基于ARM的扩散／氧化控制系统的设计（1） 控制系统, 集成电路, 控制仪表, 可靠性, 工业

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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