鐘震宇 盧杏堅 曹永軍

1 引言

隨著自動化技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于監(jiān)控等方面，如對電場致聚合物的響應(yīng)特性測試、石材切割裝備的自動控制、光學(xué)鍍膜過程監(jiān)控。對于這些應(yīng)用，往往會存在大容量數(shù)據(jù)采集與運算的問題，如復(fù)合光路膜厚監(jiān)控系統(tǒng)中的寬光譜掃描波長范圍為 400nm～800nm，波長分辨率為 1nm，采集掃描速度為12次/秒（積分時間為70ms），測量掃描速度為2次/秒，透射率測量精度為 0.1%，主波長控制精度為 1%[1]。考慮到抗噪的要求，需要采用平均值濾波法，系統(tǒng)除了每秒數(shù)千次的加減運算外，還有近千次的乘除運算，這對系統(tǒng)而言資源開銷太大?？紤]到運算速度等因素，以往通常采用 PC-BASED的構(gòu)架方式，但隨著MCU的性能越來越強大，已具有能夠完成這些運算的能力，加上其在工業(yè)應(yīng)用上更具良好的實時性和穩(wěn)定性，嵌入式系統(tǒng)有逐步取代PC-BASED構(gòu)架方式的趨勢[2]。本文以復(fù)合光路膜厚監(jiān)控儀為例，探討嵌入式大量數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)。

2 系統(tǒng)組成

光學(xué)鍍膜制備中控制膜層厚度的主要方法有目視法、石英晶體振蕩法、單波長極值法、寬光譜掃描法。幾種方法各有利弊，在不同的場合下各有所長。隨著對光學(xué)薄膜復(fù)雜性和精度要求的不斷提高，單一的控制方法已經(jīng)無法滿足需要。目前國產(chǎn)鍍膜設(shè)備普遍用單波長極值法監(jiān)控膜層厚度，光學(xué)鍍膜工藝操作仍然依靠經(jīng)驗，難以滿足監(jiān)控鍍制高性能復(fù)雜膜系光學(xué)薄膜的要求。開發(fā)嵌入式復(fù)合光路膜厚監(jiān)控儀，實現(xiàn)基于寬光譜掃描法的實時寬光譜膜厚監(jiān)控系統(tǒng)和基于單波長極值法的光學(xué)膜厚監(jiān)控系統(tǒng)的兼容使用，采用寬光譜掃描、評價函數(shù)、單波長極值等多種方法綜合監(jiān)控光學(xué)膜厚，實時監(jiān)控鍍膜過程，有利于提高鍍膜質(zhì)量，提高膜厚監(jiān)控的準(zhǔn)確性。

圖1是復(fù)合光路膜厚監(jiān)控儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，其中MKG-5光學(xué)膜厚控制儀進行單波長極值法膜厚監(jiān)控，USB2000光纖光譜儀進行光譜采集。由于光譜采集處理周期約為 83ms，系統(tǒng)擔(dān)負的任務(wù)繁重，可能會影響系統(tǒng)的實時性。因此，系統(tǒng)考慮雙嵌入式系統(tǒng)的構(gòu)架，從芯片專門負責(zé)光譜采集和處理的事宜；主芯片主要負責(zé)對單波長極值法膜厚監(jiān)控采集的數(shù)據(jù)（采集處理周期為0.5s）和從芯片處理后的數(shù)據(jù)進行評價判斷、顯示和控制。

圖1 復(fù)合光路膜厚監(jiān)控儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

這種構(gòu)架優(yōu)點在于：① 系統(tǒng)判別與控制的實時性和可靠性能夠得到保障；② 結(jié)構(gòu)清晰，程序簡單；③ 系統(tǒng)源豐富，便于擴展功能。

3 信號采集與處理

實現(xiàn)膜厚監(jiān)控的自動化，首先應(yīng)將被測信號或反映被測信號的信息量輸入計算機，由計算機對采集的信號實施相應(yīng)的處理，并根據(jù)條件做出適當(dāng)?shù)姆答仭?/p>

3.1 平均值濾波[3]

寬光譜掃描法就是通過將各層的實測光譜曲線與各層的理論光譜曲線進行對比分析，通過調(diào)整鍍膜過程讓實測光譜曲線逐步逼近理論光譜曲線。寬光譜掃描波長范圍為400nm～800nm，波長分辨率為1nm，這就意味著在83ms內(nèi)要求400次計算。而鍍膜過程中，信號變化比較緩慢，采樣頻率相對而言比較高，這樣信號在某個時間段內(nèi)的變化值可以看作是一個靜態(tài)的過程，考慮到測量周期是1秒2次，也就是說理想狀態(tài)下有6組數(shù)據(jù)做平均值，對于第t個波長分辨率而言，有：

其中tV是指1個測量周期內(nèi)第t個波長分辨率的采樣平均值，]800,400[∈t。

3.2 區(qū)域平均值比較法

通過平均值濾波可以有效地抑制噪聲干擾和隨機誤差，但同時由于增加了除法，運算量將更大。為了減少運算量，尤其是除法帶來的運算量，可以適當(dāng)?shù)貙⒎直媛收{(diào)整到5nm的離散間隔，這樣除法量將從400次降至80次。

① 重構(gòu)實測光譜曲線

首先對6組測量的數(shù)據(jù)累加，得到：

將相鄰的5個測量點的累加值相加后進行平均值計算，得到：

其中]79,0[∈i，i t 5400+= 。

② 重構(gòu)理論光譜曲線，取相鄰的5個測量點的平均值

③ 通過比較分析重構(gòu)后的理論光譜曲線與實測光譜曲線各點的值來實現(xiàn)寬光譜膜厚的監(jiān)控，重構(gòu)后的理論光譜曲線計算好后存儲在從芯片中，可通過查表法查詢比較。

4 應(yīng)用實例

在國產(chǎn) LDSX-800低壓反應(yīng)離子鍍膜機上做測試，表1是取波長范圍為400nm到439nm的40個點的平均值。表2是分辨率為5nm的實測數(shù)據(jù)與重構(gòu)實測數(shù)據(jù)的對比。從數(shù)據(jù)可以看出：重構(gòu)后的實測光譜曲線較5nm的實測數(shù)據(jù)更能反映1nm的曲線的變化。證明了重構(gòu)后的實測光譜曲線不是簡單的降低了分辨精度，實質(zhì)上是將每5nm區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)變化趨勢集中反應(yīng)出來，這樣既保證了細節(jié)的真實性，同時也減少了運算量，為嵌入式系統(tǒng)處理大數(shù)據(jù)提供了有效的解決方案。

表1 一組分辨率為1nm的平均值濾波后的原始數(shù)據(jù)

表2 分辨率為5nm的實測數(shù)據(jù)與區(qū)域平均值的對比

5 結(jié)論

嵌入式系統(tǒng)在處理大容量數(shù)據(jù)時，應(yīng)根據(jù)具體需求采取相應(yīng)對策。本文以復(fù)合光路膜厚監(jiān)控儀為例，從系統(tǒng)組成、數(shù)據(jù)處理等方面進行研究，取得了較好的效果，并在電場致聚合物的響應(yīng)特性測試、石材切割裝備的自動控制中得到了應(yīng)用。

① 針對寬光譜掃描法系統(tǒng)資源開銷大的問題，采用雙嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，從芯片主要負責(zé)寬光譜的數(shù)據(jù)采集、濾波處理與評估判斷，確保了主芯片有足夠的資源保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地運行；

② 采用平均值濾波法有效地抑制了數(shù)據(jù)傳輸中的噪聲干擾和隨機誤差，提高了系統(tǒng)控制的精度；

③ 采用區(qū)域平均值比較法，通過重構(gòu)理論光譜曲線與實測光譜曲線，大幅減少了運算量。由于不是簡單的降低了分辨精度，而是將每段區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)變化趨勢集中反應(yīng)出來，使其更加真實地體現(xiàn)出變化趨勢，有利于系統(tǒng)精準(zhǔn)控制。

[1] 任豪,王巧彬,羅宇強,李康業(yè).復(fù)合光路光學(xué)鍍膜寬光譜膜厚監(jiān)控系統(tǒng)[J].激光與光電子學(xué)進展,2010(053101):1-5.

[2] 喻焰,鮑娟,李海光.嵌入式大容量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計[J].微計算機信息,2007(23):26-28.

[3] 劉雄英,黃光周,于繼榮.實時光學(xué)薄膜膜厚監(jiān)控系統(tǒng)研究[J].真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報,2005(25).306-308.