設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)和復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)的無線膜厚監(jiān)測系統(tǒng)。闡述了其功能、結(jié)構(gòu)、硬件、軟件等原理及其實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)采用PIC18F2550單片機(jī)和Altera EPM7064SCPLD 實(shí)現(xiàn)多周期同步法測量頻率，采用nRF24L01無線數(shù)據(jù)傳輸模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離膜厚監(jiān)測功能。該系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)有線連接的局限性，并具有低成本，小型化等優(yōu)點(diǎn)。

　　在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中，薄膜制備已成為一道基礎(chǔ)并且關(guān)鍵的步驟。在薄膜制備過程中，對薄膜厚度的監(jiān)測顯得尤為重要。監(jiān)控薄膜厚度的方法主要有電阻法，稱重法，石英晶體振蕩法和光電極值法及其改進(jìn)，雙色法，波長掃描法，電子模擬微分法，單色定值比較法，雙色四光路控制法，電離感測器法等。這其中以石英晶體振蕩法應(yīng)用最為廣泛。

　　石英晶體微天平(quartz crystal microbalance, QCM)作為微量稱量工具，可以測出10^-6-10^-9克的質(zhì)量。它具有體積小、靈敏度高、快速、簡便等特點(diǎn)，已廣泛用于化學(xué)、材料、生物、醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域。石英晶體微天平是基于石英晶體的壓電效應(yīng)對其電極表面的附著質(zhì)量進(jìn)行測量的儀器。它的基本工作原理為：石英晶振表面所負(fù)著質(zhì)量的改變引起石英晶振振動頻率變化。振動頻率隨負(fù)著質(zhì)量的改變滿足Sauerbrey方程：

　　式中Δf是石英晶振振動頻率的改變，Δm是石英晶振表面的質(zhì)量改變值，f0是石英晶振的基頻，μq是石英晶體的彈性模量，ρq是石英晶體的密度，A是石英晶體具有壓電活性的表面積。

　　方程中的負(fù)號表明樣品質(zhì)量增加引起石英諧振器頻率的降低。通常QCM使用的石英晶振基頻在6 MHz左右，由(1)式可知，微小的質(zhì)量變化即能引起頻率有較大變化。因此QCM方法是一種極為靈敏的檢測手段。

　　目前，石英晶振膜厚監(jiān)測儀已經(jīng)廣泛用于真空熱蒸發(fā)薄膜制備過程中的膜厚監(jiān)測。傳統(tǒng)的石英晶體膜厚控制儀，晶振探頭置于真空腔體中，其頻率信號通過數(shù)據(jù)線傳于膜厚控制儀或電腦主機(jī)。但是，在某些特定的工業(yè)生產(chǎn)場所或科研場所，由于真空腔體與膜厚控制儀距離太遠(yuǎn)等原因，不便用導(dǎo)線將探頭與膜厚控制儀連接起來。因此，本文設(shè)計(jì)一種無線膜厚監(jiān)測系統(tǒng)。晶振探頭的頻率信號通過射頻傳輸?shù)侥ず窨刂苾x或主機(jī)。

1. 系統(tǒng)組成

　　膜厚監(jiān)測儀的核心是石英晶振頻率計(jì)。本系統(tǒng)采用多周期同步法進(jìn)行頻率測量。多周期同步法測頻技術(shù)的實(shí)際閘門時間是被測信號的整周期倍, 而不是固定的值, 即閘門時間與被測信號同步, 因此消除了對被測信號計(jì)數(shù)時產(chǎn)生的出±1 個字誤差, 測量精度大大提高,而且達(dá)到了在整個測量頻段的等精度側(cè)量。

圖1 系統(tǒng)框圖

　　系統(tǒng)框圖如圖1 所示。系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集發(fā)送部分（下位機(jī)）和數(shù)據(jù)接收部分(上位機(jī))組成。上位機(jī)中，皮爾斯振蕩電路驅(qū)動石英晶振產(chǎn)生脈沖方波。此脈沖與溫補(bǔ)晶振(TCXO)產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)脈沖同時輸入到CPLD 進(jìn)行計(jì)數(shù)。單片機(jī)讀取CPLD 中的計(jì)數(shù)值，計(jì)算出待測信號的頻率值，再將頻率值送入無線發(fā)射模塊。上位機(jī)中的單片機(jī)讀取無線接收模塊收到的該頻率值，通過USB 總線發(fā)送到計(jì)算機(jī)。

2. 硬件設(shè)計(jì)

2.1 振蕩電路

　　振蕩電路的選取對石英晶振頻率的穩(wěn)定度至關(guān)重要。常見的石英晶體振蕩電路有皮爾斯振蕩電路，考畢茲振蕩電路，克拉普振蕩電路[3]。綜合系統(tǒng)復(fù)雜度和頻率穩(wěn)定度考慮，本系統(tǒng)采用皮爾斯振蕩電路。該電路能在2-20MHz 內(nèi)能穩(wěn)定工作。

圖2 皮爾斯振蕩電路

2.2 復(fù)雜可編程邏輯器件

　　本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理論測量精度為0.1ppm。被測信號為6MHz 的脈沖，而標(biāo)準(zhǔn)信號為60MHz的脈沖。因此采用復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)對兩路脈沖同時計(jì)數(shù)。系統(tǒng)采用一片AlteraEPM7064S，設(shè)計(jì)成兩路16 位高速計(jì)數(shù)器。其最大內(nèi)部全局時鐘頻率達(dá)175.4MHz，滿足高速計(jì)數(shù)的要求。計(jì)數(shù)閘門由單片機(jī)提供。