| 标题 | 基于LabVIEW的碳基薄膜制备自动控制系统开发研究 |
| 范文 | 安书董+毕鹏+赵海天+赵玉清 摘 ?要： 基于LabVIEW图形化编程软件和PCI1711多功能卡，设计开发了用于真空等离子镀膜机的自动控制系统，实现了对四面体非晶碳薄膜制备工艺的自动控制。该系统共分为5个模块：镀膜机各设备的电源控制（70路）、模/数转换（32路）、数模转换（32路）、PWM输出（6路）、机间通信（采用RS 485总线）。对电源的控制通过电磁继电器实现;数/模转换通过开关量输出接口控制D/A转换器予以实现;模数转换通过多路模拟开关芯片进行选通后送到数据采集卡的模拟量输入端予以实现;通过RS 485总线实现对复合真空计、涡轮分子泵、气体质量流量计等的控制与数据获取。实验表明， 该控制系统具有对真空度、离子束表面改性、真空磁过滤多弧镀膜的实时监测与控制功能，实现了薄膜制备的计算机控制。 关键词： LabVIEW; 四面体非晶碳薄膜; 真空磁过滤多弧; 离子束表面改性 中图分类号： TN915.9?34; TP311 ? ? ? ? ?文献标识码： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章编号： 1004?373X（2015）02?0111?04 Development of LabVIEW?based automatic control system for tetrahedral amorphous carbon film preparation AN Shu?dong1， BI Peng2， ZHAO Hai?tian3， ZHAO Yu?qing1 （1. Key Laboratory for Physical Electronics and Devices of Ministry of Education， School of Electronics and Information Engineering， Xian Jiaotong University， Xian 710049， China; 2. City College， Xian Jiaotong University， Xian 710018， China; 3. Guangzhou Iron & Steel Enterprises Group， Guangzhou 510381， China） Abstract： A automatic control system for vacuum plasma coating machine was designed by means of graphical programming software LabVIEW and data acquisition card PCI1711， which realized automatic control of tetrahedral amorphous carbon film preparation. The design of the system hardware and the core software is described in detail. This system can be divided into five modules： power control， A/D conversion， D/A conversion， PWM output and inter?host communication. The power supply is mainly controlled by electromagnetic relay. D/A conversion is implemented by output on?off interface. A/D Conversion can be achieved by the multi?channel analog switch chip and data acquisition card. The composite vacuometer， molecular pump and gas mass flowmeter ， and their data acquisition are controlled through RS485 data bus. The experiment results indicate that the control system has the real?time monitoring and control functions of vacuum degree， ion beam surface modification，and filtered cathode vacuum arc coating. Computer control of film preparation was realized. Keywords： LabVIEW; tetrahedral amorphous carbon film; filtered cathode vacuum arc; ion beam surface modification 0 ?引 ?言 近年来，四面体非晶碳膜（tetrahedral amorphous Carbon films，ta?C）凭借其具备许多堪与天然金刚石相媲美的卓越性能而备受关注[1?3]。通过等离子电弧在结构件基体表面沉积ta?C薄膜，能够极大地提高构件的耐磨性、耐腐蚀性等性能。现已广泛应用于微电子、医疗、国防等不同领域，成为新型碳材料家族中最具吸引力的材料之一[4?5]。随着ta?C薄膜的广泛推广和应用，必将产生巨大的经济效益，因此，对ta?C薄膜的大规模产业化技术研究逐渐成为近年来的热点。 然而，由于ta?C涂层制备工艺的窗口期很窄，要进行大规模工业化生产，如果没有一套完整的自动控制系统，要保证制备过程中的一致性和重复性将会非常困难，因此研制用于镀膜装置的自动控制系统，是ta?C薄膜大规模工业应用的关键所在。 本文利用图形化编程语言LabVIEW编写软件，通过研华公司的PCI?1711多功能卡将镀膜机中的各个部件与计算机相连接，开发并设计了用于ta?C薄膜制备的自动控制系统，有效地控制制备过程中出现的偏差，消除人的主观性对薄膜制备质量一致性的影响，保证ta?C薄膜在工业化生产中涂层性能的一致性和可重复性，对ta?C薄膜制备的产业化具有重要意义。 1 ?系统硬件设计 所设计的控制系统分为5部分。主要由内置多功能卡PCI1711的PC机、各设备电源控制电路板A、多路模拟电压信号选通电路板B、多路数/模转换电路板C、多路脉冲量输出电路板D以及有基于RS 485总线的设备间互联通信网络等组成。该系统能够对薄膜制备的各个设备进行实时控制，系统结构如图1所示。 <E：＼王芳＼现代电子技术201502＼Image＼10t1.tif> 图1 薄膜制备硬件系统结构图 系统中的计算机为普通工业用计算机或个人电脑，多功能卡选用北京研华公司的PCI?1711多功能卡，它包含16路单端或8路差分模拟量输入的12位A/D转换、2路12位模拟量输出、16路开关量输入、16路开关量输出、1路脉冲量输出。由于实际本系统要控制的开关量、模拟量输入路数、模拟量输出路数、脉冲量输出路数都远大于多功能卡的路数，因此要对该卡的功能进行扩展。需要外加电路板实现，具体见图1中的电路板A、B、C、D，这样才能实现对多个设备的数据采集和输出控制。 在电路板A中，通过控制电磁继电器完成对各个电源启动与关闭的控制。 将数据采集卡16路开关量输出的高8位作为地址输出，低8位作为控制数据输出，在本控制电路板上采用74HC574触发器锁存控制数据，每个74HC574控制8个设备，设计了15个74HC574，共可输出120路控制信号。每一路控制信号可以控制一个三极管的通断，实现对一个电磁继电器的控制，通过电磁继电器的触头的接通或断开控制1个设备的电源通断。其中一路的控制电路见图2。 <E：＼王芳＼现代电子技术201502＼Image＼10t2.tif> 图2 ?一路设备的电源控制电路 本系统的数/模转换电路采用8个DAC7725芯片，该芯片是美国AD公司出品的高性能12位工业级D/A芯片，每个芯片内含4个独立的12位D/A转换器，可以输出4路各自独立的模拟电压。8个DAC7725共可提供32路模拟电压输出，满足了本系统需要30路用于设备控制的模拟电压需求。通过DAC7725芯片对数据采集卡输出的12位数据进行转换，转换公式如下： [Vout=VREFL+VREFIL-VREFL?N4 095] 式中：Vout为送给设备的控制电压;VREFL和VREFH 分别为芯片需要的参考电压;N为转换数据[6]。根据DAC7725的转换时序，可将LDAC和R/W均设置为低电平有效，之后输入12位数据，实现D/A转换，DAC7725输出端输出一个Vout电压送至受控设备的接线见图3。 <E：＼王芳＼现代电子技术201502＼Image＼10t3.tif> 图3 DAC7725接线图 模拟量输入电路（A/D转换），将设备送来的0～5 V的模拟电压，通过2片8路模拟开关芯片CD4051进行选通后送到数据采集卡的模拟量输入端，由于PCI1711共有16路模拟量输入端，2个4051占用了2个输入通道，还有14个通道可供模拟电压输入，从而共可以提供30路模拟量输入测量。满足本系统28路模拟电压输入采集的要求。模拟电压选通电路见图4。 在薄膜制备过程中，需要控制真空室真空度、离子源气体进气流量、分子泵转速等，而这些设备都配备了RS 485计算机通信接口，并提供了相应的通信协议[7?8]，因此，只需要利用RS 485总线，便能实现计算机与这些设备之间的通信，对其实施控制。 图4 模拟电压选通电路 2 ?基于LabVIEW环境下控制程序设计 基于LabVIEW环境的四面体非晶碳膜制备自动控制系统软件是采用顺序结构的思想来编写的，流程图如图5所示，根据ta?C薄膜制备工艺中不同设备的控制方式不同，将程序分为电源控制、数/模转换、模/数转换、多路PWM输出和机间通信5部分。 对于电源的控制，主要通过数据采集卡输出高低电平控制电磁继电器实现。在LabVIEW中，利用Diowriteportbyte函数，一次性输入8位数据到数据输出端state，由于电路通过反相器以及ULN2003型复合晶体管，因此，当程序输出低电平（0）时，控制设备启动，当程序输出高电平（11111111，即十进制255）时，控制设备关闭。 <E：＼王芳＼现代电子技术201502＼Image＼10t5.tif> 图5 薄膜制备工艺流程图 在数/模、模/数转换（D/A、A/D）部分，首先利用控制原理中介绍的公式计算出需要输入的12位数字量，然后分为低8位、高4位分别送入数据采集卡，经过转换，输出对应的0～5 V的模拟电压信号，控制设备的运行;如果设备工作状态发生改变，以模拟量输出的方式，将自身的工作状态转换成0～5 V的模拟电压信号传送到数据采集卡的输入端，实现信息的反馈，其程序框图如图6所示。 在镀膜过程中，同样需要很多设备与计算机之间的通信，这些通信可以通过RS 485总线串行通信接口来实现，在软件设计中，VISA函数可以很好实现这一功能[9?10]。 |
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