基于微型控制器的原子光刻系统自动化控制研究

摘 要： 原子光刻系统的设备庞大而复杂，在实验过程中温度及稳频光等参数都需要监视和控制。针对目前多采用人员值守的方式对设备进行操控导致实验效率低下的现状，介绍了原子沉积原理和原子沉积实验装置的构造及主要功能，提出了原子沉积实验装置中温度控制方案和稳频光的差分信号数据采集方案。通过完成对温度信号和稳频光信号等实验数据的自动采集与记录，实现了原子光刻系统的温控系统自动化和激光稳频系统的远程控制。该方案不仅提高了实验效率，而且对USB开发人员和自动化研究人员也具备一定的参考价值。

关键词： 原子光刻； 温度控制； 数据采集； USB接口

中图分类号： TN305.7?34； TM417 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）13?0124?04

Abstract： The atom lithography system is a big and complex device， and the parameters of temperature and frequency stabilization light need to monitor and control in experimentation. Since the experiment efficiency is low due to the device is controlled by means of the method with people on duty， the principle of atomic layer deposition， structure and main function of atomic layer deposition experiment device are introduced. The data acquisituon scheme of frequency stabilization light differential signal and temperature control scheme in atomic layer deposition experiment device is proposed. The experimental data of temperature signal and frequency stabilization light signal is automaticlly collect and record to realize the automatic temperature control system for atomic lithography system and remote control of laser frequency stabilization system. The scheme can improve the experiment efficiency， and has a certain reference value for USB developers and automation researchers.

Keywords： atom lithography； temperature control； data acquisition； USB interface

0 引 言

原子光刻系统拥有着庞大而复杂的设备，在实验过程中有多个参数需要监视和控制，目前多采用人员值守的方式对设备进行操控，导致人力资源利用率低[1]。对其实验装置实现自动化及远程控制不仅可以把人从繁重的体脑力劳动以及复杂的工作环境中解放出来，而且为扩大研究规模，提高研究效率，实现实验的全程控制带来了极大的便利[2]。

1 温控系统的自动化研究

1.1 原子炉温控原理

原子光刻系统中原子炉温度的控制是由一个温控回路来完成并实现的，如图1所示。

首先设定自己所想要达到的温度，设定值用SP值表示，而实际的温度（PV值）连接到仪表的输入端。实际温度与设定值进行比较，根据偏差大小计算输出值。控制器的输出连接到执行器，控制加热或制冷来调节被控对象。调节的效果又可以通过测量温度反馈到控制器上做进一步调节，这就是一个控制回路[3]。在原子炉温控系统的研究中，需要完成的参数有：PV值的设置、SP值的设置、PID参数的设置以及程序的编辑[4]。整个温控回路中，最关键的便是将实际温度与设定值进行比较，然后根据偏差大小计算输出值，从而调整回路控制加热。

1.2 PID控制

（1） 比例控制

在原子炉温控系统中，比例项的输出与偏差大小成一定的比例。当比例带为10 ℃，在偏差为3 ℃时产生30%的输出。偏差为10 ℃时输出为100%。单独的比例控制通常可以使过程值稳定在某一直线上，但与设定值会有一定的偏差，此时输出功率正好等于散热量。

（2） 积分控制

在原子炉温控回路中，积分控制主要用来消除静态偏差。在偏差持续期间通过不断加大或减小输出来消除静态偏差。对输出加大或减小的速度由积分时间决定，速度不能太快，以免引起震荡。

（3） 微分控制

微分项与过程值的变化率成正比，方向相反。在原子炉温控系统中，它主要用来防止正负过冲。此外在整个回路控制中，微分项还有一种用途：如果过程值快速下降（如打开了炉门），微分项可以抑制比例积分的作用，使炉门关上后减小过冲[5]。微分项可以根据PV的变化率来计算，也可以根据偏差的变化率来计算。

（4） 高低过冲抑制

PID参数用于在偏差较小的情况下使过程值稳定在设定点处。高低过冲参数用来在大偏差的情况下抑制过冲[6]。它们分别是在设定值之上或之下的作用点，当过程值达到此点并向设定值接近时，输出开始增加或减小。

1.3 自动化升温的程序设定

在Eurotherm3504型原子炉内，含有一个程序给定器，通过在上面编译和设定程序，可以产生一个按时间变化的设定值[7]。程序给定器对于温度控制是经常用到的，它可以让温度按一定速率爬升到一个值，保温一定时间后再按另一个速率爬升至另一个温度值并保温一定时间，继续下去直到结束。

当SP值设定好之后，加温设备将会给原子炉加温，实际的温度PV值会实时被程序给定器监控。在刚开始的升温阶段，PV值一般无法跟上SP值的变化，于是便产生等待，SP值在升温等待中往复进行，此时PID控制对这两个升温过程进行调整和控制，使PV值在相对较短的时间内能够按照SP值的变化而变化，从而达到预想的升温状态。除此之外，当SP值达到预期的温度时，便会停止不变，此时PV值加温仍在继续，于是会有一定的过冲现象，PID控制再一次起到调制作用，使PV值经过一个调整过程也迅速达到稳定的目标温度。

如图2所示为原子炉自动升温实验结果，直线为原子炉自动升温30 ℃/min的升温上限，自动升温过程不得超出直线的上方，否则原子炉将会被烧坏。实心曲线是原子炉自动升温的实时测试结果，每15 min测试一个实验数据得出的实验结果所绘制的曲线，是实现自动升温之后温度变化的实际规律。起始时刻由于PID的控制在调整阶段，因此升温速度较为缓慢，在大约20 min之后，经过PID的调节，PV值和SP值达到一致的升温速率，升温过程呈线性增长，升温速度和升温时间均符合实验所需，当到达目标温度1 650 ℃后，PV值达到稳定并保持不变。

2 基于USB 2.0接口的原子光刻数据采集监控系统

2.1 数据采集监控系统的硬件设计

原子光刻系统数据采集监控系统如图3所示。

原子光刻系统中差分稳频信号已经由传感器将光信号转换成了电信号，并由BNC头将信号传递出来。数据采集系统的设计不仅需要采集并显示信号值和波形，还需要在稳频信号超出虚线所示的范围时发出警报。因此所需要设计的数据采集系统应具备的功能为：数据采集（将传感器采集到的模拟信号转换为数字信号）、数据的监控显示（将数据回传到上位机实时显示）。

（1） 芯片的选择

从小巧便携、成本低、电路结构精简、易于二次开发等方面考量，本系统选用56?pinSSOP封装的CY7C68013A，该芯片支持USB 2.0协议。

A/D 转换器的选择：由于本系统需要采集的稳频信号的输入范围是-200～200 mV，且频率较低，因此为了简化电路板的设计，A/D转换器的输入范围是首先要考虑的因素。与此同时，满足CY7C68013A芯片高速USB 2.0的工作特性，提高系统的适用性，系统使用分辨率高、采样速率快、输入范围为-5～5 V的A/D转换器MAX1308[8]。

（2） 电压转换电路的设计

CY7C68013A需要3.3 V的供电电源，MAX1308需要2.7～5.25 V的电压供电，而24LC64所需的供电电压为2.5～5.5 V。根据实际情况，通过系统跳针选择系统的供电方式，系统使用外接供电方案和总线供电方案两种，可以选择任意一种供电方式为系统模块提供电源[9]。CY7C68013A芯片需要3.3 V电压作为其正常工作电压，且能满足MAX1308和24LC64的供电范围，因此只需要将总线电源所供给的5 V电压降压成3.3 V。电路使用LT1763?3.3型电源转换芯片，该芯片可以直接将5 V降压转换为3.3 V。

2.2 数据采集系统的软件设计

在硬件电路设计的基础上，系统的功能主要依靠软件来实现。系统软件设计包括：固件程序设计、驱动程序设计和上位应用程序设计。

（1） 固件程序设计

芯片CY7C68013A内部的增强型8051处理单元作为微处理器来处理对应设备的请求和返回数据等工作。为了使未处理正常工作，需要相应的软件支持，固定程序（Firmware）就是在设备端运行的对应程序。系统需要编写相应的固件程序针对不同的USB设备，完成相应的请求及数据处理等工作。

① USB端点配置。CY7C68013A芯片的端点数总共有7个，即EP0，EP1OUT，EP1IN，EP2，EP4，EP6和EP8。为适应不同带宽的工况需求，根据用户的实际需要，进一步将端点2，4，6，8配置成OUT或IN的双重、三重或四重的缓存。本次固件开发根据设计需要仅用到了三个端点，EP0，EP2，EP6，这些端点及相应寄存器的设置均在TD_Init（）函数中完成。

② GPIF设计实现。本文选用的56脚CY7C68013A中GPIF提供一组控制输出信号CTL[2..0]、一组外设输入信号RDY[1..0]，FX2LP内部的FIFO标志以及4个用户定义的波形描述符，通常定义为FIFO读，FIFO写，单字/字节读，单字/字节写，但也可以是这4种控制波形的任意组合，通过输入信号和输出信号的逻辑组合，可以实现各种复杂的时序逻辑。

USB芯片内部是采用“GPIF主控模式”单次字节写（SnglWR），单字读（SnglRD）来实现对A/D的读/写控制。根据前面硬件设计，其中控制芯片的采样引脚RDY0连接到A/D的单通道转换结束标志信号（EOC）上，RDY1连接到A/D所有通道转换结束标志信号（EOLC）上，引脚CTL0，CTL1，CTL2分别连接到A/D的转换控制信号CONVST与读/写（RD/WR）信号上。接下来就是时序控制波形的编写以及状态的跳转，而时序的持续时间是以IFCLK周期为单位的。

（2） 固件程序下载

整个固件程序的开发将在Keil C下完成，本次固件程序编写完成后直接在PC机端利用CYPRESS公司提供的固件程序下载界面通过USB线下载。

（3） USB驱动的设计

在本实验中采取一种简单、快速开发USB接口应用系统的方法，即直接在LabVIEW环境下通过NI?VISA开发能驱动用户USB系统的应用程序，完全避开了以前开发USB驱动程序的复杂性，大大缩短了开发周期[10]。

（4） 上位机界面的设计

本次上位机界面的开发是利用与Nl?VISA相配合的LabVIEW模板中VI子节点来实现，图4为上位机界面流程图。

当USB设备接入PC机，PC机会检测是否有USB设备接入，如果PC机显示不可识别的USB设备，则需要重新安装USB驱动程序，如果能够顺利通过检测，则开始对AD进行通道选择，原子光刻系统中的数据采集系统只用一个通道便可以满足需求；然后启动AD进行数据采集和传输，数据在实时显示的过程中会和给定的值进行比较，监视采集数据是否超过限定的电压范围，如果在给定的值范围之内，则无警报显示，否则会有红色警报灯警告。

3 实验测试

实验对数据采集系统进行了测试，使用信号发生器输入正弦波，设定报警上限为0.2 V下限为-0.2 V，如图5所示为采集数据示意图。图形显示数据采集系统能够很好地采集到实时电压值，且显示出的波形与信号发生器发出的信号波形一样，并在超过报警上下限时，报警灯变红，发出警报。经过信号发生器的反复测试，数据采集系统可以满足使用条件。

实验中稳频光基本稳定在0 V左右，报警系统显示绿色，表示数据未超过报警上下限，是理想的稳频光信号。将该数据采集系统采集到的数据与PCI数据采集卡的数据进行了比对，在同时采集的情况下，实验曲线、实验数据均相互吻合，结果的一致性达到了99%。该系统完全可以满足原子光刻系统稳频光的数据采集要求。

4 结 论

本文通过对原子光刻系统的研究，成功地实现了原子光刻系统中温度的自动升温和稳频光信号的数据采集。一方面显著提高了实验效率，另一方面简化了采集设备的安装、使用和维护，具有一定的推广使用价值。

参考文献

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