基于LabVIEW的準分子激光器控制系統

潘冰冰，梁 勖，潘 寧，林 穎，徐 健，方曉東

（1.中國科學院合肥物質科學研究院安徽光學精密機械研究所，合肥230031；2.中國科學技術大學，合肥230026；3.合肥工業大學電子科學與應用物理學院，合肥230009）

引 言

準分子激光作為一種大功率的紫外光源，在工業、醫療、科研等領域都有廣泛的應用。工業領域中，主要用在微加工和材料表面改性兩個方面，應用有激光退火、大規模集成電路刻蝕等；醫療領域中，在皮膚病治療和眼部治療等中發揮重要作用；在科研領域中，材料科學、環境科學和光譜學等研究都需要用到準分子激光器，如激光誘導損傷、脈沖激光沉積、激光質譜檢測大氣氣溶膠［1-6］。這些應用對準分子激光器提出了很高的要求，在優良的激光性能的基礎上，需要實現簡便的控制和穩定的運行，尤其是需要滿足系統集成的需求，實現激光器在整體應用中的集成和控制。目前國內的準分子激光器的控制多采用基于嵌入式的按鍵和觸摸屏，可以實現激光器的單獨控制，但不易實現系統集成，不利于激光應用系統的開發；另外，國內也有研究機構嘗試直接采用個人計算機（personal computer，PC）端控制軟件產生各種控制信號，通過數據采集卡去直接驅動各個硬件電路［7］，由于放電激勵準分子激光器的強電磁干擾［8］，這種方案對系統的穩定可靠運行，以及PC系統的硬件條件等都提出了較高的要求。

本文中設計了一種新型的準分子激光器控制系統，PC端基于LabVIEW軟件平臺實現人機界面交互、各種控制指令、參量顯示和能量閉環控制設計等，激光器端基于微控制單元（microcontroller unit，MCU）模塊去控制各硬件電路模塊以及檢測傳感器信號等，LabVIEW與MCU主控模塊采用光隔離的RS232通訊，通過虛擬儀器實現計算機對準分子激光器的實時監測和控制。該系統可提供友好的用戶交互平臺，且支持Win7，Win8，Win10等多操作系統，易移植且具有通用性，可以方便地實現使用準分子激光光源的激光系統集成。

Fig.1 Information transfer between modules of excimer laser

1 準分子激光器控制系統整體設計

準分子激光器的整體系統主要由MCU主控模塊、氣路控制模塊、高壓逆變模塊、能量檢測模塊、激光器腔體等組成。各模塊示意如圖1所示。準分子激光器的工作物質是有一定配比的稀有氣體鹵化物，激光腔體用來提供工作氣體的承載空間。氣路控制模塊主要負責監測腔體氣壓、不同氣體流向控制和用戶自動換氣等［9］。高壓逆變模塊主要負責準分子激光充電電源的工作和閘流管的通斷，實現對充放電過程的控制［10］。能量檢測模塊負責實時檢測準分子激光的能量信息。隨準分子激光器氣體壽命的衰減，PC端根據探測到的激光能量信息，采用適當的算法，動態調整工作電壓來保證輸出激光能量的穩定［11-14］。MCU主控模塊負責與上位機LabVIEW通訊，同時監控和管理氣路控制模塊、高壓逆變模塊和能量檢測模塊等。

目前常見的準分子激光器采用放電抽運的工作方式，電路結構示意圖如圖2所示。工作過程主要為：電容充電電源（capacitor charging power supply，CCPS）在信號的驅動下對儲能電容Cs進行充電，當Cs上的充電電壓達到設定值時停止工作，則儲能電容Cs上的電壓不再上升并維持；隨后控制電路產生閘流管K觸發信號使得閘流管導通，則Cs上的電荷經回路電感向放電電容Cd轉移；當Cd兩端電壓超過電極間氣體的擊穿電壓時，腔體內的氣體被擊穿，從而放電產生準分子激光輸出。所以，氣體擊穿的高電壓大電流以及附加的強電干擾［8］，是準分子激光器的技術特點，也是控制系統實現的技術難點。

Fig.2 Typical discharge circuit for excimer lasers

2 MCU主控模塊的設計

Fig.3 Design of MCU main controlmodule

MCU主控模塊的核心是中央處理芯片，選用PIC系列單片機來滿足控制系統的需求，中央處理芯片的外圍電路模塊包括數模轉換電路模塊，儲能電容Cs充電信號產生模塊，光纖接收模塊和光纖發送模塊等組成，它的設計如圖3所示。儲能電容Cs充電信號產生模塊由數字頻率合成芯片AD9833與邏輯電路組成，單片機與AD9833采用串行外設接口（serial peripheral interface，SPI）通信產生不同頻率的方波信號，再結合邏輯電路產生占空比可調、頻率可調的充電信號，再經光纖發射模塊3完成電光轉換；表征激光器腔體的氣壓和溫度的頻率光信號經光電接收模塊1轉換成電信號，經由數模轉換電路模塊實現頻壓（frequency/voltage，F/V）的轉換，分別將氣壓和溫度的模擬信息傳遞給單片機的RA0/AN0和RA3/AN3進行處理；單片機與PC端采用USART通訊，單片機RC6/TX引腳經過光纖發送模塊1完成電光轉換，RC7/RX引腳經光纖接收模塊1實現光電轉換；單片機的RB1，RB2，RB4等引腳經過光纖發送模塊2傳遞光信號給氣路控制模塊。

3 控制軟件設計

一套完整的現代檢測控制系統需要有多功能、人性化、操作簡單的計算機終端軟件。本控制系統的軟件設計采用目前廣泛應用的LabVIEW 2015開發環境，LabVIEW采用圖形編程語言（G語言），支持多種硬件接口，在計算機屏幕上建立圖形化軟面板，就可以實現“軟件即是儀器”，且LabVIEW具有圖形化編程環境、功能強大的數據庫、數據流編程、開發周期短、支持多操作系統等特性［15-18］。

3.1 數據通信的實現

PC端控制系統軟件通過串口與MCU主控模塊進行通信，本系統中采用 LabVIEW中標準輸入/輸出（input/output，I/O）應用程序接口 VISA進行數據通信［19］，通過計算機的串口與MCU主控模塊相連，采用的通信方式是串行通信方式USART。

本系統基本通信數據格式為：通信波特率9600bit/s，8位數據位，無奇偶校驗，1位停止位。在強大電磁干擾的條件下，本系統對傳送的數據增設幀頭，來保證LabVIEW和MCU主控模塊的可靠通信。同時為了防止通信過程中的丟幀出現，通過隊列數據結構先入先出（first in first out，FIFO）對數據進行接收和讀取，如圖4所示。

LabVIEW發送給MCU主控模塊的字符串格式為：數據起始標識符（0xAA+0x78）+用戶不同操作對應的1個字節。MCU主控模塊會通過條件判斷結構體對接收到的字符串進行判斷，從而決定是否跳入某一功能模塊去執行代碼，實現預先設定的功能。

Fig.4 The schematic of LabVIEW serial port read and write

MCU主控模塊發送給LabVIEW的字符串格式為：數據起始標識符（0x46+0x53）+不同的字節。LabVIEW接收到字符串進行解析，顯示解析之后的相關數據，并且對解析出來的數據進行判斷，決定是否發出警報來提示用戶。LabVIEW解析接收到的字符串的流程如圖5所示。

Fig.5 The schematic of LabVIEW parse the received string

3.2 上位機軟件設計

基于LabVIEW的準分子激光器控制系統軟件由用戶操作指令、實時監測、動態顯示、超限報警等模塊組成。用戶操作指令模塊：設置激光器參量、激光器啟停操作、不同氣體配比選擇、讀取當前激光器運行的脈沖數等。實時監測模塊：串口接收到的字符串解析，分析激光器的實時狀態。超限報警模塊：當用戶操作指令超出設定范圍或監測到激光器的異常時，通過對話框、指示燈和聲音這3種方式發出警報，來提示用戶。上位機軟件結構如圖6所示。

3.3 下位機軟件設計

單片機主程序利用C語言作為編程工具，軟件的開發環境是MICROCHIP公司官方提供的集成開發環境MPLAB IDE，開發環境對MICROCHIP公司的PIC系列單片機進行設計開發。下位機的流程如圖7所示。從程序的流程圖看，準分子激光器下位機軟件主要由預熱倒計時模塊、激光器工作控制模塊、自動換氣模塊、能量氣壓刷新模塊、用戶操作指令的識別模塊和用戶不同操作指令的處理模塊組成。在主循環中，程序依次循環訪問每個模塊，達到條件時會進入模塊執行程序；不滿足條件會忽略本次訪問。

Fig.6 LabVIEW program flow chart

Fig.7 MCU software flow chart

4 光纖通訊設計與實現

光纖通訊的最大特點是單向傳遞信號，實現電氣隔離，可有效地抑制電磁干擾［20］。本控制系統的各模塊之間數字量全部通過光纖進行傳遞。采用光纖進行信號傳輸的示意圖如圖8所示。

Fig.8 Fiber optical fiber device transmits signal

串口通信設計可將計算機與MCU主控模塊連接起來，進而實現基于LabVIEW的準分子激光器控制系統從虛擬儀器到真實儀器的過渡［5］，它的示意圖如圖9所示。MCU主控模塊和MAX232模塊均已包含光纖發送模塊和光線接收模塊，兩者采用光纖通訊。

Fig.9 The schematic of serial communication design

用戶操作指令經通用串行總線轉DB9串口線傳遞給MAX232模塊的R1IN，MAX232完成電平轉換從R1OUT引腳輸出，通過光纖通訊傳遞給MCU主控模塊，接著MCU主控模塊針對用戶不同的操作指令進入不同的功能模塊，實現預先設定的不同功能。MCU主控模塊傳遞給PC端控制系統軟件的信息由TX引腳輸出，經光纖通訊傳遞給MAX232模塊的T1IN引腳，隨后MAX232完成電平轉換從T1OUT輸出，經過USB轉DB9串口線傳遞給PC端控制系統軟件，LabVIEW再對接收到的字符串進行解析。

5 系統性能測試

用一臺248nm的KrF準分子激光器作為該控制系統的實驗平臺，測試系統的綜合性能。首先準分子激光器作為一種氣體激光器，氣體組分控制的精度直接影響其性能；其次準分子激光的脈沖輸出特性，要求控制系統能夠實時精準的顯示激光脈沖能量；最后由于準分子激光輸出性能會隨脈沖和時間衰減，因此，控制系統最重要的是能夠實現閉環控制，穩定輸出激光脈沖能量。系統性能測試主要針對以上3個方面進行。

5.1 實時監測腔體氣壓的性能測試

該248nm準分子激光器正常工作時的腔體氣壓為3.3×105Pa，測試系統的自動換氣時，將實際測得的氣壓值和PC端控制系統軟件界面上顯示的氣壓值進行對比，圖10為1組氣壓測試數據描點圖。顯示值的最大誤差誤差為2.1%，平均誤差為0.2%，滿足系統對換氣的使用需求。

Fig.10 The compare of actual and display pressure

5.2 實時監測腔體氣壓的性能測試

能量檢測的對比測試通過采用外置以色列OPHIR公司PE50BF-C能量探頭進行激光脈沖能量直接測量，與PC端控制系統軟件讀取的內置能量檢測值進行對比。測試的環境是設置23kV～30kV各個檔位的工作電壓，重復頻率均為5Hz，每個電壓檔位測試100個激光脈沖能量的平均值。圖11中給出不同工作電壓下，PC端控制系統軟件和OPHIR能量計同步測得的激光能量。對激光能量數據進行對比分析，最大誤差為2.3%，平均誤差為0.2%。PC端控制系統軟件與OPHIR能量計在結果上呈現良好的一致性，說明該控制系統可以滿足對能量實時準確的監測。

Fig.11 The compare of actual and display energy value

5.3 能量閉環控制的性能測試

傳統能量閉環控制依靠單片機來實現，占用單片機的程序存儲空間和數據存儲空間，影響MCU端功能的擴展，且不易實現復雜的控制算法和良好的控制精度。為克服以上問題，本系統中采用LabVIEW實現對能量閉環的控制，PC端控制軟件在可靠讀取激光脈沖能量的基礎上，調用控制軟件內部的優化控制算法，對激光器的工作電壓進行實時調整，來保證激光能量穩定輸出。

對能量閉環（恒能量模式）控制下的系統性能進行測試，圖12為激光器在恒能量模式下，10Hz連續運行1h，用PE50BF-C能量探頭測試所得的能量隨運行時間變化的曲線。根據在線統計數據可知，1h內36000個脈沖中，最大值為135mJ，最小值為131.3mJ，測量精度為1.1m J，能量波動性小于1%，反映了控制系統可以良好的通過動態調節工作電壓來保證激光能量的穩定。

Fig.12 Conntinuous test of 248nm KrF excimer laser worked under constant energymode

6 結 論

本文中設計了一種新型的準分子激光器控制系，PC端基于LabVIEW設計，激光器端基于MCU控制，兩者通過光纖隔離通信的方式交互，克服了放電激勵準分子激光器強電磁干擾的技術難點，有效穩定地讀取各種傳感信號，實現各種控制算法。系統實現了良好人機交互，方便功能擴展，且非常適合于基于激光光源的應用系統的整機設計和集成。經對比測試和長期運行，系統各項技術性能穩定，可靠地實現了對準分子激光器的實時控制和狀態監測。