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真空镀膜机控制系统的设计

太阳能真空集热管磁控溅射镀膜机主要用于太阳能真空集热管产生中镀制渐变的精确的化学配比氮化铝膜，在设定工艺自动运行的过程中，参数的设定主要包括对镀膜时间、氮气的流量、氩气的流量、靶电流以及靶模式选择的设定，如下表所示。参数设定是在自动控制复位的状态下根据工艺的要求由操作人员来完成的，设定后存储在存储器中以等待工艺运行时调用。
表1工艺参数设定
层数时间/s氩气(流量)氮气(流量)靶电流/A选靶模式第一层56052401---启动靶1第二层152041453—启动靶3第三层302585557---启动靶1、2、3第四层113737345---启动靶1、3第五层651518476---启动靶2、3
采用手动控制和自动控制相结合的设计思路，设计采用FPGA为核心控制芯片，基于VHDL语言，这个自动控制系统的设计分成工序流程控制模块、参数设置及调用模块和通信模块三个模块。其中工序流程模块采用有限状态机设计，完成工序流程的控制；参数设置及调用模块主要完成系统所需的参数的设置，需要设置的参数包括镀膜的时间，氮气流量，氩气流量、靶电流大小以及对靶的模式，参数设置及调用模块主要为SRAM的设计；通信模块设计了UART接口，便于与计算机或其他设备之间进行通信。
系统的设计原理框图如下：

图1：系统原理框图

3.1工序控制流程模块：
用状态机来设计，状态机是数字设计的重要组成部分，是实现高效率，高可靠逻辑控制的重要途径。此模块采用MOORE状态机来描述，其状态机的状态转移图如下图所示，其中包好了17个状态，即包含了整个工序控制的流程，没有标明条件的是一种“无条件”转换。

图2：工序自动运行的状态转移图
1.自动控制模块的功能仿真及分析
如图3所示，在复位信号reset变为高电平(reset=’1’)后，开自动运行(atom_hand=’1’)，接着自动运行工序；开机械泵(machinpump=’1’)，开预抽阀(beforeluntvalve=’1’),判断真空度1(vacuity=’1’时)；关预抽阀(beforeluntvalve=’0’),开前级阀(prevalve=’1’)，开高阀(highvalve=’1’),关维持阀(naintainvalve=’0’),关维持泵(maintainpump=’0’)，判断真空度2(vacuity2=’1’时)；关光闸阀(lightbarriervalve=’1’)，开截止阀(cutvalve=’1’)，判断真空度3(vacuity3=’1’时)；开氮气控制(nitrogenontrol=’1’)和氩气控制(argoncontrol=’1’)，开工件旋转(workpiecerun=’1’)，开靶运行(buttrun=’1’)，加靶电流(buttcurrent1、2、3)，自动运行(crafrun=’1’)；运行完毕后，开充气阀(aeratevalve=’1’)，开门信号(onoffdoor=’1’)，取工件，进行下一个工序；

图3：自动控制系统模块的功能仿真(1)

图3：自动控制系统模块的功能仿真zoomout(2)
由于此程序较长，具体的程序设计见附录。
3.2参数设置及调用模块
参数设定是在镀膜机工艺运行以前完成的，参数的调用时在工序流程模块中的第十个状态(state10)完成的，如下图4所示的设计原理框图，它由操作者根据镀膜工艺的要求事先设定，再通过设置数据，包括镀膜的时间、氩气流量、氮气流量、靶电流大小、靶的选取模式，在运行时调用这些参数进行工艺设计。
参数的输入采用两位十进制数(8位二进制)的方法，通过存储器把镀膜的时间，氩气流量、氮气流量、靶电流的大小等分别存储在RAM1,RAM2,RAM3,RAM4,RAM5中，以备设备运行时调用。在设置参数时，用一个控制器con2完成了对参数的选择，即对存储器的选择。在镀膜机的工艺自动运行中，因每一层镀膜工艺的不同，其设定及运行的参数也是不一样的，控制器con1用于对层数的控制，层数的控制包括参数的设置时的控制以及工艺自动运行时的控制，参数设置时的层数是一个内部的信号输入量，它完成了本层的镀膜后自动调用下一层设置的参数进行运行，在本设计的程序描述中是由一个十进制递减计数器sconter发出的。
con3是对选取靶模式的控制，在镀膜时，有一个靶电压的输入，该系统的要求是设定3个输入的靶电压1，靶2，靶3，根据不同的镀膜工艺选取一个或者几个靶同时工作，在镀膜完成后，con3发出一个结束镀膜工艺的完成信号，当然还有一个对运行时间计数的十进制递减计数器sconter，它是一个可预置的计数器，它还要完成本层镀膜时间完成后层数的递增，并返回给con1来完成对层数的控制，为了对设定和运行的数据进行观察，采用了译码器decoder用数