基于ARM的扩散／氧化控制系统的设计

    随着信息化、智能化、网络化的发展，嵌入式系统得到了前所未有的发展。由于嵌入式系统具有体积小、性能强、可靠性高等特点，目前广泛应用于工业控制、控制仪表、通信等各个领域。扩散／氧化控制系统是为扩散氧化炉设计的控制系统。扩散／氧化炉是集成电路制造的重要的工艺设备之一。本系统主要由高精度的温度控制系统、推拉舟控制系统、气路控制系统组成。本系统为扩散／氧化炉提供高精度的扩散氧化环境，以生产出高质量的半导体产品。

　　本文采用的是ARM处理器S3C2440，它具有工作频率高、片上资源丰富等特点，可以良好地应用于本系统。且系统设计中移植了嵌入式WinCE，使得控制系统具有实时性强、编程方便、可扩展性强等特点。

　　1 扩散／氧化控制系统的总体设计

　　如图1所示，系统的CPU及扩展模块是以S3C2440为核心的开发板。在系统中有温度控制子系统、推拉舟控制子系统、气路控制子系统。上述3个子系统为闭环系统，分别完成对温度、步进电机、气体质量流量计的检测和控制。触摸显示屏作为人机界面，用于控制和监视系统的运行。

图1 系统结构框图

　　2 控制系统的硬件设计

　　2.1 ARM微处理器S3C2440

　　本设计采用三星S3C2440处理器。它的主频为400 MHz，外扩存储器NAND Flash为128 MB、SDRAM为64 MB，完全满足控制系统运行的要求。该处理器片内资源有1个LCD控制器(支持TFT带有触摸屏的液晶显示屏)、SDRAM控制器、117位通用I／O口和24位外部中断源等。本系统触摸屏为3.5英寸，分辨率240×320，满足系统要求。

　　2.2 温度控制子系统硬件设计

　　温度控制子系统要求4路温度采集，其中一路测量环境温度，另外3路测量扩散／氧化炉的温度。系统要求温度测量范围为0～1 700℃，全量程分辨率为0.1℃。

　　为满足系统要求，测量扩散／氧化炉的传感器可以选用热电偶。为满足系统测量精度的要求，同时系统A／D转换的速度要求不是很快，所以采用双积分型A／D转换器ILC7135。ILC7135精度高、抗干扰性能好、价格低，应用十分广泛。ICL7135其转换数字范围为-19 999～+19 999，即分辨率为1／40 000。为了增加测量精度，需要对热电偶输入的信号进行滤波。因为本系统主要受工频信号的干扰，所以滤波过程主要滤掉工频信号。信号放大时根据系统的要求可以选用OP07、OP27等高精度的放大器。图2为ILC7135的A／D转换原理图。因为S3C2440的引脚高电平为3.3 V，所以此电路与CPU连接时可以使用电平转换芯片SN74ALVCl64245或74LVC4254等。

　　在本系统中使用晶闸管控制的电阻丝给扩散／氧化炉加温，为了防止市电对系统的影响，必须使用光电隔离器隔离本系统与市电的连接。

图2 ILC7135 A／D转换原理图

　　2.3 气路系统和推拉舟系统的硬件设计

　　在扩散／氧化工艺中，根据工艺的不同需要通入4种不同种类和质量的气体。所以在气路控制系统中，需要4路开关量控制4种不同气体的通断，以及4路模拟量控制气体质量流量计。质量流量计能够输出4 mA～20 mA或0～5 V的气体质量信号，在控制精度要求不高的系统中，可以不理会质量流量计输出的气体质量信号，为了保证控制精度，可以采集气体质量信号。

　　在4路开关量控制中，可以使用继电器控制通断。

　　在4路模拟量控制气体质量流量计中，需要4路D／A转换。根据控制精度的要求，选用12位的D／A芯片DAC1230，因为控制信号为电压信号，所以需要把电流信号转换成电压信号。图3即为气路控制系统D／A转换原理图。

图3 气路控制系统D／A转换原理图

　　在4路气体质量流量测量中，因为气体质量流量计可以输出4 mA～20 mA或0～5 V两种信号，所以要求A／D转换芯片转换这两种信号。根据控制精度的要求，可以选用12位A／D转换芯片AD574。

　　在扩散／氧化工艺中，推拉舟用于运送半导体芯片，由步进电机驱动。微处理器S3C2440有4路PWM输出，可以输出脉冲给步进电机的驱动器，控制步进电机的运动。同时需要通用I／O口控制步进电机的正反转。

　　为了精确地获得推拉舟的当前位置，使用位置编码器记录推拉舟的运动距离。为了获得位置编码器的脉冲，使用8254记录脉冲数。CPU扫描读取8254的数据，计算出推拉舟的当前位置。

　　3 控制系统的软件设计

　　3.1 嵌入式操作系统

　　S3C2440微处理器基于ARM9内核，可以移植Windows CE、Linux、μC／OS-Ⅱ等嵌入式操作系统。本系统采用Windows CE操作系统。Microsoft Windows CE是一个紧凑、高效的可扩展操作系统，适用于各种嵌入式系统和产品。它拥有多线程、多任务、确定性的实时、完全抢先式优先级的操作系统环境，专门面向只有有限资源的硬件系统。

　　3.2 应用程序设计

　　在本系统中，根据工艺的不同，需要设置温度、位置、气体种类和质量等参数。所以，系统运行时需要设置的参数很多，并且为了实时观察温度参数，要求使用曲线显示温度。由此可知本系统中人机界面的重要性。图4为温度测量流程图。图5为系统运行总画面。

图4 温度测量流程图

图5 系统运行总画面

　　(1)曲线显示是应用程序的重要组成部分，可以把曲线的绘制封装到一个类中，本设计中封装到CDline类。该类给定继承与CWnd，因此曲线类也是一个窗口，可以在此窗口上绘制出曲线。首先使用EVC向导创建CDline类。在类中添加需要的变量，如存储线中的点CList＜CPoint、CPoint&＞m_lstPoints，画表格边框设备环境CDCm_dcGrid，用来画线的设备环境CDC m_dcLine等。然后为类添加构造函数，为类添加创建对话框的函数virtual BOOL Create(LPCTSTR lpszClassName，LPCTSTR lpszWindowName，DWORD dwStyle，const RECT& reet，CWnd*pParentWnd，UINT nID，CCreateContext* pContext)。然后为类添加绘图函数把曲线、网格绘制到空间上。

　　曲线类完成之后，就可以在应用程序中初始化类的实例(如CDline m_Dline)，接着调用创建函数(m_Dline.Create()等函数)。

　　(2)在本系统中为了存储系统运行过程中的数据及设置的数据，为了方便地检索数据，可以使用数据库技术。由于本系统需要存储的数据量较小，数据结构相对简单，使用WinCE自带的数据库EDB是非常合适的。

　　EDB数据库的编写使用数据库函数。

　　装配数据库卷：

　　BOOL CeMountDBVol(PCEGUID pceguid，LPWSTR lpszDBVol，DWORD dwFlags)；

　　卸载数据库卷：

　　BOOL CeUnmountDBVol(PCEGUID pceguid)；

　　创建数据库：CEOID CeCreateDatabaseEx (PCEGUID pceguid，CEDBASEINFO*lpCEDBInfo)；

　　打开数据库：HANDLE CeopenDatabaseEx(PCEGUID pceguid，PCEOID poid，LPWSTR lpszName，CEPROPID propid，DWORD dwFlags，CENOTIFYREQUEST *pReq)；

　　写数据库：CEOID CeWriteRecordProps(HANDLE hDbase，CEOID oidRecord，WORD cProplD，CEPROPVAL *rgPropVal)，

　　读数据库：CEOID CeReadRecordPropsEx(HANDLE hDbase，DWORD dwFlags，LPWORD lpcPropID，CEPROPID*rgPropID，LPBYTE *lplpBuffer，LPDWORD lpcbBuffer，HANDLE hHeap)；

　　本设计使用的S3C2440微处理器工作频率高、外围电路丰富，能够设计出友好的人机界面，易于监视和控制。本设计中温度检测精度高，整个系统的自动化程度高。系统运行证明，系统软硬件完全满足要求，运行良好。