纳米测量机传感器信号显示与切换系统的设计

卢 歆 雷李华 沈瑶琼 李 源 王丽华

(中国计量学院计量测试工程学院1，浙江 杭州 310018;上海市计量测试技术研究院2，上海 201203)

0 引言

在微纳测试和计量领域，器件的尺寸、位置和形貌特征等几何量的测量是影响微加工精度和工艺水平的关键因素。以纳米测量机 (nano measuring machine，NMM)为代表的微纳坐标测量系统是解决微米纳米测量的有效手段之一。目前与之配套的测量传感器有很多种，包括原子显微镜 (atomic force microscope，AFM)、聚焦式测头(laser focus sensor，LFS)、接触式测头和白光干涉测头(white light sensor)等。由于不同的测量任务需要不同的测量原理、测量范围和测量精度的测量传感器，因此，需要频繁更换测头。这就容易导致测头产生接触不良、效率低下以及故障率高等问题［1－2］。

针对以上纳米测量机使用过程中存在的问题，本文设计了一个具有测头测量信号/观察信号切换功能和记录输出测量信号电压值功能的装置。该装置作为纳米坐标测量机的一个附属装置，用以提高测量的效率，减少设备出故障的几率，在保护仪器的同时也便于观察信号。系统主要由C8051F单片机控制，通过A/D转换芯片和液晶显示模块，实现其信号电压值的显示功能，并通过多路选通开关实现其信号切换功能［3－4］。

1 装置系统

系统利用A/D转换芯片及液晶显示模块，在单片机的控制下，实现信号电压实时显示以及测量信号与视频信号之间的切换功能。系统原理图如图1所示。

图1 系统原理图Fig.1 Principle of the system

系统选用C8051F系列单片机作为MCU来实现整个系统的控制功能。C8051F单片机是完全集成的低功耗混合信号片上系统型MCU，它使用Silicon Labs的专利CIP-51微控制器核，具有标准8052的所有外设部件［5］。CIP-51采用流水线结构，与标准的8051结构相比，其指令执行速度有很大的提高。本装置中所使用的C8051F410芯片采用QFN封装，且包含精准度高达2%的振荡器，因此，只需采用其内部振荡器就可以完成相应的时钟功能，从而大大简化了硬件电路设计的复杂度，使系统更加轻便简洁［6］。

1.1 A/D 转换电路

纳米测量机在开展测量的过程中，需要引入测量传感器的输出电压信号。该信号的电压幅度在－10～+10 V之间浮动。为了避免由于降压等措施引起测量信号的衰减，系统采用有双极限的AD574A芯片，在有效简化其外围电路的同时，更能提高转换精度，减少误差。根据单双极限选择的不同，其外部电路连接也有一定的区别。AD574A芯片的连接方式可以参考数据手册，需要注意的是，外部电阻的连接与否与其转换精度有着密切关系［7］。

AD574A的工作模式分为全速模式和单一模式两种。在全速工作模式时，通过和A0等管脚对其工作状态进行控制，逻辑关系比较复杂且容易混淆;而单一工作模式就显得相对简单明了，只需将接至+5 V电源端和A0接至电源地，仅用管脚来控制A/D转换的启动和数据输出。因此，本系统选用单一工作模式。AD574A工作于单一模式时与单片机的接口电路如图2所示。

图2 AD574A与单片机的接口电路Fig.2 Interfacing circuit between AD574A and single chip computer

1.2 液晶显示电路

YM12232是一种内置8 192个16×16点汉字库和128个16×8点ASCII字符集图形点阵的液晶显示模块。它主要由行/列驱动器及122×32全点阵液晶显示器组成，可完成图形及汉字的显示。该液晶显示模块同时提供并行和串行通信两种接口方式，便于和多种微处理器、单片机进行通信［8］。在并行接口方式下，系统将配合RS、RW、E和DB0～DB7来完成指令和数据的传送。而在串行接口方式下，系统则只需通过时钟信号线CLK、数据线SID及片选信号CS配合使用来完成指令和数据的传送。串行接口方式大大简化了液晶显示模块与单片机之间的接口设计，同时，串口通信比并行通信拥有更强的抗干扰性，大大改善了以往单片机接口界面不够友好的弊端［9］。串行通信时，各管脚与单片机的接口电路如图3所示。

图3 串行接口电路图Fig.3 The serial interface circuit

其中，单片机 P2.4口控制片选端 CS，P2.5口控制数据线SID，P2.6口控制时钟信号CLK。为了使液晶屏幕能正常显示，需要在VEE、VDD及VSS之间接一个10 kΩ电位器，通过电位器的变化来调节屏幕背光，使液晶屏可以清晰地显示。另外，需要注意的是，一般液晶屏出厂的默认工作方式是并行方式，因此在选择串口方式通信时，需将液晶模块后面的J2接口重新焊点，使其中间的焊点跟下面的焊点焊接。

1.3 切换系统

为了能更加直观地表示切换功能，所设计的切换系统如图4所示。

图4 切换系统设计简图Fig.4 Simplified diagram of the switching system

图4中，测头1-1、测头1-2、测头2-1、测头2-2四个BNC接口表示两组测头信号接口，视频1和视频2两个BNC接口表示两个视频信号接口。通过开关S的上下拨动，选择所需测头的测量信号和视频信号，然后将所选通的测量信号提供给A/D转换电路，从而实现测量信号电压的实时显示功能。

1.4 电源电路

为了保证单片机能够稳定地工作，需要的输入电压为3.3 V;液晶显示模块的标准工作电压为5 V;AD574A的工作电压同时需要5 V、+15 V、－15 V三种电压。由此可见，整个电源电路所需要的电压共有四种，这是一个电源模块所不能提供的。因此，在整个设计中又加入了LM2937芯片和电压转换电路。

2 软件设计

整个设计的程序流程图如图5所示。

图5 程序流程图Fig.5 Flowchart of the program

C8051F410具有片内Silicon Labs 2线(C2)接口调试电路，既支持在线观察和修改存储器和寄存器，也支持断点和单步执行。执行过程不需要额外的目标RAM、程序存储器、定时器或通信通道。对于开发和调试而言，Silicon Laboratories IDE接口比采用标准MCU仿真器要优越得多，只需使用MCU的两个C2引脚和GND，即可实现在线调试和程序烧制。

3 试验结果与数据分析

本系统装置的数据来自于纳米坐标测量机测量时所用测量传感器的测量信号，其信号电压值范围为－10～+10 V。由于纳米坐标测量机设备昂贵，测量过程中测头的测针容易损坏，所以，试验初期暂时用Agilent直流稳压源代替。试验环境为距离地下6 m的超净实验室，室温控制在(20±0.1)℃，相对湿度控制在(40±20)%。

经程序烧制，即可进行试验。将直流稳压源的输出电压提供给AD574A，通过改变电压值进行误差试验。每次提供相隔1 V左右的电压，并记录此刻LCD显示的电压值，共进行20组试验，试验数据如表1所示。由标准差公式计算可得，该装置的电压示值与输入电压间的标准差为0.005 V。

表1 试验数据Tab.1 Experimental data

4 结束语

本文在基于C8051F410、AD574A和YM12232F液晶模块等工作原理的基础上，以 C8051F410为核心［11－12］，设计了一个具备切换和显示功能的系统装置。该装置通过各个模块的功能设计，编制总体框架程序，最后进行程序编译，实现了测量信号和视频信号的切换及测量信号电压值的实时显示的功能［13－15］。试验表明，该系统提高了纳米坐标测量机的测量效率，减少了设备的故障率，对纳米坐标测量机的使用和履行更多测量任务具有重要的意义。

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