ModbusTCP通訊協議在高溫MOCVD控制系統中的應用

何華云，林伯奇，胡曉宇

(中國電子科技集團公司第四十八研究所，湖南長沙410111)

MOCVD (Metal-organic Chemical Vapor Deposition)是一種有機金屬氣相沉積法，通常是以III族、II 族元素的有機化合物和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，廣泛應用于光電子材料和器件等研究和生產中[1]。

目前市場上用于量產的MOCVD 設備全部依賴進口，主要來自德國Aixtron 和美國的Veeco，由于GaN/AlGaN 基材在軍事上的特殊用途，使得能夠生長AlGaN 材料的高溫MOCVD 設備受到西方國家的禁運，國內高溫MOCVD 設備的研究尚屬空白，研制具有自主知識產權的高溫MOCVD 設備有著非常重要的意義。

中國電子科技集團公司第四十八研究所2002年起開始致力于GaN 基材料生長用MOCVD 設備，2013年自主研發了一臺19 片的M8453-3/UM型高溫MOCVD 設備（如圖1所示），用于制備GaN 發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 整機照片

1 高溫MOCVD 控制系統概述

MOCVD 設備控制系統比較復雜，通常包括襯底傳送（機械手，手套箱或傳送室）、襯底旋轉、襯底溫控（加熱和在線監測）、氣路、真空、安全聯鎖等子系統。高溫MOCVD 和普通的MOCVD 設備的系統組成并無差別（系統組成原理如圖2所示），其特殊性主要體現在最高生長溫度為1 450 ℃，而普通的MOCVD 設備均在1 250 ℃以下。

為適應系統中各種部件和外圍檢測儀表的連接，系統布線簡單、傳輸速度快、抗干擾能力強。MOCVD 控制系統通常設計為基于TCP/IP 協議的快速以太網拓撲結構，可包含Modbus TCP、DeviciNet、RS485 等多種協議。

圖2 MOCVD 系統組成原理

MOCVD 工藝對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，是保證外延材料質量的關鍵。

為了保證襯底旋轉速度穩定及平滑升/ 降速，旋轉控制器選用進口伺服智能驅動器，實現了襯底旋轉最大速度1 200 r/min，并通過起始速度、加速度、減速度及旋轉方向的在線修改，實現對轉速斜率上升/下降的靈活控制。

襯底溫度由在線監測計算機、主控計算機和智能溫控儀實現閉環控制，以保證襯底溫度均勻性控制在±1 ℃。溫控儀內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，實時采集加熱電源的電流、電壓信息，通過輸出模塊實現對加熱電源功率的線性控制；溫控儀設置有雙回路，可預存多組PID 參數，可針對每組PID 設定其功率輸出上、下限；另外，根據溫控儀內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進行關聯，實時計算加熱器當前電阻、當前溫度，并依據相關特征參數設置多重報警，保證設備運行安全可靠。

主控計算機需根據不同的工藝步對旋轉驅動器進行速度、加速度、減速度、使能、報錯、驅動模式等數據進行設定和監測；定時讀取溫控儀內的電壓、電流、電阻、設置溫度、當前溫度及控制模式等數據；定時對溫度進行設定，并通過對控制模式的修改，將當前控制方式設定為開環控制、回路一閉環控制、回路二閉環控制。為了滿足主控計算機對旋轉驅動器及多路溫控儀的多個參數讀寫的通訊要求，我們采用了Modbus TCP 以太網協議。

2 Modbus TCP 協議

Modbus TCP 協議具有以太網的通信速度，能滿足主控計算機對多路控制器多個參數快速讀寫的要求[2]，且要求的布線簡單（網線+ 交換機），是一種理想的MOCVD 控制系統解決方案。Modbus TCP 通信協議是基于Modbu 協議的主機/ 從機(Master/Slave)通信機理，與互聯網(Internet)客戶機/服務器(Client/Server)的通信機理相對應，即Modbus 協議中的主機為Modbus TCP 協議中的客戶端(主控計算機)，從機為Modbus TCP 協議中的服務器(旋轉驅動器、智能溫控儀)。

Modbus TCP 協議是施耐德公司推出的基于TCP/IP 的以太網通信協議，與傳統的OSI 模型相比，Modbus TCP 協議網絡模型中沒有表示層和會話層，而在應用層采用Modbus，在傳輸層采用TCP 協議，網絡層采用IP 協議。將Modbus 與TCP/IP 相結合，在TCP 幀中嵌入Modbus 信息幀，去掉Modbus 信息幀中的差錯校驗，再在Modbus信息幀前添加7 個字節的報文頭，組成Modbus TCP 協議信息幀，如圖3所示。

圖3 Modbus TCP 協議信息幀格式

3 Modbus TCP 通信實現

3.1 編程環境及通訊端設置

主控計算機使用Visual Basic 6.0 編程環境，采用套接字控件Winsock 與其它控制器進行通訊。Winsock 控件是基于Windows 操作系統的套接字網絡編程接口，可以方便地實現主控計算機與其它控制器“點對點”通信。“套接字”的實質是在IP 協議的基礎上以TCP 或UDP 規范進行信息交換，建立雙方通信的過程即稱建立一個“套接字”，進行各種信息的交流。

主控計算機利用IP 地址與各控制器建立TCP 連接，而Modbus TCP 協議規定每個控制器還必須有自己的單元地址(在控制器端設置)，這個單元地址與IP 地址一樣，也是唯一的，用于構成信息幀，其取值范圍為0～255。

3.2 Modbus TCP 通信實現

利用旋轉驅動器配置的專用測試軟件Work-Bench，測試主控計算機與智能驅動器的Modbus TCP 連接是否成功，并獲取所需的各控制參數地址，進行驅動穩定性實驗；然后利用智能溫控儀配置的ITools 軟件，測試主控計算機與溫控儀的PID 控制器是否連接成功，獲取所需的各控制參數地址。主控計算機與控制器之間的完整通信過程如圖4所示。

圖4 主控計算機與控制器通信過程

3.3 讀控制器參數子程序示例

Private Sub ReadFromController(單元識別號，參數地址)

Dim byte_Out(0 to 11) as byte

byte_Out(0) = &H0 ' 事務處理標識符高/ 低字節-由服務器復制，通常為0

byte_Out(1) = &H0

byte_Out (2) = &H0 ' 協議識別號高/ 低字節，為0

byte_Out(3) = &H0 '

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

byte_Out(5) = &H6 ' 長度字段低字節，等于此數組此字節后續的字節個數

byte_Out(6) = &H1 ' 單元識別號(根據實際情況進行修改)

'上述信息為7 個字節的Modbus TCP 報文頭

byte_Out (7) = &H3 ' 讀多個寄存器命令功能碼

byte_Out (8) = "&H" + 4 位16 進制參數地址的高字節

byte_Out (9) = "&H" + 4 位16 進制參數地址的低字節

byte_Out (10) = &H0 ' 參數值的數據長度信息高字節

byte_Out (11) = &H1 ' 參數值的數據長度信息低字節

End Sub

3.4 寫控制器參數子程序示例

Private Sub WriteToController(單元識別號，參數地址，所寫數據)

Dim byte_Out(0 to 16) As Byte

byte_Out(0) = &H0 '事務處理標識符高/ 低字節-由服務器復制，通常為0

byte_Out(1) = &H0

byte_Out (2) = &H0 ' 協議識別號高/ 低字節，為0(表示Modbus/TCP 協議)

byte_Out(3) = &H0

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

byte_Out(5) = &HB ' 長度信息低字節，等于數組此字節后續的字節個數

byte_Out(6) = &HFF '單元識別號

'上述信息為7 個字節的Modbus TCP 報文頭

byte_Out (7) = &H10 ' 此處為寫多個字功能碼，可根據實際情況修改

byte_Out (8) = 4 位16 進制參數地址信息的高字節

byte_Out (9) = 4 位16 進制參數地址信息的低字節

byte_Out(10) = 寫寄存器個數信息高字節

byte_Out(11) = 寫寄存器個數信息低字節

byte_Out(12) = 寫數據字節個數信息（2* 寄存器個數）

' 將需寫入的數據轉換為4 字節的16 進制信息

byte_Out(13) = &H00 ' 以寫十進制值1234 為例（轉換為16 進制值為&H000004D2）

byte_Out(14) = &H00

byte_Out(15) = &H04

byte_Out(16) = &HD2

End Sub

4 結束語

目前，M8453-3/UM 型高溫MOCVD 設備已經研發完成，在藍寶石襯底和Si 襯底上成功生長出AlN/AlGaN 材料，應用于HEMT 功率開關和LED器件上，并擴展應用到紫外LED 和日盲探測器的研究中。

[1]過潤秋，陳賢能.基于PLC 的MOCVD 計算機控制系統設計[J].微計算機信息.2007，23(5-1)：25-27.

[2]尹靜濤，董會.Modbus/TCP 協議在高爐監測網絡中的應用[J].中國科技信息.2009(21)：144.