基于LabVIEW的碳基薄膜制備自動控制系統開發研究

摘 "要： 基于LabVIEW圖形化編程軟件和PCI1711多功能卡，設計開發了用于真空等離子鍍膜機的自動控制系統，實現了對四面體非晶碳薄膜制備工藝的自動控制。該系統共分為5個模塊：鍍膜機各設備的電源控制（70路）、模/數轉換（32路）、數模轉換（32路）、PWM輸出（6路）、機間通信（采用RS 485總線）。對電源的控制通過電磁繼電器實現;數/模轉換通過開關量輸出接口控制D/A轉換器予以實現;模數轉換通過多路模擬開關芯片進行選通后送到數據采集卡的模擬量輸入端予以實現;通過RS 485總線實現對復合真空計、渦輪分子泵、氣體質量流量計等的控制與數據獲取。實驗表明， 該控制系統具有對真空度、離子束表面改性、真空磁過濾多弧鍍膜的實時監測與控制功能，實現了薄膜制備的計算機控制。

關鍵詞： LabVIEW; 四面體非晶碳薄膜; 真空磁過濾多弧; 離子束表面改性

中圖分類號： TN915.9?34; TP311 " " " " "文獻標識碼： A " " " " " " " " " " " "文章編號： 1004?373X（2015）02?0111?04

Development of LabVIEW?based automatic control system for tetrahedral amorphous carbon film preparation

AN Shu?dong1， BI Peng2， ZHAO Hai?tian3， ZHAO Yu?qing1

（1. Key Laboratory for Physical Electronics and Devices of Ministry of Education， School of Electronics and Information Engineering， Xi’an Jiaotong University， Xi’an 710049， China; 2. City College， Xi’an Jiaotong University， Xi’an 710018， China;

3. Guangzhou Iron amp; Steel Enterprises Group， Guangzhou 510381， China）

Abstract： A automatic control system for vacuum plasma coating machine was designed by means of graphical programming software LabVIEW and data acquisition card PCI1711， which realized automatic control of tetrahedral amorphous carbon film preparation. The design of the system hardware and the core software is described in detail. This system can be divided into five modules： power control， A/D conversion， D/A conversion， PWM output and inter?host communication. The power supply is mainly controlled by electromagnetic relay. D/A conversion is implemented by output on?off interface. A/D Conversion can be achieved by the multi?channel analog switch chip and data acquisition card. The composite vacuometer， molecular pump and gas mass flowmeter ， and their data acquisition are controlled through RS485 data bus. The experiment results indicate that the control system has the real?time monitoring and control functions of vacuum degree， ion beam surface modification，and filtered cathode vacuum arc coating. Computer control of film preparation was realized.

Keywords： LabVIEW; tetrahedral amorphous carbon film; filtered cathode vacuum arc; ion beam surface modification

0 "引 "言

近年來，四面體非晶碳膜（tetrahedral amorphous Carbon films，ta?C）憑借其具備許多堪與天然金剛石相媲美的卓越性能而備受關注[1?3]。通過等離子電弧在結構件基體表面沉積ta?C薄膜，能夠極大地提高構件的耐磨性、耐腐蝕性等性能。現已廣泛應用于微電子、醫療、國防等不同領域，成為新型碳材料家族中最具吸引力的材料之一[4?5]。隨著ta?C薄膜的廣泛推廣和應用，必將產生巨大的經濟效益，因此，對ta?C薄膜的大規模產業化技術研究逐漸成為近年來的熱點。

然而，由于ta?C涂層制備工藝的窗口期很窄，要進行大規模工業化生產，如果沒有一套完整的自動控制系統，要保證制備過程中的一致性和重復性將會非常困難，因此研制用于鍍膜裝置的自動控制系統，是ta?C薄膜大規模工業應用的關鍵所在。

本文利用圖形化編程語言LabVIEW編寫軟件，通過研華公司的PCI?1711多功能卡將鍍膜機中的各個部件與計算機相連接，開發并設計了用于ta?C薄膜制備的自動控制系統，有效地控制制備過程中出現的偏差，消除人的主觀性對薄膜制備質量一致性的影響，保證ta?C薄膜在工業化生產中涂層性能的一致性和可重復性，對ta?C薄膜制備的產業化具有重要意義。

1 "系統硬件設計

所設計的控制系統分為5部分。主要由內置多功能卡PCI1711的PC機、各設備電源控制電路板A、多路模擬電壓信號選通電路板B、多路數/模轉換電路板C、多路脈沖量輸出電路板D以及有基于RS 485總線的設備間互聯通信網絡等組成。該系統能夠對薄膜制備的各個設備進行實時控制，系統結構如圖1所示。

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圖1 薄膜制備硬件系統結構圖

系統中的計算機為普通工業用計算機或個人電腦，多功能卡選用北京研華公司的PCI?1711多功能卡，它包含16路單端或8路差分模擬量輸入的12位A/D轉換、2路12位模擬量輸出、16路開關量輸入、16路開關量輸出、1路脈沖量輸出。由于實際本系統要控制的開關量、模擬量輸入路數、模擬量輸出路數、脈沖量輸出路數都遠大于多功能卡的路數，因此要對該卡的功能進行擴展。需要外加電路板實現，具體見圖1中的電路板A、B、C、D，這樣才能實現對多個設備的數據采集和輸出控制。

在電路板A中，通過控制電磁繼電器完成對各個電源啟動與關閉的控制。

將數據采集卡16路開關量輸出的高8位作為地址輸出，低8位作為控制數據輸出，在本控制電路板上采用74HC574觸發器鎖存控制數據，每個74HC574控制8個設備，設計了15個74HC574，共可輸出120路控制信號。每一路控制信號可以控制一個三極管的通斷，實現對一個電磁繼電器的控制，通過電磁繼電器的觸頭的接通或斷開控制1個設備的電源通斷。其中一路的控制電路見圖2。

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圖2 "一路設備的電源控制電路

本系統的數/模轉換電路采用8個DAC7725芯片，該芯片是美國AD公司出品的高性能12位工業級D/A芯片，每個芯片內含4個獨立的12位D/A轉換器，可以輸出4路各自獨立的模擬電壓。8個DAC7725共可提供32路模擬電壓輸出，滿足了本系統需要30路用于設備控制的模擬電壓需求。通過DAC7725芯片對數據采集卡輸出的12位數據進行轉換，轉換公式如下：

[Vout=VREFL+VREFIL-VREFL?N4 095]

式中：Vout為送給設備的控制電壓;VREFL和VREFH 分別為芯片需要的參考電壓;N為轉換數據[6]。根據DAC7725的轉換時序，可將LDAC和R/W均設置為低電平有效，之后輸入12位數據，實現D/A轉換，DAC7725輸出端輸出一個Vout電壓送至受控設備的接線見圖3。

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圖3 DAC7725接線圖

模擬量輸入電路（A/D轉換），將設備送來的0～5 V的模擬電壓，通過2片8路模擬開關芯片CD4051進行選通后送到數據采集卡的模擬量輸入端，由于PCI1711共有16路模擬量輸入端，2個4051占用了2個輸入通道，還有14個通道可供模擬電壓輸入，從而共可以提供30路模擬量輸入測量。滿足本系統28路模擬電壓輸入采集的要求。模擬電壓選通電路見圖4。

在薄膜制備過程中，需要控制真空室真空度、離子源氣體進氣流量、分子泵轉速等，而這些設備都配備了RS 485計算機通信接口，并提供了相應的通信協議[7?8]，因此，只需要利用RS 485總線，便能實現計算機與這些設備之間的通信，對其實施控制。

圖4 模擬電壓選通電路

2 "基于LabVIEW環境下控制程序設計

基于LabVIEW環境的四面體非晶碳膜制備自動控制系統軟件是采用順序結構的思想來編寫的，流程圖如圖5所示，根據ta?C薄膜制備工藝中不同設備的控制方式不同，將程序分為電源控制、數/模轉換、模/數轉換、多路PWM輸出和機間通信5部分。

對于電源的控制，主要通過數據采集卡輸出高低電平控制電磁繼電器實現。在LabVIEW中，利用Diowriteportbyte函數，一次性輸入8位數據到數據輸出端state，由于電路通過反相器以及ULN2003型復合晶體管，因此，當程序輸出低電平（0）時，控制設備啟動，當程序輸出高電平（11111111，即十進制255）時，控制設備關閉。

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圖5 薄膜制備工藝流程圖

在數/模、模/數轉換（D/A、A/D）部分，首先利用控制原理中介紹的公式計算出需要輸入的12位數字量，然后分為低8位、高4位分別送入數據采集卡，經過轉換，輸出對應的0～5 V的模擬電壓信號，控制設備的運行;如果設備工作狀態發生改變，以模擬量輸出的方式，將自身的工作狀態轉換成0～5 V的模擬電壓信號傳送到數據采集卡的輸入端，實現信息的反饋，其程序框圖如圖6所示。

在鍍膜過程中，同樣需要很多設備與計算機之間的通信，這些通信可以通過RS 485總線串行通信接口來實現，在軟件設計中，VISA函數可以很好實現這一功能[9?10]。

設備使用異步串行通信接口，采用RS 485通信方式，其數據格式為：一個起始位，8個數據位，無校驗位，2個停止位。設置串口號COM1、波特率4 800 b/s、校驗位NONE、數據位8、停止位2等參數（注意：設置的參數必須與儀器設置的一致），選擇 " " " 16進制發送方式，將要輸入的指令通過總線接口進行傳送，從而達到與設備之間的通信，程序框圖如圖7所示。

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圖6 D/A、A/D轉換上位機部分程序框圖和前面板

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圖7 真空室真空度控制程序框圖

3 "實驗結果

實驗證明，此系統可以制備出四面體非晶碳膜，運行本控制系統的程序界面如圖8所示。lt;E：＼王芳＼現代電子技術201502＼Image＼10t8.tifgt;

圖8 控制系統程序界面

對此薄膜用Dimension 3100 SPM型原子力顯微鏡作為測試儀器，效果如圖9所示。

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圖9 本系統制備出的ta?C薄膜的表面形貌

4 "結 "語

本文利用LabVIEW 軟件平臺構建了四面體非晶碳薄膜制備的自動控制系統，結合西安交通大學磁過濾陰極真空電弧源多層介質涂層設備，最終制備了高質量的ta?C薄膜，同時，在薄膜沉積過程中，還可以利用該自動控制系統對ta?C薄膜進行各種調控，使薄膜具有更加穩定的性能，減少了在傳統人工控制中的許多人為性錯誤操作和批量生產質量的不一致性，對ta?C薄膜的廣泛應用具有重要意義。

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