功能出現(xiàn)，能保持與現(xiàn)有SCPI儀器程控相容性，具有極強(qiáng)的生命力。

SCPI命令是ASCII字符串，通過(guò)物理傳輸層傳入儀器。命令由一連串的關(guān)鍵字構(gòu)成，有的還需要包括參數(shù)。使用控件VISA WRITE，在寫(xiě)入緩沖區(qū)的接口以字符串的形式輸入對(duì)應(yīng)的SCPI指令，完成對(duì)儀表的交互操作，程序如圖5所示。

圖5 吉時(shí)利2450數(shù)字源表的連接關(guān)鍵程序

在本實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)中，首先通過(guò)VISA OPEN控件將通信打開(kāi)，隨后通過(guò)VISA WRITE控件使用SCPI語(yǔ)句，完成偏移補(bǔ)償、電流寫(xiě)入以及讀數(shù)據(jù)等操作[4]。在完成輸入電流的交互時(shí)，本程序需要使用到格式化寫(xiě)入字符串控件，將相應(yīng)SCPI語(yǔ)言與輸入的電流結(jié)合成一段新的SCPI字符串輸入設(shè)備，并且在輸入電流和讀電壓的過(guò)程中，加一定的延時(shí)，確定所讀數(shù)據(jù)已經(jīng)處于穩(wěn)定的狀態(tài)。

在完成讀寫(xiě)操作后，將讀回的字符串接入分?jǐn)?shù)/指數(shù)字符串至數(shù)值轉(zhuǎn)換，得到測(cè)量的數(shù)值。

在計(jì)算電阻率時(shí)，本設(shè)計(jì)需要連續(xù)從吉時(shí)利2 450數(shù)字源表中改變輸入電流，讀出電壓，筆者在這里使用了for循環(huán)的結(jié)構(gòu)，將讓輸入電流自動(dòng)進(jìn)行變化，并在程序中讀出輸入數(shù)組方便后續(xù)處理，相應(yīng)程序如圖6所示。

圖6 電流設(shè)置及數(shù)據(jù)讀取

2.2.3 基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集

使用XY波形控件完成數(shù)據(jù)的顯示，LabVIEW提供了XY圖控件和Express XY圖控件，其中XY圖控件是輸入數(shù)據(jù)，由2個(gè)數(shù)組打包構(gòu)成簇，簇的每1對(duì)數(shù)據(jù)顯示1個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的X、Y坐標(biāo)，Express相對(duì)簡(jiǎn)易一些，其輸入數(shù)據(jù)是2個(gè)一維數(shù)組，分別接在控件的“X輸入端口”和“Y輸入端口”[5]。

在已經(jīng)完成的開(kāi)關(guān)陣列程序中，選擇每個(gè)繼電器接通的時(shí)刻與吉時(shí)利2 450數(shù)字源表進(jìn)行通信，讀取其電壓表以及所給電流的值分別進(jìn)入2個(gè)數(shù)組，并用蔟將其連接起來(lái)輸入XY圖中形成4幅直角坐標(biāo)圖像，圖像的橫軸為電壓，縱軸為電流，程序如圖7所示。

圖7 XY圖的構(gòu)建程序

通過(guò)圖像可以判斷所接入材料是否正確，并且決定是否進(jìn)入下一步計(jì)算，若正確，可以點(diǎn)擊前面板上的“開(kāi)始計(jì)算”，從而獲得R12、R23、R34、R41。

為使所得電阻數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn)，本設(shè)計(jì)在獲得電阻的數(shù)據(jù)時(shí)，使用了LabVIEW內(nèi)置的線性擬合控件，首先利用局部變量原理，將測(cè)得的數(shù)據(jù)數(shù)組以局部變量的形式導(dǎo)出，數(shù)據(jù)的傳輸需要通過(guò)局部變量來(lái)實(shí)現(xiàn)[6]。在層疊式順序結(jié)構(gòu)的邊框上單機(jī)鼠標(biāo)右鍵，選擇“增加局部變量”便可以創(chuàng)建1個(gè)局部變量端口，隨后在每1幀的邊框?qū)?yīng)的位置便可以出現(xiàn)1個(gè)方框，將數(shù)據(jù)連接至該局部變量端口便可進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。

隨后將局部變量導(dǎo)入線性擬合控件，并將斜率輸出，導(dǎo)進(jìn)前面板上創(chuàng)建的數(shù)值顯示變量，即可將求得的最終電阻數(shù)據(jù)得出，供后續(xù)計(jì)算使用，程序如圖8所示。

圖8 線性擬合

在計(jì)算薄膜電阻率數(shù)據(jù)時(shí)，所需用到的式（2）、式（3）相對(duì)比較復(fù)雜，完全依賴(lài)圖形代碼實(shí)現(xiàn)，程序框圖會(huì)十分復(fù)雜，工作量大，且不直觀，調(diào)試和改錯(cuò)都不方便。本設(shè)計(jì)使用公式節(jié)點(diǎn)這個(gè)控件進(jìn)行編程， LabVIEW允許用戶像書(shū)寫(xiě)數(shù)學(xué)公式或者方程一樣，直接編寫(xiě)數(shù)學(xué)處理節(jié)點(diǎn)，形式與C語(yǔ)言類(lèi)似，程序語(yǔ)句以分號(hào)結(jié)束，在公式后面可以添加注釋說(shuō)明。

使用公式節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)，輸入式（2）、式（3），輸入變量R12、R23、R34、R41，求平均值后輸出電阻率ρ，并在前面板創(chuàng)建顯示控件顯示出來(lái)，創(chuàng)造局部變量供后續(xù)使用程序，如圖 9 所示。

圖9 公式節(jié)點(diǎn)

LabVIEW是1個(gè)數(shù)據(jù)流編程的編譯模式，是通過(guò)連線來(lái)傳遞數(shù)據(jù)的，上文中所使用到的局部變量主要用于程序內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳遞，利用局部變量可以對(duì)前面板上的控件進(jìn)行讀寫(xiě)操作，每個(gè)局部變量都是對(duì)某1個(gè)前面板控件數(shù)據(jù)的引用，1個(gè)輸入量或者輸出量可以建立多個(gè)局部變量，任何1個(gè)局部變量都可以讀控件中的數(shù)據(jù)，局部變量每發(fā)生1個(gè)數(shù)據(jù)上的改變，其控件本身以及其他的局部變量也會(huì)隨之發(fā)生改變。

局部變量只能在同1個(gè)VI中使用，VI停止運(yùn)行，其定義的局部變量就會(huì)隨之消失。每個(gè)局部變量必須依附在1個(gè)前面板對(duì)象上，1個(gè)前面板對(duì)象可以建立多個(gè)局部變量，但是1個(gè)局部變量只能有1個(gè)端點(diǎn)與其對(duì)應(yīng)。但要注意，局部變量不宜設(shè)置太多，前面板上的數(shù)據(jù)的拷貝會(huì)占據(jù)一定的內(nèi)存。

在前面板增加輸入控件，輸入樣品的厚度d，以及第2階段所加磁場(chǎng)的大小B，并且通過(guò)布爾型變量來(lái)控制輸入磁場(chǎng)的正負(fù)，根據(jù)式（4）、式（5）、式（6）得出霍爾系數(shù)、載流子濃度n和遷移率，程序如圖10所示。

圖10 變量計(jì)算

在完成數(shù)據(jù)采集與計(jì)算之后，開(kāi)關(guān)陣列部分程序需要連接Modbus Master Shutdown控件對(duì)串口的通信進(jìn)行關(guān)閉。此外還要切斷吉時(shí)利2 450數(shù)字源表電流輸出的旋鈕。

2.2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果的輸出

在完成試驗(yàn)后，需要把實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以Excel的形式輸出來(lái)，最后將得到的數(shù)據(jù)通過(guò)寫(xiě)入電子表格文件函數(shù)輸出，該函數(shù)由數(shù)值組成的1維或者二維數(shù)組轉(zhuǎn)化為文本字符串，進(jìn)而寫(xiě)入一個(gè)電子表格文件。VI在向文件中寫(xiě)入數(shù)據(jù)之前，將先打開(kāi)或創(chuàng)建該文件，并且在完成操作時(shí)關(guān)閉該文件?！案袷健陛斎攵丝谥付〝?shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換格式和精度?！疤砑又廖募?？”端口連接布爾型控件，若值為T(mén)RUE，VI把數(shù)據(jù)添加至已有文件，否則即為默認(rèn)值FALSE，VI可以替換已有文件中的數(shù)據(jù)。如果不存在已有文件，VI可以創(chuàng)建新文件。

本文將輸入變量、樣品ID以及程序所得的材料物理性能數(shù)值以Excel表格的形式輸出，其實(shí)現(xiàn)程序如圖11所示。

圖11 導(dǎo)出部分程序圖

3 程序運(yùn)行方法說(shuō)明

本程序設(shè)計(jì)的前面板如圖12和圖13所示，操作員將在該面板上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。

圖12 前面板1

圖13 前面板2

本程序的運(yùn)行思路與金材專(zhuān)業(yè)相關(guān)實(shí)驗(yàn)的先后順序類(lèi)似，首先在外部完成繼電器、吉時(shí)利2 450數(shù)字源表以及所測(cè)材料的接線，打開(kāi)數(shù)字源表的電源，此外還需在程序前面板選擇繼電器模塊所連接的COM口供Modbus完成連接，檢查無(wú)誤后便可打開(kāi)程序，點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕，若尚未完成外部連接，本程序會(huì)因?yàn)閂ISA讀取失敗跳出窗口，顯示類(lèi)似“無(wú)法運(yùn)行”的相應(yīng)字樣。

由于本實(shí)驗(yàn)有電阻率測(cè)量以及后續(xù)計(jì)算2個(gè)部分，本實(shí)驗(yàn)選擇使用了選項(xiàng)卡控件，在前面板以2個(gè)界面的形式呈現(xiàn)給軟件使用者。程序開(kāi)始運(yùn)行后，本實(shí)驗(yàn)前面板“薄膜電阻率的測(cè)量”部分將會(huì)實(shí)時(shí)顯示圖像。此外，通過(guò)繼電器板上的指示燈信號(hào)可以觀察到測(cè)試已經(jīng)自動(dòng)進(jìn)行到哪一步。

在完成第一步電阻的測(cè)量后，本程序會(huì)進(jìn)入等待狀態(tài)，供實(shí)驗(yàn)員通過(guò)圖像判斷測(cè)試材料是否合法，若實(shí)驗(yàn)圖像不合法，則本程序?qū)⒃?00 s后自動(dòng)停止，或者實(shí)驗(yàn)員也可以手動(dòng)點(diǎn)擊中止實(shí)驗(yàn)按鈕；若合法，實(shí)驗(yàn)員就可以在前面板上輸入此前已經(jīng)測(cè)得的薄膜厚度以及樣品的ID，并點(diǎn)擊開(kāi)始計(jì)算按鈕。程序完成計(jì)算之后，薄膜電阻率的數(shù)值將會(huì)在前面板上呈現(xiàn)出來(lái)，單位是Ω·cm。

完成以上過(guò)程，便可進(jìn)入第2部分“霍爾測(cè)量”界面，由于LabVIEW是數(shù)據(jù)流模式的程序設(shè)計(jì)，在剛剛進(jìn)行計(jì)算時(shí)，該程序已經(jīng)得出通入磁場(chǎng)之前的電壓值，并在此面板顯示，此時(shí)實(shí)驗(yàn)員需要選擇通入磁場(chǎng)的大小以及方向，并且在外部接入磁場(chǎng)后點(diǎn)擊“通入磁場(chǎng)”旋鈕，隨后程序在完成測(cè)量后將會(huì)自動(dòng)完成霍爾系數(shù)、載流子濃度、遷移率的計(jì)算。在完成所有計(jì)算之后，若實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)合理，實(shí)驗(yàn)員可以點(diǎn)擊保存數(shù)據(jù)按鈕，此時(shí)將會(huì)彈出對(duì)話框供實(shí)驗(yàn)員選擇保存路徑，數(shù)據(jù)將以Excel的形式保存，若保存失敗，程序面板也會(huì)輸出文件保存錯(cuò)誤原因，供實(shí)驗(yàn)員了解。

4 結(jié) 論

基于LabVIEW平臺(tái)與4×4開(kāi)關(guān)陣列設(shè)計(jì)了霍爾測(cè)試系統(tǒng)，擺脫了以往繁雜的操作步驟，利用了計(jì)算機(jī)現(xiàn)代化、自動(dòng)化的特點(diǎn)，完成了對(duì)半導(dǎo)體薄膜樣品電阻率、霍爾系數(shù)、霍爾電壓、載流子濃度與遷移率的測(cè)試，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)圖像的實(shí)時(shí)顯示，滿足金屬薄膜與半導(dǎo)體材料電學(xué)性能測(cè)試的要求。

在科技現(xiàn)代化的今天，計(jì)算機(jī)在各行各業(yè)中的使用程度越來(lái)越高，自動(dòng)化生產(chǎn)與實(shí)驗(yàn)成為了未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，本設(shè)計(jì)順應(yīng)時(shí)代潮流，適應(yīng)金屬薄膜與半導(dǎo)體材料的發(fā)展，為今后金屬材料專(zhuān)業(yè)學(xué)生對(duì)薄膜物理性能的研究提供了便捷。