RS-485總線控制下的藍寶石晶體智能生長系統

張 鳳 孫曉冬 馬青玉

(南京師范大學物理科學與技術學院，江蘇 南京 210023)

0 引言

藍寶石是氧化鋁的單晶形態，因具有優良的機械和光學性能而被廣泛應用[1]。近年來，半導體照明產業的發展帶動了藍寶石襯底材料需求的迅速增長。在泡生法晶體生長過程中[2]，需要在一定的溫度條件下進行籽晶的接種、旋轉、提拉等一系列操作，合適的溫度場和穩定可靠的運動控制是制備合格晶體的必要條件，而運動參數設置的不合理會使晶體產生多晶、氣泡和晶體裂縫等缺陷，降低生產效率和藍寶石晶體質量[3－4]。當前業內泡生法藍寶石生長系統大多采用分立儀表或組態軟件的生長測量控制方案[5]，存在數據傳輸種類多、抗干擾能力差、生產成品率低和能源消耗大等缺點[6]。

本文設計了一種基于RS-485總線控制的藍寶石晶體生長系統[7]。系統采用STC89C52單片機實現對伺服電機的提拉和旋轉控制，以及爐體溫度的精確調節和控制;系統以計算機智能控制軟件為中心，通過多條RS-485總線實現對加工過程中的電流、電壓、水溫、提拉位移以及晶體質量等加工參數的監控，完成加工流程的數據分析、參數傳遞和指令控制。在泡生法藍寶石晶體生長中的成功應用證明了所設計的系統具有結構簡單、功能完善、工作穩定可靠、可擴展性和抗干擾能力強的優點。

1 系統結構

藍寶石晶體生長系統以計算機為中心，通過四條RS-485總線實現實時溫度測量、電壓和電流采集、藍寶石晶體的實時稱重和智能控制器的控制[8]。藍寶石晶體生長系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構圖Fig.1 Structure of the system

六臺溫度傳感器分別安裝于晶體生長爐的大蓋、整桿、正極、負極、爐體和電源處，并共同連接至溫度采集儀表AI-706M。AI-706M將溫度傳感器獲取的信號轉換為數字信號，再通過RS-232/485轉換器傳送至計算機，實現對冷卻水溫度的實時監測。電壓電流傳感器分別安裝于可控功率電源輸出回路，并共同連接至電壓電流采集儀表AI-702M，在計算機上實現對可控功率電源輸出電壓和輸出電流的實時監測。質量傳感器安裝于籽晶桿上，并連接至稱重儀表，在計算機上可實時動態地顯示晶體質量，方便對晶體的生長情況進行實時監測。

智能控制器模擬歐陸表輸出控制電源來實現熱場的控制，同時對伺服電機進行提拉和旋轉控制，并實現提拉位移的光柵測量，同時提供手動控制和行程檢測功能。智能控制器選用STC89C52單片機作為微處理器，其通過RS-232/485轉換器與計算機通信。智能控制器結構如圖2所示。

圖2 智能控制器結構圖Fig.2 Structure of the smart controller

智能控制器在上電啟動后自動對EEPROM進行密鑰匹配，匹配成功后開始工作。旋轉電機手動開關通過光電耦合電路向智能控制器提供外部輸入信號，智能控制器查詢該信號并對旋轉電機做出相應的控制。提拉電機行程開關通過光電耦合電路向智能控制器提供輸入信號，智能控制器查詢判斷提拉電機是否運動到極限，并控制提拉電機的運行。光柵尺的滑塊與提拉電機的提拉桿固定在一起，滑塊移動過程中產生的位移脈沖經光柵信號調理電路后輸入微處理器，微處理器對兩路脈沖信號的電參量進行分析以獲取運動信息，并計算位移。

智能控制器輸出的電機控制信號分別經旋轉、提拉控制信號驅動電路后，以線驅動輸出方式與對應的伺服電機驅動器相連，控制旋轉、提拉伺服電機的運行。此外，智能控制器通過改變D/A轉換和隔離緩沖電路的輸出電壓來控制可調功率電源的輸出功率，從而實現爐溫的精確調控。

在晶體生長過程中，智能控制器提供指示電源、提拉脈沖、提拉方向、旋轉脈沖、旋轉方向、光柵脈沖、串口通信和報警狀態的工作狀態指示燈，并控制蜂鳴器進行聲音提示，以便操作者更好地了解智能控制器的工作狀態，以滿足藍寶石晶體生長過程中的控制需求。

2 智能控制器設計

藍寶石晶體生長過程復雜，需使用多種儀器儀表進行監控。當前業內廠家大多采用分立儀表或組態軟件的生長測量控制方案來監控藍寶石晶體生長，但分立儀表的測控方案不便于生產者的觀察和操作。而組態軟件的測控方案則是將數據采集和外設控制集于一體。由于系統內部有大量數據處理、存儲和通信任務，計算機易出現死機的情況，容易造成操作失控、存儲數據丟失、藍寶石晶體生長失敗等嚴重后果。因此，本文設計了智能控制器，實現外設的控制和光柵位移的檢測，減輕了計算機的工作負擔，使得生產操作更為穩定和便捷。智能控制器的主要功能是在計算機的控制下實現光柵位移的檢測、旋轉電機提拉電機的控制以及功率電源的調節。

2.1 智能控制器的RS-485控制

智能控制器與計算機之間通過RS-232/RS-485轉換器進行互聯，實現控制指令與數據的傳輸。RS-485總線采用平衡發送和差分接收的通信方式，具有極強的抗共模干擾能力和較長的通信距離，能夠很好地滿足工業環境下的通信要求，有效抑制晶體生長車間的電磁干擾，提高通信的可靠性[9]。本設計中，STC89C52采用工作方式1，波特率為9 600 bit/s的10位異步通信方式。系統控制采用串口中斷方式，根據不同的指令完成電機轉速設定、運行狀態檢測、光柵位移測量和控制電壓輸出等加工操作。

2.2 光柵位移檢測

在光柵位移檢測中，光柵尺滑塊與提拉電機帶動的提拉桿固定在一起，提拉電機運轉的同時帶動滑塊作垂直運動[10]。光柵尺上電后，滑塊在運動的過程中會產生兩路相位相差為90°的脈沖信號，脈沖信號的頻率反映光柵尺的運動速度，脈沖的個數反映光柵尺的位移距離，相位的先后反映不同的運動方向[11]。兩路脈沖信號通過光柵信號調理電路輸入至智能控制器。智能控制器通過對兩路脈沖信號電參量的判別獲取運動信息并計算當前滑塊的位置。在定時中斷過程中，智能控制器通過RS-485總線將數據傳送至計算機，實現提拉桿位置的實時動態顯示。

2.3 電機控制

電機驅動器輸入信號由一對差分脈沖信號和一對差分方向控制信號組成，分別用來控制電機的轉速和運行方向。伺服電機驅動器(MS0020A)采用全數字電機控制算法，具有良好的魯棒性和自適應能力;同時，還設置了S型加減速曲線，有效減少了轉速突變對機械系統的沖擊。

差分脈沖輸入信號由STC89C52的兩個定時器T0、T2產生，分別用來控制旋轉和提拉電機的轉速[12]。在藍寶石晶體生長過程中，提拉電機的使用率和轉速精度要求高于旋轉電機。因此，在智能控制器的設計中，將定時器T0和T2設置為自動重裝方式產生高精度的輸出脈沖。由于T2的優先級比T0高，因此選用T2產生提拉電機脈沖信號，T0產生旋轉電機脈沖信號，使兩電機之間的相互干擾降至最低。

2.4 輸出電壓控制

在本系統中，智能控制器的輸出電壓接至可調功率電源，通過功率的精確調節控制爐內溫度。因此，智能控制器輸出電壓的精確穩定至關重要。本設計選用DAC8811作為數模轉換器輸出高精度電壓。DAC8811是16位串行輸入、單電流輸出的數模轉換器。智能控制器接收到系統的輸出電壓參數D后，單片機以串行方式將參數送至DAC8811的串行寄存器，經過模數轉換后輸出對應電流，并連接至外部精密運放OPA277的反相輸入端以實現電壓輸出。輸出電壓的計算公式為:

本系統設計采用負基準電壓Uref，使得智能控制器Uout端輸出精確穩定的正電壓(電壓范圍0～10 V)，控制精度達到，實現了電源功率和爐溫的精確調節，滿足晶體生長過程中對溫度控制的需求。

3 系統軟件設計

3.1 軟件功能設計

本系統的計算機控制軟件采用Visual Basic作為開發環境，實現藍寶石晶體生長流程的智能控制[13]。系統通過RS-485總線對晶體生長過程中的水溫、電流、電壓、質量和位置等參數進行實時監測;采用圖形化界面實時顯示參數和運行情況;設計長時間參數存儲、定量分析和過程優化等功能;利用RS-485總線實現轉速、輸出電壓、光柵坐標和運行狀態的參數傳輸，獲取并顯示報警信息;指揮智能控制器實現提拉和旋轉電機的運行控制，高精度的功率和溫度控制，光柵脈沖檢測和位移計算。程序界面具有良好的人機交互功能，可方便快捷地實現生產過程中的操作控制。

3.2 通信協議設定

在本系統中，溫度采集儀表AI-706M、電壓電流采集儀表AI-702M、稱重儀表XL-10000及智能控制器都需要與計算機進行通信，因此，應根據不同的儀表采用相應的串行通信協議。AI儀表使用RS-485通信接口。在一個RS-485總線上可以掛接多個設備，因此必須給每個儀表分配一個互不相同的固定地址[14]。本設計中的儀表地址分配如表1所示。

表1 儀表地址分配Tab.1 Address allocation for instruments

AI儀表采用16進制數據格式來表示各種指令代碼及數據。軟件通信指令分為讀指令和寫指令。具體說明如下。

①讀:地址代號+52H(82)+要讀的參數代號+0+0+校驗碼。

②寫:地址代號+43H(67)+要寫的參數代號+寫入數低字節+寫入數高字節+校驗碼。

③地址代號:是兩個相同的字節，數值為儀表地址+80H。

④校驗碼:采用16位求和校驗方式，要讀參數的代號×256+82+ADDR。

⑤返回數據:測量值PV+給定值SV+輸出值MV及報警狀態+所讀/寫參數值+校驗碼。

其中PV、SV及所讀參數值均各占2 B，MV占1 B，狀態位占1 B，校驗碼占2 B，共10 B。

3.3 軟件流程

系統軟件具有實時參數顯示、運行時間顯示、狀態指示、晶體質量顯示、光柵位置顯示、圖形顯示、升降控制、旋轉控制、電源控制、自動存儲、自動加工等諸多功能，可以實時顯示運行狀態，對晶體生長過程和運行時間進行管理，實時記錄系統運行控制參數文件，滿足生產需要，方便對生產過程進行控制和管理[5－6]。

系統軟件每次運行都會在計算機指定路徑下生成一個數據記錄文件，并每隔1 s存儲晶體生長參數和系統運行參數，能夠實現長時間的海量存儲數據，便于后期的優化分析。軟件能夠在圖形界面上實時繪制溫度、電流、電壓、功率、晶體生長量的實時變化曲線，為生產操作者提供直觀的參考。

4 試驗結果與分析

4.1 系統的運行與控制

系統運行界面左側顯示通過RS-485總線獲得的運行參數欄和狀態指示欄，同時提供系統加工的時間顯示，數據實時刷新，為系統的運行提供監控和指示參數;系統界面中間為晶體生長示意圖，當提拉桿提拉、下降以及晶體質量發生變化時，會以圖形方式直觀顯示;系統界面右側提供晶體質量和光柵位置實時顯示，并通過升降和旋轉速度的設置，隨時實現提拉電機的提速和方向的控制以及旋轉電機的轉速控制，為藍寶石晶體的生長速度控制提供實時的數據調整功能。

智能控制器模擬了歐陸表的功能，以實現電源的精確控制。系統運行界面右下角是電源控制欄。當藍寶石晶體生長爐內完成抽真空操作，進入升溫過程時，需在6 h內將可調功率電源從0升至30 kW。界面顯示生長爐選用的是120 kW/10 V的外接電源，當前功率為0。根據升溫要求，輸入的目標功率為30 kW，功率斜率為5 000 W/h，按下確認按鍵，至此系統進入升溫過程，每隔1 s計算輸出控制電壓參數，智能控制器通過RS-485總線接收參數并由D/A輸出控制電壓，實現加熱功率的精確控制，滿足晶體生長過程中對溫度控制的需求。本設計能夠利用計算機軟件來取代業內通用的歐陸表控制方案，降低硬件成本，提高控制精度，增強系統的靈活性。

4.2 實時參數監測

菜單欄中設計了質量變化率曲線，質量曲線，爐體、整桿、正極、負極、電源、水溫、爐體電流、電源電壓、爐體功率曲線的實時顯示功能，為生產操作者提供直觀的參考。運行過程中，爐體冷卻水溫度變化曲線如圖3(a)所示，當前溫度值為46.6℃。晶體生長過程中，晶體質量變化能很好地反映晶體的生長質量，質量變化率通常被用來作為生長監控的重要指標，因此本系統設計了質量變化率曲線，可以調整時間間隔來實時監控不同時段內晶體的生長情況。拉尖過程中藍寶石晶體質量變化率曲線如圖3(b)所示，其變化范圍為－1～1 kg/h，在籽晶接種成功后，需將提拉速度降低，生長率保持在0.2 kg/h左右，才能保證藍寶石晶體的穩定生長。

圖3 實時監測曲線圖Fig.3 Real-time monitoring curve

4.3 加工結果

本系統在江蘇省能建機電實業有限公司的泡生法藍寶石晶體生長爐的控制中得到了成功應用，單個藍寶石晶體的最大質量可以達到40 kg。在晶體制備過程中，系統運行穩定可靠，可以方便快捷地實現對晶體的監測和外設的控制，使藍寶石晶體生長的成品率質量得到了提高，降低了生產能耗和成本;系統自動記錄了藍寶石晶體生長流程中的重要生長數據和控制參數，為后續分析和流程優化提供了重要依據。

5 結束語

針對傳統方式生產藍寶石晶體自動化智能化程度低等問題，本文介紹了一種RS-485總線控制的藍寶石晶體生長系統。用以替代歐陸表的智能控制器以STC89C52單片機為中心，實現對伺服電機的提拉和旋轉控制;系統以計算機控制軟件為中心，通過多條RS-485總線實現加工過程中的電流電壓、冷卻水溫度、提拉位移以及晶體質量等加工參數的讀取，并進行數據的分析和加工流程的控制，實現對智能控制器的參數傳遞和指令控制。試驗表明，本系統能夠實現計算機和儀表的RS-485數據通信，完成晶體生長的狀態監測和生長流程控制，具有以計算機為中心、結構簡單、功能完整、可擴展性和抗干擾能力強的優點，有著良好的應用前景。

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