基于嵌入式Linux的晶體生長控徑系統的研究

基于嵌入式Linux的晶體生長控徑系統的研究

　1 引言

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

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

　　2 整體方案設計

　　系統上電后，CCD攝像頭拍攝單晶爐爐膛內晶體硅棒生長區域圖像，并傳送至嵌入式系統，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焦。圖像經數字圖像處理程序處理，計算出單晶硅棒的瞬時直徑。系統把直徑的數字量送至D／A轉換器，再把轉換的模擬量送至主控系統中判決，執行機構根據判決結果修正提拉速度。

　　3 Linux平臺開發

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

　　用戶程序采用以下方式開發調試：在主機上通過交叉編譯器編譯用戶程序，生成可在目標板上執行的二進制文件，通過串口或網絡僅將用戶程序下載到目標板上，用主機上的仿真終端仿真目標機，進行調試。

　　4 等徑過程的直徑測量算法實現

　　圖l為軟件測量系統的流程。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，通過預先設定的捕捉位置(見圖3)獲得當前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轉換)設計

　　根據上位機具體要求，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轉換器。該器件為12位3μs串行D／A轉換器，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，即需要轉換時，把數字信號轉換成模擬信號，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 結束語

　　利用嵌入式技術測量并控制直拉法晶體硅棒生長速度，實現測量數據可讀化。通過機器視覺測徑技術取代傳統的Ircon測徑技術，使單晶硅生長測徑更加精確、可靠。