基于单片机和CPLD的无线膜厚监测系统

　　设计了一种基于单片机和复杂可编程逻辑器件(CPLD)的无线膜厚监测系统。阐述了其功能、结构、硬件、软件等原理及其实现。系统采用PIC18F2550单片机和Altera EPM7064SCPLD 实现多周期同步法测量频率，采用nRF24L01无线数据传输模块实现远距离膜厚监测功能。该系统克服了传统有线连接的局限性，并具有低成本，小型化等优点。

　　在工业生产和科学研究中，薄膜制备已成为一道基础并且关键的步骤。在薄膜制备过程中，对薄膜厚度的监测显得尤为重要。监控薄膜厚度的方法主要有电阻法，称重法，石英晶体振荡法和光电极值法及其改进，双色法，波长扫描法，电子模拟微分法，单色定值比较法，双色四光路控制法，电离感测器法等。这其中以石英晶体振荡法应用最为广泛。

　　石英晶体微天平(quartz crystal microbalance, QCM)作为微量称量工具，可以测出10^-6-10^-9克的质量。它具有体积小、灵敏度高、快速、简便等特点，已广泛用于化学、材料、生物、医学、环境监测等领域。石英晶体微天平是基于石英晶体的压电效应对其电极表面的附着质量进行测量的仪器。它的基本工作原理为：石英晶振表面所负着质量的改变引起石英晶振振动频率变化。振动频率随负着质量的改变满足Sauerbrey方程：

　　式中Δf是石英晶振振动频率的改变，Δm是石英晶振表面的质量改变值，f0是石英晶振的基频，μq是石英晶体的弹性模量，ρq是石英晶体的密度，A是石英晶体具有压电活性的表面积。

　　方程中的负号表明样品质量增加引起石英谐振器频率的降低。通常QCM使用的石英晶振基频在6 MHz左右，由(1)式可知，微小的质量变化即能引起频率有较大变化。因此QCM方法是一种极为灵敏的检测手段。

　　目前，石英晶振膜厚监测仪已经广泛用于真空热蒸发薄膜制备过程中的膜厚监测。传统的石英晶体膜厚控制仪，晶振探头置于真空腔体中，其频率信号通过数据线传于膜厚控制仪或电脑主机。但是，在某些特定的工业生产场所或科研场所，由于真空腔体与膜厚控制仪距离太远等原因，不便用导线将探头与膜厚控制仪连接起来。因此，本文设计一种无线膜厚监测系统。晶振探头的频率信号通过射频传输到膜厚控制仪或主机。

1. 系统组成

　　膜厚监测仪的核心是石英晶振频率计。本系统采用多周期同步法进行频率测量。多周期同步法测频技术的实际闸门时间是被测信号的整周期倍, 而不是固定的值, 即闸门时间与被测信号同步, 因此消除了对被测信号计数时产生的出±1 个字误差, 测量精度大大提高,而且达到了在整个测量频段的等精度侧量。

图1 系统框图

　　系统框图如图1 所示。系统主要由数据采集发送部分（下位机）和数据接收部分(上位机)组成。上位机中，皮尔斯振荡电路驱动石英晶振产生脉冲方波。此脉冲与温补晶振(TCXO)产生的标准脉冲同时输入到CPLD 进行计数。单片机读取CPLD 中的计数值，计算出待测信号的频率值，再将频率值送入无线发射模块。上位机中的单片机读取无线接收模块收到的该频率值，通过USB 总线发送到计算机。

2. 硬件设计

2.1 振荡电路

　　振荡电路的选取对石英晶振频率的稳定度至关重要。常见的石英晶体振荡电路有皮尔斯振荡电路，考毕兹振荡电路，克拉普振荡电路[3]。综合系统复杂度和频率稳定度考虑，本系统采用皮尔斯振荡电路。该电路能在2-20MHz 内能稳定工作。

图2 皮尔斯振荡电路

2.2 复杂可编程逻辑器件

　　本系统设计的理论测量精度为0.1ppm。被测信号为6MHz 的脉冲，而标准信号为60MHz的脉冲。因此采用复杂可编程逻辑器件(CPLD)对两路脉冲同时计数。系统采用一片AlteraEPM7064S，设计成两路16 位高速计数器。其最大内部全局时钟频率达175.4MHz，满足高速计数的要求。计数闸门由单片机提供。