基于嵌入式技術(shù)實現(xiàn)單晶硅測徑系統(tǒng)的設(shè)計

1 引言

隨著單晶硅片制造向大直徑化發(fā)展，直拉法單晶硅生長技術(shù)在單晶硅制造中逐漸顯出其主導(dǎo)地位。為使結(jié)晶過程更加穩(wěn)定和實用有效，則需提高對工藝參數(shù)的控制精度，基于CCD攝像掃描識別技術(shù)的單晶硅等徑生長速度控制技術(shù)得到業(yè)界的重視。

基于ARM的單晶硅測徑系統(tǒng)具有巨大的市場潛力。因此，這里研究了單晶硅測徑系統(tǒng)的圖像采集、處理及顯示。

2 整體方案設(shè)計

系統(tǒng)上電后，CCD攝像頭拍攝單晶爐爐膛內(nèi)晶體硅棒生長區(qū)域圖像，并傳送至嵌入式系統(tǒng)，通過觀察在VGA接口顯示器上顯示的圖像清晰度來對攝像頭調(diào)焦。圖像經(jīng)數(shù)字圖像處理程序處理，計算出單晶硅棒的瞬時直徑。系統(tǒng)把直徑的數(shù)字量送至D／A轉(zhuǎn)換器，再把轉(zhuǎn)換的模擬量送至主控系統(tǒng)中判決，執(zhí)行機構(gòu)根據(jù)判決結(jié)果修正提拉速度。

3 Linux平臺開發(fā)

通常采用host/target（即“主機／目標(biāo)機”）方式進行嵌入式開發(fā)。先在主機（一般為PC）強大便捷的開發(fā)環(huán)境下開發(fā)出應(yīng)用程序，然后利用串口和網(wǎng)絡(luò)將程序下載到目標(biāo)機（即嵌入式平臺）上，用目標(biāo)機配備的仿真器或主機上的交叉調(diào)試器對目標(biāo)機上的程序進行調(diào)試排錯，最后將調(diào)試成功的目標(biāo)程序編譯至Linux內(nèi)核，下載燒寫新的內(nèi)核，即完成整個Linux平臺開發(fā)。

用戶程序采用以下方式開發(fā)調(diào)試：在主機上通過交叉編譯器編譯用戶程序，生成可在目標(biāo)板上執(zhí)行的二進制文件，通過串口或網(wǎng)絡(luò)僅將用戶程序下載到目標(biāo)板上，用主機上的仿真終端仿真目標(biāo)機，進行調(diào)試。

4 等徑過程的直徑測量算法實現(xiàn)

圖l為軟件測量系統(tǒng)的流程。這里研究的是等徑過程中的圖像處理，采用全局閾值的極小值法對灰度圖像進行二值化處理，得到的二值化圖像僅包含光圈信息，達到預(yù)期效果。如圖2所示。其中2a為原始圖像，2b為處理后的圖像。

圖3為圖像測量過程，圖像經(jīng)邊界捕捉，獲得半橢圓弧圖形，再通過己知的拍攝角度，將此橢圓的半圓弧還原為圓形的半圓弧，然后將此半圓弧擬合成圓弧，在圓弧上捕捉出最大直徑位置，通過亞像素原理獲得此直徑的像素值。

捕捉最大直徑時，通過預(yù)先設(shè)定的捕捉位置（見圖3）獲得當(dāng)前AB距離值，將捕捉位置通過2分法上移，得到一個最大AB距離值作為直徑值。依次掃描出5條線，分別為AlBl、A282、A383、A484、A585，相鄰的兩條線相隔2個像素點的距離。設(shè)A1Bl～A585到圓心的距離分別為別為h1、h2、h3、h4、h5，圓的半徑為R，則可列出6個方程：

求解該方程組，可得10組半徑值。去除兩組最大值和兩組最小值，對剩余6組半徑值求解平均值，所求平均值即為半徑值R，則所求直徑值D=2R。

5 控件（D/A轉(zhuǎn)換）設(shè)計

根據(jù)上位機具體要求，需為其提供具有特定電平的模擬信號。采用高速高精度TLV5616型D／A轉(zhuǎn)換器。該器件為12位3μs串行D／A轉(zhuǎn)換器，采用8引腳的SOIC封裝。

TLV5616所要求提供的供電電壓為3～5 V，其最小的參考電壓為2．7 V，由于不具備控制功能，即需要轉(zhuǎn)換時，把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號，故該器件需與5l系列微控制器相配合工作。選用常用的89C5l單片機為其提供DIN，SCLK和FS信號。圖4為控件電路連接圖。由于參考電平較小，為保證其在傳輸過程中不受干擾，故在輸出端加入放大電路。圖5是控件實測波形圖片。

6 結(jié)束語

利用嵌入式技術(shù)測量并控制直拉法晶體硅棒生長速度，實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)可讀化。通過機器視覺測徑技術(shù)取代傳統(tǒng)的Ircon測徑技術(shù)，使單晶硅生長測徑更加精確、可靠。

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