基于ARM的激光晶体炉上称量控制系统研究

摘要

激光晶体材料的不断发展及广泛应用,对生长晶体材料的基础设备提出了更高的要求。本论文在分析国内外晶体生长设备和方法的基础上,针对性地提出了一套完整的基于ARM公司最新CORTEX-M3核产品的激光晶体上称重控制系统方案。论文首先简要介绍了激光晶体的发展和控制技术,然后结合国内外晶体生长设备现状和市场需求,详细讨论了目前激光晶体生长所普遍采用的几种生长工艺,并比较总结出最理想的激光晶体生长工艺技术——激光晶体提拉法上称重控制技术。在此基础上,本课题针对晶体生长工艺理论设计了相应的机械结构,在等径生长工艺基础上建立了串级控制数学模型。由于实际控制环节存在大滞后性,在晶体重量信号采样环节引入了模糊PID自适应控制,并利用MATLAB的SIMULINK工具箱进行了仿真,仿真结果满足实际控制要求,从而验证了该数学模型的可行性。本控制系统充分利用了ST公司的具有最新CORTEX-M3内核的STM32F103微控制器在嵌入式领域的优势资源,利用RTOSμC/OSⅡ这一可剥夺型实时内核在嵌入式控制器上的解决方案,缩短了开发周期,降低了开发成本。根据控制系统的设计要求,设计完成了相关的硬件电路,并结合触摸屏技术和MiniGUI用户图形接口实现良好的人机交互界面。本课题将理论研究与实际开发有机地结合起来,结合最新的嵌入式系统开发平台,成功地实现对激光晶体生长设备的机械设计及控制,同时也对其它材料晶体生长提供了重要参考。鉴于硬件控制部分所具有的通用性,本课题的研究对于任意单晶生长设备的研发都具有一定的指导意义。

目录

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 选题背景及意义

1.1.1 激光晶体材料的发展

1.1.2 国内外单晶生长控制技术发展现状

1.2 嵌入式系统概况

1.3 激光晶体材料的制备方法

1.4 本文研究内容与意义

1.5 本章小结

2 激光晶体生长设备控制系统特点

2.1 原理与控制系统现状

2.2 上称重系统机械结构方案设计

2.2.1 机械结构方案设计

2.2.2 悬臂梁式上称重系统机械结构设计

2.2.3 关键件的选型设计

2.3 控制系统总体设计

2.3.1 基于ARM的激光晶体炉嵌入式控制的实现机理

2.3.2 重量温度步进电机控制输出

2.4 本章小结

3 基于ARM和μ C/OS Ⅱ的嵌入式实时多任务系统

3.1 嵌入式实时多任务系统

3.2 ARM Cortex-M3

3.2.1 ARM Cortex-M3处理器寄存器组

3.2.2 ARM Cortex-M3处理器操作模式

3.2.3 ARM Cortex-M3处理器内建的嵌套向量中断控制器

3.3 STM32F103VBT微处理器

3.4 μC/OSⅡ中实时多任务调度的实现

3.4.1 μC/OSⅡ的实时任务调度

3.4.2 μC/OSⅡ的任务状态与任务间通讯

3.4.3 μC/OSⅡ的任务结构

3.5 μC/OSⅡ与STM32的协作

3.6 本章小结

4 激光晶体炉生长设备嵌入式控制系统硬件电路研发

4.1 系统硬件电路总体思路

4.2 主控芯片驱动设计

4.2.1 电源电路

4.2.2 时钟电路

4.2.3 复位电路

4.2.4 通讯电路

4.3 人机界面

4.3.1 触摸屏系统组成原理

4.3.2 触摸屏控制电路

4.3.3 LCM控制电路

4.4 步进电机控制模块

4.4.1 驱动器接口和接线介绍

4.4.2 步进电机电路

4.5 A/D转换电路

4.6 硬件电路设计小结

5 晶体生长设备嵌入式控制系统软件研发

5.1 软件系统设计概述

5.1.1 开发平台RVMDK(RealViewMDK)

5.1.2 嵌入式系统中多任务的划分

5.2 系统控制算法设计

5.2.1 控制模型

5.2.2 模糊PID算法

5.2.3 仿真数学模型

5.2.4 系统仿真

5.2.5 仿真结果分析

5.3 具体任务的实现

5.3.1 任务的启动

5.3.2 人机界面

5.3.3 通信模块

5.3.4 脉冲输出控制模块

5.4 嵌入式控制系统软件研发小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文与参与项目