1 引言
直拉式單晶爐是以直拉法從熔化的多晶硅熔液中生長硅單晶的電子專用設備。而等徑控制是單晶爐自動控制的核心。單晶直徑在生長過程中可受到溫度、提拉速度與轉速、坩堝跟蹤速度與轉速、保護氣體的流速與溫度等因素的影響。在忽略一些干擾因素影響情況下，單晶等徑生長主要受溫度和拉速影響。因此，爐內熱場和生長速度的精確控制是單晶等徑控制的重點，由于這種控制系統是一個緩慢時變，并且具干擾嚴重的非最小相位系統，用一般常規儀表控制手段來實現自動控徑極為困難。本文從硬件和軟件設計方面介紹了以80CI96單片機作為核心部件的單晶爐等徑生長控制系統，此系統有效地實現了單晶爐的等徑控制。
2 等徑控制的原理與方法
2．1系統總體結構
單晶等徑生長控制總體結構如圖l所示。系統主要由拉速控徑單元和溫度控徑單元組成。每個單元都包括各自獨立的數據采集、PID控制模塊、參數設置、工藝曲線設置、電路控制輸出、與上位機串行通信等模塊。在拉速控徑單元中，直徑測量模塊以模擬電壓形式將現場直徑量傳至單片機；單片機通過自身集成的A/D轉換器將模擬電壓轉化為控制系統可用的數字量；單片機結合現場采集的直徑與用戶設定的目標直徑，按照已經編程固化的增量式PID控制算法計算出實時控制量；以此控制量通過DA電路和功放電路改變輸出驅動直流電機，調節拉速與堝升速度，使直徑逐步穩定于用戶設定的目標值。溫度控制單元是為了保證單晶正常生長所需的極嚴格的過冷度要求(如硅單晶生長過冷度l 240℃～0．5℃)，采用了歐陸818P溫度控制器。在溫度校正控制單元中，輸入偏差信號是由晶升測速機測得的拉速與溫校曲線的設定拉速相比較產生的，再由PID算法得到溫度校正升溫速率輸出值，改變爐溫達到控徑的目的，同時也限制了拉速的大范圍波動與變化。溫度校正主要是用來補償因單晶長度改變而引起固液交界面熱穩態發生變化的。
2．2系統控制算法
系統采用基于增量式PID算法的控制方法，即拉速控徑單元的拉速控制量和溫度控徑單元的升溫速率量由增量式PID算法求得。增量式PID算法的輸出量為 △Un=Kp[(en-en-1)+(T/Ti)en+(Td/T)(en-2en-1+en-2)]式中：en、en-1、en-2分別為第n次、n-1次和n-2次的偏差值，Kp、Ti、Td分別為比例系數、積分系數和微分系數，T為采樣周期。
單片機每隔固定時間T將現場采集信號與用戶設定目標溫度的差值帶入增量式PID算法公式，由公式輸出量決定拉速控徑單元的拉速控制量和溫度控徑單元的升溫速率量，后續放大電路根據這兩數值決定電機轉速和加熱功率。在實際運行上表現為，在晶體生長過程中，晶體的直徑主要受晶升速度和熔體溫度的變化而變大或變小，當晶升速度增大時，晶體直徑變小，反之當晶升速度減小時，晶體直徑變大。當熔體溫度升高時，晶體直徑變小，反之當熔體溫度下降時，晶體直徑變大，因此，晶體直徑的自動控制就是通過控制晶升速度和加熱器溫度而實現。
3 硬件設計
3．1 80 C196KC單片機
80C196KC是CHMOS高性能16單片機，內部的EPROM/ROM 為16K字節，內部RAM為488字節，都可以作為通用寄存器，另外還有24字節專用寄存器。2個PWM(脈寬調制)輸出；一個外設事務服務器PTS，大大降低了中斷服務的開銷；2個定時器可以由外部提供時鐘；可對所有HSO引腳同時尋址；10位的A/D轉換器。80C196KC：片內集成的眾多系統級功能單元為控制系統的開發提供了很大的便利。
3．2硬件設計
等徑控制系統硬件框圖如圖2所示。硬件核心為Intel公司的16位單片機80C196KC。存儲模塊由三部分組成：RAM，為程序運行時中間變量和局部變量存儲使用；ROM，為固化的程序和數據存儲使用；帶看門狗的串行EEPORM為芯片X5043，一方面存儲重要的工藝曲線數據和PID控制算法參數，另一方面為防止程序死機，X5043具有看門狗功能，并且當程序死機重啟時，X5043還保存有實時的工藝過程狀態數據。本系統硬件還包括數據前端預處理模塊，此模塊對采樣的模擬信號進行隔離放大濾波處理，以達到80C196KC：的AD采樣信號要求。LCD模塊為液晶驅動芯片sed13350驅動320*240的：DMF5008l的LCD。DA模塊采用四路的DAC7615，以便控制系統功能擴充。整個硬件系統可實現的功能完全滿足等徑控制的要求。
4 軟件設計
系統程序由初始化程序、AD采樣子程序、鍵盤掃描子程序、PID控制子程序和中斷子程序等部分組成。初始化主要完成熱控制系統各部件的初始化和自檢。鍵盤掃描和控制算法等子程序利用80C196KC豐富的中斷資源，在外部中斷和定時器溢出中斷子程序中完成上述工作。與上位機的串行通信采用80C196KC自帶的UART硬件傳輸中斷，以滿足數據雙向傳輸的異步性和實時性要求。單片機等徑控制程序流程如圖3所示。
上位機監控程序基于VB6．O環境開發。使用微軟公司提供的MsComm控件有效地避免了直接調用Win32API造成的編程煩瑣等弊端，以較少代碼量實現本系統要求的全雙工步通信。用戶可通過上位機程序完成工藝參數設定工藝數據保存和工藝過程監控等功能。
5 結束語
本設計的等徑控制系統充分發揮了80C196KC單片機的特點，結合現有技術，大大降低了硬件電路的設計復雜度和成本。該系統在中電集團第四十八研究所開發成功的CZ800-A型單晶爐上運行一年多時間，能穩定自動控制生長需要的無錯位單晶，具有控制精度高、操控界面友好、穩定性高，抗干擾能力強等優點。
