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数字化气体质量流量计通讯协议以及在半导体材料生长中的应用

数字化气体质量流量计通讯协议以及在半导体材料生长中的应用数字化气体质量流量计采用RS-485通讯方式与主控制器连接;流量计的各项功能设置以及检测用数字化的方式完成。相对于模拟接口的质量流量计而言,采用具有数字化接口的流量计组织一个应用网络更为方便,控制更为可靠。本文以Brooks SLA7850S数字质量流量计为例,介绍了有关的通讯协议以及在半导体材料生长中的应用。  
气体质量流量计可以计量和控制气体的流量大小,广泛地应用于需要进行精确组分设计的材料生长领域。其工作原理是:控制比例电磁阀的开启状态达到控制气体流量的目的;通过毛细管传感器,将流量信号转变为电压信号,反映真实的流量大小[1]。 
常用的气体质量流量计,以手动调节的方式改变模拟电位器的分压,从而设置气体流量大小;毛细管传感器的电压信号,经过比例放大电路,输出0~5 V的电压反映实际流量大小。该类型的气体质量流量计,一般还具有模拟信号接口,通过控制器给定0~5 V的电压信号(或4~20mA)来设置流量;通过读取0~5 V(或4~20 mA)的输出信号,反映当前的流量状况[2]。如果要用计算机对其进行程序控制,必须外加DA/AD转换模块,将模拟信号与数字信号相互转化,才能接入计算机控制系统,构成一个控制网络 
而数字化气体质量流量计,含有微处理器,在内部集成有(DA+AD)转换模块,具有RS-232接口或RS-485通讯接口,对流量的设置和流量的检测,以数字化形式通过RS-232接口或RS-485接口完成,因此计算机等控制器对数字化质量流量计的控制相对更为方便可靠。另外,通过数字化接口,还可以对气体质量流量计进行更加广泛的功能设置。
RS-485标准允许在平衡电缆上连接多至32个发送器/接收器,特别适合工业控制领域进行分布管理、联网检测控制,得到广泛应用[3-5]。因此具有RS-485接口的质量流量计对应用系统来说更为方便可靠。下面以BrooksSLA7850S数字化气体质量流量为例,介绍有关通讯协议的格式以及流量计在材料生长中的使用。
1 数字化质量流量计通讯协议
Brooks SLA7850S数字化气体质量流量计除了具有传统的0~5 V或4~20 mA模拟控制引线外,还具有RS-485数字通讯接口http://www.ngyibiao.com/。信号从流量计的DB15连接器中引出/引出。其中14针、15针引出RS-485信号(B)、(A)[6]。RS-485标准是一种多发送器的电路标准,允许在双导线上有多个发送器,也允许一个发送器驱动多个负载。但RS-485仅能工作在半双工方式,即任一时刻只允许一个发送器发送数据,而其他组件只能处于接收状态[3]。苏州华陆数字化质量流量计的485通讯协议是以HART为基础的。
1.1 HART消息的结构[7 
HART是一种“主/从”通讯协议,即每次通讯“主控制器”发出请求,然后被选中的“从器件”进行应答。HART消息结构如图3所示,由引导符、起始符、地址、命令、字节数、状态字、数据域、校验码等几部分构成。HART这种格式既可以用于请求又可以用于应答。HART消息以字节为单位进行编码,串行发送。
1.2 HART消息中的各部分说明
引导符:FFH (16进制数)。由于转换器延时,请求时少5个字节才可靠,应答时最少2个字节。
起始符:1个字节。字节的第7位指示地址的格式(长格地址或短格地址),字节的低3位指示消息来源(主控或从器件)。详见表1说明。
地址:用于指定或识别应用网络上的质量流量计(从器件)。起始符的第7位决定了地址格式的不同,占用1个或5个字节。
短格地址,只占用1个字节。短格地址必须用专用服务软件对485网络中的流量计进行设置,而且在某些方面的应用受到限制,因此下面不做详细介绍。
长格地址,占用5个字节,5个字节的含意:字节0,指明主控等信息;字节1,指明“器件类型”;后3个字节24位,是器件的唯一标识符。长地址格式如图4。
如果消息中的地址为80 00 00 00 00,表明“主控制器”向网内“从器件”广播,或表明网内对应的“从器件”对“主控制器”广播的回应。
命令:1个字节。指明从器件的动作。
命令分为三种类型,即通用命令,编码范围0~19;共
用命令,编码范围32~127;特别命令,编码范围128~250;251~255保留。字节计数:1个字节。
指明该消息中,状态说明2字节和“数据域”的字节数之和。“数据域”的字节数根据消息类型和命令编号的不同而不同。
状态:2个字节,在应答信息中才有。给出通讯错误、命令错误等信息。
数据域:依据不同的命令,数据域可0~24个字节。
数据类型有:8位无符号整形数;24位无符号整形数;
基于IEEE754的4字节单精度浮点数;(在本文2.3中有说明)ASCII码;压缩的ASCII码;(压缩方法见2.4)校验码:1个字节。
对消息中从起始字节开始到本字节之前的所有的字节进行“异或”操作,“异或”结果即为校验码。
1.3 流量数据的表达
HART消息中,在流量设置、检测以及相关应答的格式里,流量数据采用4字节的IEEE-754的单精度浮点数表示[8]。流量的单位采用一个字节编码。IEEE-754的格式如下:
S-尾数符号,字节0的第7位,1表示负,0表示正。
E-指数,跨字节0和字节1。
M-尾数的小数部分,23位。
所表示的数值:Value = S (1.M)×2(E-127)
例如:
42 AA 00 00表示的数值为85
BE 9E 89 B8表示的数值为-0.31
43 D4 80 00表示的数值为425
在表示流量数据的4个字节之前,用一个字节的16进制数表示流量的单位,例如“39”表示“百分比”,“AB”表示“毫升/分”等(详见3.2,3.3)。它们共同构成HART消息的数据部分。
1.4 压缩的ASCII码
标准的ASCII码占用一个字节长度8位,而压缩的ASCII码去掉字节中的第6、第7两位,仅用后面的6位数据。因此字符串采用压缩的ASCII码更为节省长度空间。在查询应用网络中数字化质量流量计的地址时,要用到压缩的ASCII码。举例如下:例如器件标识名(Tag Name)为4 9 5 0 6 0 0 1;这8个字符的标准ASCII码(16进制):34, 39, 35,30, 36, 30, 30, 31;对应的2进制格式:00110100, 00111001, 00110101,00110000, 00110110, 00110000, 00110000, 00110001;将每ASCII码的6、7两位去掉形成: 110100,111001, 110101, 110000, 110110, 110000,110000, 110001;重新组合成: 11010011, 10011101, 01110000,11011011,00001100,00110001;得到压缩的ASCII码(6字节,16进制) D3 9D 70 DB0C 31
1.5 HART消息的传送
HART消息以字节为单位进行编码,串行发送/接收。一般的计算机只用RS-232接口,只有通过RS232-RS485的转接器,才能连接到具有485接口的数字质量流量计[4]。质量流量计的默认波特率19200,1个起始位,8个数据位,奇校验,1个停止位。波特率可用专用软件修改。
2 数字流量计的流量检测和设置[7]
BROOKS数字质量流量计,长格地址采用5个字节表示(见前HART消息说明)。
得到应用网络中质量流量计的长格地址后,就可以通过数字通讯方式,对网络中指定的器件进行控制操作和功能设置,从而构成一个以计算机为主控单元,以流量计为“从器件”的应用网络。
2.1 获取应用网络中流量计的长格地址
实现设置和控制的第以步是获取网络中流量计的地址。
BROOKS数字质量流量计,出厂时一般没有直接提供器件地址,只有器件的标识名(Tag Name)印刷在从器件(质量流量计)的标签上。通过标识名(Tag Name)可以得到对应器件的长格地址。步骤如下:
(1)从流量计的标签上得到该流量计的标识名(TagName)
(2)将标识名(Tag Name)转换为压缩的ASCII码形式。
(3)主控制器执行命令#11,对应用网络进行广播,符合的器件进行应答。
(4)从应答信息中,得到从器件对应的唯一标识码,形成长格地址。
举例如下:
应用网络中的一个质量流量计标签上的Tag Name: 49 5 0 6 0 0 1得到压缩的ASCII码(6字节,16进制) D3 9D70 DB 0C 31主控制器向网内广播,执行命令#11(0B),发送的消息格式:FF FF FF FF FF 82 80 00 00 00 00 0B 06 D3 9D70 DB 0C 31 D7 ,消息中的各部分说明如图5:
对应的“从器件”对主控制器的应答:FF FF FF FF FF 86 80 00 00 00 00 0B 0E 00 00 FE0A 32 05 05 01 01 01 01 4B 8A 49 4D应答消息中的各部分说明如图6:
在应答信息中,由1个产品码字节、1个器件类型字节、3个的器件标识码字节合成为器件(质量流量计)的唯一长格地址码: 8A 32 4B 8A 49,合成方法见图6。
2.2 流量检测命令(#1)
请求消息中的设置流量为85,单位码39表示百分比,即设置的流量为满量程的85%;应答消息返回的流量单位码AB代表“毫升/分”,流量为425,即所设置85%的流量为425毫升/分。
2.4 其他功能设置
通过指定控制网络中流量计的地址,主控制器还可以对数字质量流量计的其他功能进行设置,常用的有:流量的单位变换(#196)、超限报警(#248)、模拟控制与数字控制方式切换(#216)等。
3 数字流量计的应用实例
在半导体材料外延生长领域,所关心的是每一时刻参与反应的气体组分及其配比,能够及时调整气体流量并对其实时监测,因此需要用到多个质量流量计。如果采用具有RS-485接口的数字化的质量流量计,就可以方便地构成材料生长的气路控制网络。图9显示了一个半导体材料外延生长的气路布局简图,生长用到的4种气源,用4个流量计MFC1~MFC4分别加以控制。
3.1 气路控制网络的构成
图9中的4个质量流量计按图2方式与计算机连接,构成一个以RS-485进行通讯的主/从网络结构,主控器件主导通讯过程。其中主控制器为计算机,从器件为4个流量计。系统中采用有源RS232-RS485转换器,平衡电缆的两端并联120Ω吸收电阻。计算机与流量计通讯波特率19200,1个起始位,8个数据位,奇校验,1个停止位。按节3.1的方法,由标识名得到应用网络中的各个流量计的长格地址,见表3。
得到器件的长格地址后,计算机就可以向指定的流量计发出设置流量或流量检测的命令。对应流量计应答并动作或返回当前实际流量。对流量计的设置和检测,可以“单步”进行,也可以根据材料生长要求,采用程序“多步”控制。
3.2 生长过程中的气路控制流程
外延半导体材料的多层结构,要求不同时刻参与反应的气体组分和配比不同,因此在生长过程中必须能够按设计要求调整气体流量。采用预设“生长数据文件”的方法,为在生长过程中改变气体流量提供了依据。程序执行时,计算机对网络中的所有流量计进行定时查询,并与预设的“生长数据文件”比较,动态调整流量。流量的设置和检测构成的闭环控制,确保材料生长过程的可靠性和重复性。根据材料结构设计,预设的“生长数据文件”的格式:时刻1,MFC1流量,…,MFCn流量……
时刻x,MFC1流量,…,MFCn流量程序依照“生长数据文件”执行,控制流程图见图10。
3.3 材料生长的气路控制效果
按图9方式构成的半导体材料生长的气路系统,已成功建立,并采用数字流量控制方法在Si片上进行了多层膜的外延生长试验。基于RS-485通讯的数字流量计可以在1秒内对设置的流量做出反应,检测到的流量和设置的流量在偏差范围以内;流量计在工作过程中基本不受外界干扰;控制效果良好 
4 结  论
相对于只有模拟接口的流量计,具有RS-485接口的数字化质量流量计,配置一个应用系统在控制方面更有优势,硬件的组织更为清晰,可靠性更高,使用起来更为方便。
在组分需严格控制,精度要求越来越高、结构越发复杂的情况下,材料生长过程必须由计算机控制,而数字化质量流量计具有的先天特性,使之能更好地与计算机控制系统衔接。
数字化质量流量计的应用,必须严格遵循定义的通讯协议。在充分了解和掌握该协议的基础上,才能加以灵活合理的使用,满足应用要求。
点击次数:  更新时间:2018-09-02 23:03:38  【打印此页】  【关闭