兆声波功率计的设计与应用_邹春太.pdf

现代制造技术与装备302023 年第 3 期总第 316 期兆声波功率计的设计与应用邹春太张军（沈阳芯源微电子设备股份有限公司，沈阳 110168）摘要：基于 STM32 单片机控制的兆声波功率计，主要用于喷胶机兆声波发生器功率检测。首先，进行功率计的硬件设计，采集兆声波发生器的输出电压和输出电流，经模拟乘法器芯片转换后，采用电阻-电容（Resistor-Capacitance，RC）滤波方法获得稳定输出，通过模拟/数字（Analog/Digital，A/D）转换器采样芯片转换成单片机可以识别的数字量信号。其次，经过单片机数据处理，将兆声波发生器的输出功率值显示在数码管上，同时支持上位机通过 RS-232 串口查询功率数据。最后，通过实验测试验证了设计的功率计达到了兆声波发生器输出功率的检测要求。关键词：兆声波功率计；单片机；喷胶机Design and Application of Megasonic Power MeterZOU Chuntai,ZHANG Jun（Shenyang Core Source Microelectronics Equipment Co.,Ltd.,Shenyang 110168）Abstract:The design of megasonic power meter controlled by STM32 microcontroller is mainly used for power detection of megasonic generator of spray coater equipment.Firstly,we design the hardware of the power meter,collect the output voltage and output current of the megasonic generator,convert it through the analog multiplier chip,apply the Resistor-Capacitance(RC)filter method to obtain a stable output,through the Analog/Digital(A/D)converter,the sampling chip is used to convert into a digital signal that can be recognized by the single chip microcomputer;Secondly,the output power value of the megasonic generator is displayed on the digital tube after data processing by the single chip microcomputer.Meanwhile,the upper computer can query the power data through the RS-232 serial port.Finally,the test results show that the design of the power meter meets the requirements of the output power of the megasonic generator.Keywords:megasonic power meter;microcontroller;spray coater equipment兆声波发生器是半导体设备喷胶机配置的专用部件，功能是将光刻胶雾化。工控机通过远程模拟量模块进行控制，设定模拟量模块的输出电压来控制兆声波发生器输出功率的大小，通过兆声波功率计检测确认其输出功率，达到“闭环”的控制效果。兆声波功率计进口产品的成本在万元以上，且货期较长。为了降低成本，我国某公司独立设计研制了兆声波功率计，提高了国产半导体设备的竞争力。文章设计了一个基于 STM32 单片机控制的功率计，经实验测试验证了该功率计达到了兆声波发生器输出功率的检测要求。1功率计系统硬件设计1.1方案设计1.1.1总体设计兆声波功率计系统的总体设计方案框图如图 1 所示。采样兆声波发生器的输出信号通过精密分压电阻分压，得到电压采样信号。输出电流信号通过霍尔电流元件进行采样，获取毫安级别的电流信号。毫安级别的电流信号经采样电阻转换成电流采样信号，电压采样信号和电流采样信号经过模拟乘法器相乘运算，由 电 阻-电 容（Resistor-Capacitance，RC）滤波 电 路 进 行 滤 波 处 理，送 至 模 拟/数 字（Analog/Digital，A/D）采集电路转化成数字量传送给单片机。单片机进行数据处理，并将数据显示在数码管上，再根据上位机指令，通过 RS-232 串口将数据发送至 上位机。霍尔电流检测元件电流采样精密电阻电压采样RC滤波A/D采样STM32单片机输入上位机RS-232输出LED显示图 1总体设计方案框图1.1.2关键芯片选择（1）主控制器。选择 STM32F103RC 芯片作为主控制器。这是一款 32 位 ARM Cortex-M3 处理器内核，最高工作频率为72 MHz，具有3个通用同步/异步串行接收/发送器（Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/DOI:10.16107/ki.mmte.2023.0137设 计 与 研 究31Transmitter，USART）接口，内置看门狗定时器1。（2）电流检测元件。选择霍尔电流检测元件检测兆声波发生器的输出电流，检测频率范围为 0 100 kHz，电流范围为-18 +18 A。（3）模拟乘法器。选择一款功能完整的四象限模拟乘法器，包括高阻抗差分X和Y输入以及高阻抗求和输入Z。（4）A/D 采样芯片。A/D 采样芯片为完整 16 位、低成本、-型模数转换器，适用于直流和低频交流测量。芯片内可编程增益放大器提供 1 128 的增益设置，无须使用外部信号调理硬件便可接收低电平和高电平模拟输入2。（5）发光二极管（Light-Emitting Diode，LED）数码管。显示电路采用 4 位共阳极 LED 数码管，实时显示检测的兆声波发生器的功率值。数码管前加上滤光片，可使 LED 光源更加柔和。1.2硬件设计硬件设计部分主要包括主控制电路设计、功率采样电路设计以及 A/D 转换电路设计等。文章重点介绍功率采样电路和 A/D 转换电路的设计。1.2.1功率采样电路设计功率采样电路设计的关键是检测兆声波发生器的输出功率，设计最大采样功率为 10 W（电流 1 A/电压 10 V）。兆声波功率采样电路如图 2 所示。设计由霍尔电流传感器 U6对兆声波发生器输出电流进行采样，匝数比为 2 1 000，经过采样电阻转换成电压信号Y1；设计由两个精密电阻对兆声波发生器输出电压进行分压采样，比例为 1 11，得到电压信号X1；用乘法芯片 U7将采样信号X1、Y1相乘，得到输出信号W，W=X1Y110，再对乘法器输出信号W进行RC滤波处理可以得到稳定的功率模拟量信号，并将该信号输出给 A/D 芯片3-4。图 2兆声波功率采样电路图1.2.2A/D 转换电路设计采样得到的功率模拟量信号需要转换成可以被单片机接收的数字量信号。为防止 A/D 转换的电源波动影响转换结果，选择基准电压源为 A/D 芯片提供基准电压。A/D 转换电路，如图 3 所示。功率模拟量信号经过 A/D 转换后，利用串行外设接口（Serial Peripheral Interface，SPI）总线将数据发送给单片机，供单片机进行数据处理，计算兆声波发生器的输出功率。2软件设计软件设计时首先需要进行单片机各部分的初始化配置，包括时钟、定时器、A/D 以及串口初始化等，再进行采样数据处理，按照硬件电路的转换比例计算兆声波发生器的输出功率，并实时显示在数码管上，最后根据上位机查询指令，将功率数值发送至上位机。2.1检测兆声波发生器的输出功率首先，使用软件编写A/D系列采样芯片的驱动程序，将 A/D 芯片增益配置为 16；其次，读写数据，通过编写数据处理算法处理采样信号；最后，根据硬件电路设计，A/D 采样芯片 0.2 V 对应的兆声波发生器功率为 11 W，最终兆声波发生器输出功率P的计算公式为P=as/65 536+（1）式中：a为系数，理论值为 10.312 5；s为采样数值；现代制造技术与装备322023 年第 3 期总第 316 期为调整量，理论值为 05。图 3A/D 转换电路图2.2与上位机通信通过软件编程配置通信波特率，即 1 位起始位，8 位数据位，1 位停止位，无校验位。其中：数据位的前 2 位为功率检测值的十位和个位；第 3 位为小数点“.”；第 4 位为十分位，根据上位机的通信命令反馈相应数据。读取功率命令为 KSR，如读指令为“KSR*”，返回格式为“KT*.*OL*”。2.3功率计校准功率计的检测结果具有可重复性，但是大量测试实验显示，制作的功率计检测结果存在不一致问题，需要对功率计进行相关校准工作。因此专门设计编写了通过 RS-232 串口进行校准的计算机小程序，通过上位机经过串口设置调整功率计算公式中的系数和调整量，同时在单片机中加入参数调整相关的逻辑程序，使得校准工作变得简单方便。校准时，首先连接一套标准兆声波发生器装置，其次打开校准软件，选择功率计对应的通信端口，并打开串口，再次写入对应调整的数据，最后点击下载参数完成功率计的校准。3功率计测试实验将兆声波发生器的输出信号接入兆声波功率计，从小到大（0 9.9 W）调节兆声波发生器的输出，记录功率计的显示值，调整校准系数和调整量，最终达到功率计显示数值与兆声波发生器输出功率完全相同的目的，最终调整后的实验结果如表 1 所示。表 1功率计实验结果兆声波输出值/W功率计显示值/W0.50.511223344556677999.99.94结语从实验结果来看，功率计的研发设计和测试结果均满足监测兆声波发生器的功率要求。与原功率计相比，研发的功率计具有应用方便、接口简单、实时性好以及稳定性高的特点，大大节省了成本，实现了部件的国产化，具有良好的应用前景。参考文献1 翟科，任奕，何勍.液固耦合传递兆声振动复合化学机械抛光研究 J.纳米技术与精密工程，2016（6）：416-420.2 谢爱云，黄雅婷，冯涛，等.高频超声清洗中声场分布的仿真及实验研究 J.河北科技大学学报，2014（4）：324-329.3 杨强，黄剑锋.超声化学法在纳米材料制备中的应用及其进展 J.化工进展，2010（6）：1091-1095.4 张勇强，卢长春.镀金用微型超声波发生器的研制和应用 J.机电元件，1994（2）：15-17.5 张鉴，黄庆安，李伟华.电感耦合等离子体（ICP）深刻蚀的模型与模拟 J.仪器仪表学报，2006（10）：1342-1346.