基于LabVIEW的開關陣列及霍爾測試軟件編程

熊壯壯

（武漢科技大學 材料與冶金學院，湖北 武漢 430081）

0 引 言

霍爾效應可以用來測量金屬薄膜及半導體材料的電阻率、載流子濃度和霍爾效應等參數。

基于LabVIEW平臺下的霍爾效應測試系統，集硬件控制、數據采集與通信以及實驗數據的呈現為一體，克服了實驗室中測霍爾效應實驗的不足，避免了高成本購進相關儀器的麻煩。該測試軟件可以方便地測量半導體或金屬薄膜的電阻率、載流子濃度、遷移率和霍爾系數等電學性能，為金屬材料電學性能的研究提供了良好的條件、成熟的系統、較為穩定的測量平臺。

1 測試原理

霍爾效應是指將一金屬導體，放入與它通過的電流方向相互垂直的磁場內，橫跨樣品的2面可以產生與電流磁場都垂直的電場的現象，該實驗也可以證明金屬中存在自由電子[1]。產生電場的原因是，垂直于電子運動方向的磁場使電子受到洛倫茲力而偏轉，并向某一面積聚，導致電子積聚的那一面帶負電，而其對面的那一面帶正電，從而形成電場EH，這個電場稱之為霍爾場[2]。用來表征霍爾場的物理參數稱為霍爾系數，即

式中：EH為霍爾場強度；JX為電流密度；B0為外加磁場。

在測量前將薄膜切成方塊狀，然后在方塊的4角焊上4個金屬鎢電極A、B、C、D，如圖1所示。

圖1 接線示意

在AB兩點間通電流IAB，在另一對點測量電位差為UCD；然后在BC兩點間通電流IBC，在另一對點間測量電位差為UDA，則有R1=UCD/IAB，R2=UDA/IBC，從而得到薄膜電阻率為

式中：t為薄膜厚度；f為范德堡修正因子。它是由于樣品的幾何形狀以及點擊配置的不對稱性所引進的，可以近似為

為了獲得更加準確、可靠的數據，按照上述方法測出UCD、UDA、UAB、UBC，再取2組的平均電阻率。

測試霍爾系數RH時，在B、D兩點間通電流I，則在A、C這2點間可以測量電位差為UAC1；然后在垂直于薄膜樣品的方向加一恒定磁場，測得A、C這2點電位差為UAC2，由外加磁場引起的電位差變化即為霍爾電壓UH=UAC2-UAC1。如果薄膜的厚度為d，磁場強度為B，RH計算公式為

由RH求載流子濃度n和遷移率μ，如式（5）和式（6）所示，其中q=1.6×1019C為電荷量，ρ為薄膜電阻率。

2 程序設計

2.1 設計方案

本設計選用LabVIEW軟件作為基礎，結合Modbus通信協議以及可編程儀器標準命令（Standard Commands for Programmable Instruments，SCPI）指令語言，通過4×4開關陣列和吉時利2 450數字源表實現了霍爾測試的程序編寫，思路方式如圖2所示。

圖2 設計思路

2.2 設計思路

2.2.1 基于Modbus通信協議的4×4開關陣列的程序控制

由于在進行實驗時需要手動操縱各線連接，本程序設計計劃使用在16路232繼電控制器基礎上，基于Modbus通信協議的4×4開關陣列來自動完成連線方式的變化。

通過LabVIEW的環境來實現Modbus通信方式有很多，但是在大部分方式的實現中需要安裝LabVIEW數據記錄與監控（Datalogging and Supervisory Control，DSC）模塊，比較常用的方式有通過VISA實現Modbus串口通信、采用傳輸控制協議（Transmission Control Protocol，TCP）模塊實現Modbus通信、采用用于過程控制的OLE（OLE for Process Control，OPC）協議實現Modbus通信、通過Modbus模塊實現Modbus通信。

本設計是采用Modbus模塊實現Modbus通信。使用本方法實現通信需要安裝DSC擴展包，這也是在LabVIEW下實現Modbus通信最簡單且相對穩定的一種方法[3]。程序員需要做的就是在相應的庫中選擇需要的命令模塊，并根據要求設置參數，便可完成通信。這種方法省略了自行寫入相應字符串命令的步驟，簡化了開發，本文使用的是過程終端單元（Remote Terminal Unit，RTU）協議來連通電磁繼電器模塊和計算機。

首先將繼電器模塊的16個繼電器進行分組，將1～4號繼電器標注為A組，5～8號標注為B組，以此類推至16號繼電器，再將完成初次分組后的繼電器進行組內編號，形成4×4的開關陣列，其程序如圖3所示，開關陣列思路如圖4所示。

圖3 開關陣列關鍵程序

圖4 開關陣列思路

在LabVIEW 2016中安裝DSC擴展包，調用Creat Serial Master函數（創建主設備實例），在前面板上增加串口號與校驗位選擇窗口，設定Modbus RTU協議，設置與模塊匹配的波特率，數據位、停止位，將單元ID設為1，并手動調整繼電器模塊上的撥碼開關數字為1，完成繼電器模塊與計算機的通信。

本設計使用順序結構來進行。順序結構分為平鋪式與層疊式2種，為節省框圖程序空間，故選擇了層疊式結構。

由于此前單元ID設置為1，繼電器的地址從0開始進行排列。調用Write Single Coil（寫單個線圈）函數對繼電器完成開關操作，需要將繼電器接通時，將布爾型常量T接入，使用完時將F接入，順序依次為第1組 A1、B2、C3、D4，第2組 A2、B3、C4、D1、第3組 A3、B4、C1、D2，第4組 A4、B1、C2、D3接入并斷開，為實現接線方式自動切換打下基礎。

在進行測試時，本設計只用將繼電器所使用的COM口選擇好，即可自動完成接線方式的轉換。

2.2.2 計算機與吉時利2 450數字源表的通信

使用USB B型端口與儀器相連，在主機上安裝虛擬儀器軟件結構（Virtual Instrument Software Architecture，VISA）層。

VISA包含USB測試和測量類協議的USB類驅動程序。安裝此驅動程序后， VISA驅動程序會自動檢測設備。

本設計使用SCPI指令集完成交互，SCPI允許不斷用新命令控制指令集，當新功能出現，能保持與現有SCPI儀器程控相容性，具有極強的生命力。

SCPI命令是ASCII字符串，通過物理傳輸層傳入儀器。命令由一連串的關鍵字構成，有的還需要包括參數。使用控件VISA WRITE，在寫入緩沖區的接口以字符串的形式輸入對應的SCPI指令，完成對儀表的交互操作，程序如圖5所示。

圖5 吉時利2450數字源表的連接關鍵程序

在本實驗的設計中，首先通過VISA OPEN控件將通信打開，隨后通過VISA WRITE控件使用SCPI語句，完成偏移補償、電流寫入以及讀數據等操作[4]。在完成輸入電流的交互時，本程序需要使用到格式化寫入字符串控件，將相應SCPI語言與輸入的電流結合成一段新的SCPI字符串輸入設備，并且在輸入電流和讀電壓的過程中，加一定的延時，確定所讀數據已經處于穩定的狀態。

在完成讀寫操作后，將讀回的字符串接入分數/指數字符串至數值轉換，得到測量的數值。

在計算電阻率時，本設計需要連續從吉時利2 450數字源表中改變輸入電流，讀出電壓，筆者在這里使用了for循環的結構，將讓輸入電流自動進行變化，并在程序中讀出輸入數組方便后續處理，相應程序如圖6所示。

圖6 電流設置及數據讀取

2.2.3 基于LabVIEW的數據采集

使用XY波形控件完成數據的顯示，LabVIEW提供了XY圖控件和Express XY圖控件，其中XY圖控件是輸入數據，由2個數組打包構成簇，簇的每1對數據顯示1個數據點的X、Y坐標，Express相對簡易一些，其輸入數據是2個一維數組，分別接在控件的“X輸入端口”和“Y輸入端口”[5]。

在已經完成的開關陣列程序中，選擇每個繼電器接通的時刻與吉時利2 450數字源表進行通信，讀取其電壓表以及所給電流的值分別進入2個數組，并用蔟將其連接起來輸入XY圖中形成4幅直角坐標圖像，圖像的橫軸為電壓，縱軸為電流，程序如圖7所示。

圖7 XY圖的構建程序

通過圖像可以判斷所接入材料是否正確，并且決定是否進入下一步計算，若正確，可以點擊前面板上的“開始計算”，從而獲得R12、R23、R34、R41。

為使所得電阻數據更加精準，本設計在獲得電阻的數據時，使用了LabVIEW內置的線性擬合控件，首先利用局部變量原理，將測得的數據數組以局部變量的形式導出，數據的傳輸需要通過局部變量來實現[6]。在層疊式順序結構的邊框上單機鼠標右鍵，選擇“增加局部變量”便可以創建1個局部變量端口，隨后在每1幀的邊框對應的位置便可以出現1個方框，將數據連接至該局部變量端口便可進行數據的傳輸。

隨后將局部變量導入線性擬合控件，并將斜率輸出，導進前面板上創建的數值顯示變量，即可將求得的最終電阻數據得出，供后續計算使用，程序如圖8所示。

圖8 線性擬合

在計算薄膜電阻率數據時，所需用到的式（2）、式（3）相對比較復雜，完全依賴圖形代碼實現，程序框圖會十分復雜，工作量大，且不直觀，調試和改錯都不方便。本設計使用公式節點這個控件進行編程， LabVIEW允許用戶像書寫數學公式或者方程一樣，直接編寫數學處理節點，形式與C語言類似，程序語句以分號結束，在公式后面可以添加注釋說明。

使用公式節點的結構，輸入式（2）、式（3），輸入變量R12、R23、R34、R41，求平均值后輸出電阻率ρ，并在前面板創建顯示控件顯示出來，創造局部變量供后續使用程序，如圖 9 所示。

圖9 公式節點

LabVIEW是1個數據流編程的編譯模式，是通過連線來傳遞數據的，上文中所使用到的局部變量主要用于程序內部的數據傳遞，利用局部變量可以對前面板上的控件進行讀寫操作，每個局部變量都是對某1個前面板控件數據的引用，1個輸入量或者輸出量可以建立多個局部變量，任何1個局部變量都可以讀控件中的數據，局部變量每發生1個數據上的改變，其控件本身以及其他的局部變量也會隨之發生改變。

局部變量只能在同1個VI中使用，VI停止運行，其定義的局部變量就會隨之消失。每個局部變量必須依附在1個前面板對象上，1個前面板對象可以建立多個局部變量，但是1個局部變量只能有1個端點與其對應。但要注意，局部變量不宜設置太多，前面板上的數據的拷貝會占據一定的內存。

在前面板增加輸入控件，輸入樣品的厚度d，以及第2階段所加磁場的大小B，并且通過布爾型變量來控制輸入磁場的正負，根據式（4）、式（5）、式（6）得出霍爾系數、載流子濃度n和遷移率，程序如圖10所示。

圖10 變量計算

在完成數據采集與計算之后，開關陣列部分程序需要連接Modbus Master Shutdown控件對串口的通信進行關閉。此外還要切斷吉時利2 450數字源表電流輸出的旋鈕。

2.2.4 實驗結果的輸出

在完成試驗后，需要把實驗數據以Excel的形式輸出來，最后將得到的數據通過寫入電子表格文件函數輸出，該函數由數值組成的1維或者二維數組轉化為文本字符串，進而寫入一個電子表格文件。VI在向文件中寫入數據之前，將先打開或創建該文件，并且在完成操作時關閉該文件。“格式”輸入端口指定數據的轉換格式和精度。“添加至文件？”端口連接布爾型控件，若值為TRUE，VI把數據添加至已有文件，否則即為默認值FALSE，VI可以替換已有文件中的數據。如果不存在已有文件，VI可以創建新文件。

本文將輸入變量、樣品ID以及程序所得的材料物理性能數值以Excel表格的形式輸出，其實現程序如圖11所示。

圖11 導出部分程序圖

3 程序運行方法說明

本程序設計的前面板如圖12和圖13所示，操作員將在該面板上進行實驗操作。

圖12 前面板1

圖13 前面板2

本程序的運行思路與金材專業相關實驗的先后順序類似，首先在外部完成繼電器、吉時利2 450數字源表以及所測材料的接線，打開數字源表的電源，此外還需在程序前面板選擇繼電器模塊所連接的COM口供Modbus完成連接，檢查無誤后便可打開程序，點擊運行按鈕，若尚未完成外部連接，本程序會因為VISA讀取失敗跳出窗口，顯示類似“無法運行”的相應字樣。

由于本實驗有電阻率測量以及后續計算2個部分，本實驗選擇使用了選項卡控件，在前面板以2個界面的形式呈現給軟件使用者。程序開始運行后，本實驗前面板“薄膜電阻率的測量”部分將會實時顯示圖像。此外，通過繼電器板上的指示燈信號可以觀察到測試已經自動進行到哪一步。

在完成第一步電阻的測量后，本程序會進入等待狀態，供實驗員通過圖像判斷測試材料是否合法，若實驗圖像不合法，則本程序將在100 s后自動停止，或者實驗員也可以手動點擊中止實驗按鈕；若合法，實驗員就可以在前面板上輸入此前已經測得的薄膜厚度以及樣品的ID，并點擊開始計算按鈕。程序完成計算之后，薄膜電阻率的數值將會在前面板上呈現出來，單位是Ω·cm。

完成以上過程，便可進入第2部分“霍爾測量”界面，由于LabVIEW是數據流模式的程序設計，在剛剛進行計算時，該程序已經得出通入磁場之前的電壓值，并在此面板顯示，此時實驗員需要選擇通入磁場的大小以及方向，并且在外部接入磁場后點擊“通入磁場”旋鈕，隨后程序在完成測量后將會自動完成霍爾系數、載流子濃度、遷移率的計算。在完成所有計算之后，若實驗數據合理，實驗員可以點擊保存數據按鈕，此時將會彈出對話框供實驗員選擇保存路徑，數據將以Excel的形式保存，若保存失敗，程序面板也會輸出文件保存錯誤原因，供實驗員了解。

4 結 論

基于LabVIEW平臺與4×4開關陣列設計了霍爾測試系統，擺脫了以往繁雜的操作步驟，利用了計算機現代化、自動化的特點，完成了對半導體薄膜樣品電阻率、霍爾系數、霍爾電壓、載流子濃度與遷移率的測試，同時還能實現圖像的實時顯示，滿足金屬薄膜與半導體材料電學性能測試的要求。

在科技現代化的今天，計算機在各行各業中的使用程度越來越高，自動化生產與實驗成為了未來發展趨勢，本設計順應時代潮流，適應金屬薄膜與半導體材料的發展，為今后金屬材料專業學生對薄膜物理性能的研究提供了便捷。