基于USB的晶片分選系統的設計

引言

在石英晶體器件的生產過程中，通過對石英晶片的頻率響應特性進行嚴格的測試和分選，可以起到從源頭控制產品的質量和生產工藝，提高產品產能的關鍵作用。目前已無法通過人工分選的方式滿足對晶體器件質量和需求量的不斷提升的要求，只有采用大量的自動分選設備才能完成分選任務。本文提出的分選系統通過自主研發的USB設備和上位機應用程序的互相配合，通過并發控制，使外部動作機構產生高效的協同動作，極大地提高設備工作效率和分選質量，同時還有效減少了設備維護的工作量，保證了設備在24小時不停機狀態下連續

系統原理及構成

本系統的主要工作原理是，通過螺旋送料器和直線送料器的間歇式高頻定向振動，將同一批次且堆放在一起的石英晶片分離開來，并且排列成一個有序隊列，向轉運工位輸送。采用光纖傳感器、高精度分度盤以及必要的搬運機構，將隊列中的每一片石英晶片轉運至測試工位處。待測晶片到達測試工位后，系統啟動掃頻測試模塊對被測晶片實施掃描測試，并實時采集測試結果。掃描測試結束后，將采集到的測試結果通過USB接口發送給計算機。計算機對測試結果進行

分析，并計算該被測晶片的各項性能指標參數。根據該計算結果，并依據預先設定的判別策略，給出該被測晶片所屬的儲料盒位置。然后通過USB接口將儲料盒位置數據發送給運動控制模塊，由運動控制模塊發出控制指令，使已測晶片進入翻轉落料機構。隨后，該晶片通過翻轉落料機構運送并放入相應的儲料杯中，從而完成對石英晶片的分類。

本系統由兩個主要模塊構成，分別為運動控制模塊和掃頻測試模塊，如圖1所示。

其中，運動控制模塊接受上位機發出的控制指令，根據指令要求對相應的外圍動作機構發出控制信號，并驅動外圍動作機構實現相應的動作。同時，讀取外部傳感器信號，以便對外圍動作機構和被測晶片進行實時檢測。掃頻測試模塊主要用來向被測石英晶片發送測試信號，并檢測晶片的響應信號。運動控制模塊和掃頻測試模塊都通過USB接口與計算機進行通訊。

運動控制模塊設計

運動控制模塊采用TI公司的LM3S3749作為主控芯片，利用芯片上的通用I/O口讀入光電傳感器信號，并通過一級達林頓驅動電路輸出控制信號控制螺旋送料器和直線送料器的起停、落料翻斗的翻轉以及發送步進電機脈沖信號。由于測試電極和分度盤都采用步進電機帶動，為防止在高速啟動和停止時發生抖動甚至失步，在設計時，采用了脈寬調制

（PWM）技術控制步進電機的運轉，以保證測試電極和分度盤能夠精確平穩地完成預定動作。在LM3S3749上集成有8個脈寬調制模塊[1]，本設計采用PWM0和PWM1通過PG0和PG1端口輸出脈寬調制信號分別驅動測試電極模塊電機和分度盤電機。

掃頻測試模塊設計

該模塊的掃頻信號源采用專用的數字信號合成器（DDS）AD9852產生高頻正弦波通過一個120MHz的三級無源橢圓低通濾波器濾除高頻噪聲后，由于AD9852輸出的信號幅度是非線性的，隨著輸出頻率逐漸升高，輸出信號的幅度便會迅速下降，因此設計時通過一片程控可變增益放大器AD8370[4]實現對信號的放大后施加給被測晶片。由于單片機的片上ADC精度不夠，因此在電路設計時增加了一片專用數模轉換器AD7651[3]，該芯片將晶片的激勵響應轉換為16位數字量輸出給單片機LM3S3749。通常一個被測晶片需要測試2000個不同的頻

[2]計算得出。該固件程序采用C語言，并在KeilμVision集成環境中開發。為了加快項目研制進度，同時也為將來在軟硬件的升級上提供方便，在固件程序開發中引入了TI公司針對Cortex M系列單片機提供的外設驅動開發庫driverlib-cm3.lib和usblib-cm3.lib，這兩個庫對單片機片上外設控制寄存器底層和USB接口的應用進行了封裝，在程序中只要調用相應的封裝函數即可，提高了代碼的可維護性。

驅動程序設計

本系統的運動控制器和掃描測試儀都是自行研發的非標準的USB設備，上位機與其通訊必須通過驅動程序來進行。上位機應用程序在WindowsXP系統中運行，因此USB驅動程序采用WDF（視窗驅動程序基礎）提供的KMDF（內核模式驅動程序框架）開發。通過定義驅動入口函數DriverEntry[4]和設備加載函數USBDevAdd，生成驅動對象和設備對象。并且注冊USBDevFileCreate，在隊列中登記U S B D e v R e a d和USBDevWrite等回調函數，以響應系

上位機應用程序設計

本系統上位機應用程序采用Visual C++語言在Visual Studio 2005集成環境中編寫。操作人員通過上位機應用程序，可以完成對整個系統操控，包括啟動系統運行，系統檢測，參數設置等功能模塊。

其中，為了提高整個系統的運行效率，將系統運行劃分為兩個并發執行的線程：晶片位置檢測線程和主控線程。晶片位置檢測線程負責實時查詢晶片到位信號，當檢測到該信號時，關閉直線送料器，并向主控線程發送同步事件信號量。主控線程等待到該信號量時，發送控制命令驅動分度盤、測試電極和落料翻斗動作，并向掃頻測試儀發送啟動測試指令，對待測晶片實施測試。測試結束后發送控制碼復位測試電極，并控制分度盤將已測晶片向落料翻斗運送，隨后復位同步事件信號。晶片位置檢測線程發現該信號量被復位，則啟動直線送料器并檢測下一個晶片的位置。系統啟動分選時的工作界面如圖3所示。

結論

由于石英晶體器件是數字電子產品中必不可少的關鍵器件，其市場需求量日益增長。晶體生產廠家為了擴大產能，在提高其生產