纳米测量机传感器信号显示与切换系统的设计

　　0 引言

　　在微纳测试和计量领域，器件的尺寸、位置和形貌特征等几何量的测量是影响微加工精度和工艺水平的关键因素。以纳米测量机 ( nano measuring machine，NMM) 为代表的微纳坐标测量系统是解决微米纳米测量的有效手段之一。目前与之配套的测量传感器有很多种，包括原子显微镜 ( atomic force microscope，AFM) 、聚焦式测头( laser focus sensor，LFS) 、接触式测头和白光干涉测头( white light sensor) 等。由于不同的测量任务需要不同的测量原理、测量范围和测量精度的测量传感器，因此，需要频繁更换测头。这就容易导致测头产生接触不良、效率低下以及故障率高等问题[1 -2]。

　　针对以上纳米测量机使用过程中存在的问题，本文设计了一个具有测头测量信号/观察信号切换功能和记录输出测量信号电压值功能的装置。该装置作为纳米坐标测量机的一个附属装置，用以提高测量的效率，减少设备出故障的几率，在保护仪器的同时也便于观察信号。系统主要由 C8051F 单片机控制，通过A/D转换芯片和液晶显示模块，实现其信号电压值的显示功能，并通过多路选通开关实现其信号切换功能[3 -4]。

　　1 装置系统

　　系统利用 A/D 转换芯片及液晶显示模块，在单片机的控制下，实现信号电压实时显示以及测量信号与视频信号之间的切换功能。系统原理图如图 1 所示。

　　图 1 系统原理图

　　系统选用 C8051F 系列单片机作为 MCU 来实现整个系统的控制功能。C8051F 单片机是完全集成的低功耗混合信号片上系统型 MCU，它使用 Silicon Labs 的专利 CIP-51 微控制器核，具有标准 8052 的所有外设部件[5]。CIP-51 采用流水线结构，与标准的 8051 结构相比，其指令执行速度有很大的提高。本装置中所使63用的 C8051F410 芯片采用 QFN 封装，且包含精准度高达 2%的振荡器，因此，只需采用其内部振荡器就可以完成相应的时钟功能，从而大大简化了硬件电路设计的复杂度，使系统更加轻便简洁[6]。

　　1. 1 A / D 转换电路

　　纳米测量机在开展测量的过程中，需要引入测量传感器的输出电压信号。该信号的电压幅度在 -10 ～+ 10 V 之间浮动。为了避免由于降压等措施引起测量信号的衰减，系统采用有双极限的 AD574A 芯片，在有效简化其外围电路的同时，更能提高转换精度，减少误差。根据单双极限选择的不同，其外部电路连接也有一定的区别。AD574A 芯片的连接方式可以参考数据手册，需要注意的是，外部电阻的连接与否与其转换精度有着密切关系[7]。

　　AD574A 的工作模式分为全速模式和单一模式两种。在全速工作模式时，通过 CE、12/8、CS、R/C 和 A0等管脚对其工作状态进行控制，逻辑关系比较复杂且容易混淆; 而单一工作模式就显得相对简单明了，只需将 CE、12/8 接至 + 5 V 电源端，CS和 A0接至电源地，仅用 R/C 管脚来控制 A/D 转换的启动和数据输出。因此，本系统选用单一工作模式。AD574A 工作于单一模式时与单片机的接口电路如图 2 所示。