薛 超 魏 昕 謝小柱

(廣東工業(yè)大學機電工程學院 ，廣東 廣州 510006)

化學機械拋光(CMP)是一種新興的超精密無損傷表面特種加工技術(shù)，該技術(shù)能有效的實現(xiàn)工件表面全局平坦化和局部平坦化，在計算機硬磁盤、晶圓及集成電路芯片的表面平整化加工等工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。因此，CMP工藝對CMP設(shè)備的性能提出了更高的要求，高性能CMP設(shè)備是實現(xiàn)高效、高精度和高表面質(zhì)量CMP工藝必不可少的硬件基礎(chǔ)[2-4]。

在CMP設(shè)備中位置檢測有著廣泛的需求，在拋光過程中需要對拋光的位置進行實時檢測，以保證對拋光頭行程進行精確地控制。在工業(yè)應(yīng)用中距離檢測主要分為接觸式與非接觸式兩種，而非接觸式檢測常常用于一些復雜的環(huán)境和特殊的工作場合?？紤]到拋光設(shè)備實驗平臺的復雜環(huán)境采用非接觸的方式檢測拋光頭的行程。在工業(yè)現(xiàn)場中非接觸測距手段主要有：激光、毫米波和超聲波等測量介質(zhì)。較前兩種而言，超聲波具有指向性強、能耗慢、受環(huán)境影響小、傳播距離遠，對光線、電磁干擾不敏感等優(yōu)點[5]；結(jié)合微電子技術(shù)信息處理簡單，成本低，可準確、快速地計算出距離值，便于實時控制。因此在機器人避障、車輛導航及定位等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

本文針對CMP設(shè)備拋光頭位置檢測需求，應(yīng)用超聲波測距原理設(shè)計了基于ARM的拋光頭位置實時檢測系統(tǒng)。

1 位置檢測系統(tǒng)的方案設(shè)計

檢測系統(tǒng)由上位機和下位機兩層結(jié)構(gòu)，分別為嵌入式現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集終端和PC端上位機顯示界面。整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。拋光頭在氣缸的控制下實現(xiàn)上下運動，使得超聲波傳感器與氣缸安裝臺發(fā)生距離變化，通過檢測距離值就可以測得拋光頭的位置變化。

現(xiàn)場嵌入式檢測終端，主要是完成拋光頭位置參數(shù)和現(xiàn)場環(huán)境溫度的采集及數(shù)據(jù)的傳輸?shù)裙ぷ鳌Ｖ饕墓ぷ魇菍崟r采集超聲波傳感器、溫度傳感器DS18B20的數(shù)據(jù)信號，并進行數(shù)據(jù)處理，再通過串口RS232將處理好的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C。上位機基于Qt設(shè)計實時顯示界面，實時顯示溫度及拋光頭位置信息。

系統(tǒng)設(shè)計主要工作內(nèi)容：檢測系統(tǒng)硬件平臺的搭建；基于Linux2.6內(nèi)核編寫超聲波模塊、溫度模塊、串口傳輸?shù)闰?qū)動程序；基于Qt的實時顯示界面的設(shè)計。

檢測系統(tǒng)以超聲波模塊作為檢測元件實時監(jiān)控拋光頭的位置，超聲波測距原理是基于回波時間法，如圖2所示。具體過程是：超聲波測距模塊在被觸發(fā)時會產(chǎn)生20 kHz 以上的聲波，聲波在傳輸過程中遇到障礙物后反射回來[7]。通過測取聲波傳輸?shù)臅r間t，再乘以聲波在空氣介質(zhì)中傳播的速度c除以2，就可以換算出拋光頭的行程位置[8]。即：

d=c·t/2

(1)

式中：d拋光頭行程；c為空氣中聲波傳播速率。在空氣中，聲波的傳輸速率為：

(2)

式中：T為絕對溫度；c0=331.4 m/s，一般認為c為常數(shù)340 m/s[9]。

聲速在不同的溫度下傳播速度有所不同，為了提高系統(tǒng)的檢測精度需要考慮溫度補償，以減小誤差[10]。

2 基于ARM的位置檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計

ARM公司是全球領(lǐng)先的16/32位微處理器供應(yīng)商。ARM處理器采用先進的精簡指令集，具有能耗低、性價比高等優(yōu)點。本系統(tǒng)選用的ARM處理器為Cortex-A8系列32位處理器S5PV210，該處理器采用ARM V7指令集，主頻可達1 GHz，并擴展有兩片512MB的 DDR2共1GB RAM內(nèi)存，板載1GB NAND Flash，掉電非易失[1]。

檢測系統(tǒng)的硬件部分主要包括：ARM處理器S5PV210、溫度傳感器DS18B20、超聲測距模塊、RS232串口傳輸、上位機界面等組成，系統(tǒng)構(gòu)成如圖3所示。各模塊與微處理器的硬件連接如圖4所示。

2.1 超聲波測距模塊

超聲波模塊有4個引腳分別為：VCC(電源)、TRIG(控制端)、ECHO(接收端)、GND(接地)?？刂贫薚RIG接處理器的GPA12引腳，接收端ECHO接處理器的GPA13引腳。通過控制GPA12、GPA13引腳實現(xiàn)超聲波模塊的驅(qū)動及距離數(shù)據(jù)的讀取。由其控制時序圖(如圖5所示)可知，控制GPA12引腳輸出大于10 μs時長的高電平信號驅(qū)動超聲波模塊，該模塊將自動發(fā)送8個40 kHz的方波，等待信號返回，當GPA13檢測到信號返回，GPA13輸出高電平，高電平持續(xù)的時間即超聲波從出發(fā)到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時間[10]，即可由式(1)計算出距離值。

2.2 溫度模塊

DS18B20是數(shù)字式溫度傳感器，采用單總線1-wire，與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)處理器與DS18B20的雙向通訊。DS18B20的DQ端連接處理器GPH31引腳，如圖4所示。DS18B20測溫范圍為-55～+125 ℃，在-10～85 ℃范圍內(nèi)精確度為±0.5 ℃。DS18B20有9～12位編程分辨率供選擇，對應(yīng)的溫度值分辨率分別為0.5 ℃，0.25 ℃，0.125 ℃和0.062 5 ℃[5]。系統(tǒng)采用9位分辨率時，把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字最多需要93.75 ms，最小分辨率為0.5 ℃，在正常的溫度環(huán)境下DS18B20完全滿足測量條件。

2.3 RS232串口數(shù)據(jù)傳輸

通用異步收發(fā)器(Universal Asynchronous Receiver and Transmitter，UART )是處理器中最常用、最重要的部件之一，可以用來實現(xiàn)不同處理器的數(shù)據(jù)通信。本系統(tǒng)通過RS232將下位機采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C。S5PV210有4個獨立的UART接口，系統(tǒng)采用UART1通過MAX232芯片轉(zhuǎn)換，再依據(jù)RS232通信協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。RS232串口硬件連接圖如圖4所示。其中RXD1為接收端，TXD1為發(fā)送端。RS232串口波特率設(shè)置為115200，8位數(shù)據(jù)位異步通信，一幀數(shù)據(jù)共10位，其中包括8位數(shù)據(jù)位，1位數(shù)據(jù)起始位(0)和1位數(shù)據(jù)停止位(1)。

3 位置檢測系統(tǒng)主要軟件設(shè)計

3.1 上位機軟件設(shè)計

要實現(xiàn)很好的交互，需要設(shè)計上位機用戶界面，下位機采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過RS232串口傳輸顯示在PC上。在PC端需要實時顯示距離數(shù)據(jù)，動態(tài)顯示一段關(guān)于時間的動態(tài)曲線，同時記錄歷史距離數(shù)據(jù)，方便查閱。本系統(tǒng)的監(jiān)視界面是采用QT來設(shè)計的。QT有著比較強的跨平臺特性，開源的QT給自由開發(fā)提供了很大的便利。

3.2 系統(tǒng)軟件主要模塊驅(qū)動程序設(shè)計

檢測系統(tǒng)是在S5PV210上移植了Linux2.6操作系統(tǒng)。Linux操作系統(tǒng)是一種完全開源、多用戶、多任務(wù)環(huán)境的實時操作系統(tǒng)，內(nèi)核采用模塊化的思想，可根據(jù)外設(shè)需要進行配置、裁剪。

利用Linux內(nèi)核模塊化的思想，開發(fā)超聲波傳感器、溫度傳感器、RS232串口通信等設(shè)備的驅(qū)動程序，動態(tài)加載驅(qū)動模塊，再編寫好相應(yīng)的應(yīng)用層代碼，就可以實現(xiàn)對外設(shè)的調(diào)試控制了。

3.2.1 超聲測距模塊驅(qū)動程序設(shè)計

在開發(fā)Linux內(nèi)核模塊驅(qū)動程序時，將超聲波模塊視作只讀設(shè)備，編寫好驅(qū)動程序后，設(shè)備只需要通過應(yīng)用層傳來控制參數(shù)，在驅(qū)動層即可完成測距。驅(qū)動層通過相應(yīng)的函數(shù)將距離值傳給應(yīng)用層，即可在用戶態(tài)讀取并操作距離值[10]。

Linux內(nèi)核將一切外設(shè)均視為文件，在具體開發(fā)驅(qū)動程序時只需要初始化結(jié)構(gòu)體file_operations中的成員即可。file_operations中的成員變量主要是用來實現(xiàn)對設(shè)備節(jié)點的打開、讀寫、偏移、關(guān)閉等操作，為了便于操作代碼實現(xiàn)時將超聲波傳感器注冊為雜項設(shè)備的形式，其驅(qū)動中定義的le_operations與miscdevice的成員實現(xiàn)如下：

static struct file_operations sonar_drv_fops = {

.owner = THIS_MODULE,

.open =sonar_open,

.ioctl = sonar_ioctl,

.read =sonar_read,

.write =sonar_write,

.release =sonar_close,

};

static struct miscdevice sr04_drv_misc = {

.minor = MISC_DYNAMIC_MINOR,

.name = "sr04_drv",

.fops = &sr04_drv_fops,

};

open()函數(shù)是用于打開設(shè)備產(chǎn)生超聲波設(shè)備節(jié)點的文件描述符，是設(shè)備的入口，sonar_open()申請中斷資源， sonar_ioctl用于設(shè)置GPA12輸出是0還是1，sonar_read()通過控制定時中斷得到時間值，最后通過copy_to_user()將換算的距離值返回給應(yīng)用程序。

3.2.2 溫度傳感器驅(qū)動程序設(shè)計

DS18B20是一種智能傳感器，采用1-Wire的方式傳輸數(shù)據(jù)，只需要一個引腳即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入 /輸出。DS18B20的操作需要嚴格按照時序驅(qū)動，使用時需使其復位，其復位時序圖如圖6所示。如圖4 所示DS18B20接于S5PV210的GPH31，復位操作如下：首先控制GPH31輸出480～960 μs低電平，然后釋放數(shù)據(jù)線，再將GPH31設(shè)置為低電平保持15～60 μs，等待DS18B20返回存在脈沖，脈沖持續(xù)時間為60～240 μs， 這樣就完成了DS18B20的復位操作。

如圖7、8所示為DS18B20的讀、寫程序，采用循環(huán)移位的辦法，實現(xiàn)字節(jié)讀、寫。

4 實驗研究

為了驗證位置檢測系統(tǒng)的穩(wěn)定性與精確程度，需要對檢測系統(tǒng)進行實驗驗證，實驗采用對比上位機讀數(shù)與高度尺讀取實際測量距離進行對比驗證。表1列出了系統(tǒng)上位機讀數(shù)與對應(yīng)的實際值：(實驗環(huán)境：室內(nèi)；室溫：22 ℃)

表1 上位機讀取值與實際值

試驗中每組數(shù)據(jù)測量5次，求取平均值，以減小偶然誤差影響，并計算系統(tǒng)的誤差范圍。由實驗數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)測量誤差在2%以內(nèi)，誤差沒有出現(xiàn)較大的波動，也沒有隨距離的增加而變大，系統(tǒng)滿足拋光頭位置檢測使用要求，而且精度比較高。

將設(shè)計好的檢測系統(tǒng)嵌入到CMP設(shè)備中進行拋光實驗。在系統(tǒng)初始化后，開始檢測按鍵狀態(tài)，當檢測到“開始按鍵”按下時開始一次加載過程中記錄拋光頭的運行軌跡，部分軌跡如圖9所示。

實驗研究表明系統(tǒng)調(diào)試通過、運行正常，滿足CMP設(shè)備拋光頭位置實時檢測與顯示的需求。

5 結(jié)語

本文設(shè)計的拋光頭位置檢測系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)拋光頭運行過程中位置、環(huán)境溫度的實時檢測及動態(tài)顯示。詳細分析了基于S5PV210—Linux平臺測距系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計。經(jīng)過反復實驗該系統(tǒng)在實際拋光實驗中運行穩(wěn)定，能夠?qū)崿F(xiàn)對拋光頭行程位置進行實時顯示與監(jiān)控，解決了拋光設(shè)備拋光頭位置檢測的需求。同時該系統(tǒng)可移植性強，可擴展到整個CMP設(shè)備的自動化控制系統(tǒng)中，應(yīng)用前景好。

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