激光调阻机快速实时在线检测系统的研究
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摘要
激光加工技术是八十年代后期崛起的一个新兴技术领域，它集光学、精密机械、电、计算机控制和精密测量等多种技术于一体。激光调阻机是激光加工设备在电子工业中的一种应用，用它来高效地生产表面贴装电阻。本文中涉及了激光调阻机的电、计算机控制和测量技术等方面的研究。其设计思路和方法对其它激光加工设备(如表面封装电容激光加工设备等)的实现有一定的借鉴价值。本文围绕激光调阻机的检测与控制系统进行了以下几方面的研究和设计工作。
分析了GSI公司的W724激光调阻机的结构和原理，通过Internet查阅了大量的国内外资料和文献，根据激光调阻机的要求，研究并设计完成了激光调阻机的检测与控制系统。
设计了检测与控制系统主控制板(CPU板)和高精度可编程双电压源板(DVS板)，并提出对现在主控制板设计的升级方案建议。
根据激光调阻机要求对电阻检测精度高的特点，研究了低电阻和高电阻检测时消除检测系统误差的原理。
研究了低电阻检测时产生系统误差的原因，分别用时域和复频域两种方法分析了在低电阻检测时消除附加电阻误差的原理；并通过两组实验数据用数理统计的方法验证了附加电阻误差影响已经被消除的结论。分析了探卡与探针引入的检测误差及提出了解决思路。
研究了高电阻检测时产生系统误差的原因及减少误差的原理；提出了在理想条件下完全消除漏电阻的模型；并对其进行了仿真实验。根据实际情况，提出了对消除漏电阻电路的折衷考虑方案；并提出了为了减少漏电阻的改进连接方式建议。
根据激光调阻机生产高效性的特点，研究了高速刻蚀电阻的原理及实现步骤。
根据电磁兼容理论，分析了干扰的来源，并提出了在DVS板设计时减少干扰的措施。分析了在检测时其它随机误差的来源及减少方法。
根据激光调阻机的控制过程要求，设计并完成检测与控制系统程序(主控制程序)的编写。主控制程序采用了消息驱动机制的编程方法，使
中闪科学阮博 卜兮，位论义：激光调阻机伙这实时人线检测系统的研究
程序结构洁晰、实时性强、易于维护和升级。
根据激光调阻机检测与控制系统与上位计算机（工业计算机 r C）的
通信要求，设计并完成了串行通信程序的编写。串行通信程序采用了硬
件设计中的状态机思想，使通信程序结构清晰、实时性强。提出了一种
高效的串行通信协议帧格式，并对其效率进行了分析。
Laser Processing Technology is a new technology uprising at the end of eighties of this century, which includes optics, fine mechanics, electronics, computer control and measurement technologies. Laser Resistor Trimming Machine is an application of the laser processing equipments in electronic industry. This dissertation is involved in the studies of electronics, computer control and measurement technology of Laser Resistor Trimming Machine. The designing idea and method of Laser Resistor Trimming Machine is valuable for designing other laser processing equipments. In this dissertation, several studies and designs are made concentrating on the measurement and control system of Laser Resistor Trimming Machine.
Analysis of structure and theory of W724 Laser Resistor Trimming Machine of GSI Inc. is made. According to the requirements of Laser Resistor Trimming Machine, the measurement and control system of Laser Resistor Trimming Machine are studied and designed by a review on the development of this domain.
The main control board (central process unit board, CPU board) of measurement and control system is designed, and high accuracy programmable dual voltage source board (DVS board) is designed. Improving suggestions of the CPU board are brought forward.
According to the properties of high accuracy demand for resistor measurement of Laser Resistor Trimming Machine, the theory of lessening or removing error of low resistance and high resistance measurement is studied.
The error reasons of low resistance measurement are studied, the theory of removing line resistance error proves to be right with time-domain analysis method and frequency-domain analysis method, and the results proved to be true by the experiment datum with the statistics method.
The error reasons of high resistance measurement are studied, and the theory removing line resistance error proves to be right. The model removing the leak resistor circuit is brought forward, and simulation
experiment about the model is made, and the result proves to be true. The compromise scenario is brought forward as practice condition. Improving suggestion of lessening the leak resistance is brought forward.
According to need of the high efficient character of Laser Resistor Trimming Machine, the theory of high efficiency is studied, and the implementation steps are given.
According the EMC theory, the sources of interference are analyzed, and the methods lessening the interference are brought forward.
According to the need of control process of the Laser Resistor Trimming Machine, the program measuring and controlling the system is designed. The program is designed with message driven mechanism like Windows program, it makes the program be simple in structure, real-time, easy in maintenance, and easy in upgrade.
As the need of communication with the superior computer, the serial communication program is designed. The thinking of state machine in hardware design is adopted in the serial communication program; it makes the serial communication program be simple in structure, real-time. A high efficient protocol of serial communication is brought forward, and proved to be efficient.
分析了GSI公司的W724激光调阻机的结构和原理，通过Internet查阅了大量的国内外资料和文献，根据激光调阻机的要求，研究并设计完成了激光调阻机的检测与控制系统。
设计了检测与控制系统主控制板(CPU板)和高精度可编程双电压源板(DVS板)，并提出对现在主控制板设计的升级方案建议。
根据激光调阻机要求对电阻检测精度高的特点，研究了低电阻和高电阻检测时消除检测系统误差的原理。
研究了低电阻检测时产生系统误差的原因，分别用时域和复频域两种方法分析了在低电阻检测时消除附加电阻误差的原理；并通过两组实验数据用数理统计的方法验证了附加电阻误差影响已经被消除的结论。分析了探卡与探针引入的检测误差及提出了解决思路。
研究了高电阻检测时产生系统误差的原因及减少误差的原理；提出了在理想条件下完全消除漏电阻的模型；并对其进行了仿真实验。根据实际情况，提出了对消除漏电阻电路的折衷考虑方案；并提出了为了减少漏电阻的改进连接方式建议。
根据激光调阻机生产高效性的特点，研究了高速刻蚀电阻的原理及实现步骤。
根据电磁兼容理论，分析了干扰的来源，并提出了在DVS板设计时减少干扰的措施。分析了在检测时其它随机误差的来源及减少方法。
根据激光调阻机的控制过程要求，设计并完成检测与控制系统程序(主控制程序)的编写。主控制程序采用了消息驱动机制的编程方法，使
中闪科学阮博 卜兮，位论义：激光调阻机伙这实时人线检测系统的研究
程序结构洁晰、实时性强、易于维护和升级。
根据激光调阻机检测与控制系统与上位计算机（工业计算机 r C）的
通信要求，设计并完成了串行通信程序的编写。串行通信程序采用了硬
件设计中的状态机思想，使通信程序结构清晰、实时性强。提出了一种
高效的串行通信协议帧格式，并对其效率进行了分析。
Laser Processing Technology is a new technology uprising at the end of eighties of this century, which includes optics, fine mechanics, electronics, computer control and measurement technologies. Laser Resistor Trimming Machine is an application of the laser processing equipments in electronic industry. This dissertation is involved in the studies of electronics, computer control and measurement technology of Laser Resistor Trimming Machine. The designing idea and method of Laser Resistor Trimming Machine is valuable for designing other laser processing equipments. In this dissertation, several studies and designs are made concentrating on the measurement and control system of Laser Resistor Trimming Machine.
Analysis of structure and theory of W724 Laser Resistor Trimming Machine of GSI Inc. is made. According to the requirements of Laser Resistor Trimming Machine, the measurement and control system of Laser Resistor Trimming Machine are studied and designed by a review on the development of this domain.
The main control board (central process unit board, CPU board) of measurement and control system is designed, and high accuracy programmable dual voltage source board (DVS board) is designed. Improving suggestions of the CPU board are brought forward.
According to the properties of high accuracy demand for resistor measurement of Laser Resistor Trimming Machine, the theory of lessening or removing error of low resistance and high resistance measurement is studied.
The error reasons of low resistance measurement are studied, the theory of removing line resistance error proves to be right with time-domain analysis method and frequency-domain analysis method, and the results proved to be true by the experiment datum with the statistics method.
The error reasons of high resistance measurement are studied, and the theory removing line resistance error proves to be right. The model removing the leak resistor circuit is brought forward, and simulation
experiment about the model is made, and the result proves to be true. The compromise scenario is brought forward as practice condition. Improving suggestion of lessening the leak resistance is brought forward.
According to need of the high efficient character of Laser Resistor Trimming Machine, the theory of high efficiency is studied, and the implementation steps are given.
According the EMC theory, the sources of interference are analyzed, and the methods lessening the interference are brought forward.
According to the need of control process of the Laser Resistor Trimming Machine, the program measuring and controlling the system is designed. The program is designed with message driven mechanism like Windows program, it makes the program be simple in structure, real-time, easy in maintenance, and easy in upgrade.
As the need of communication with the superior computer, the serial communication program is designed. The thinking of state machine in hardware design is adopted in the serial communication program; it makes the serial communication program be simple in structure, real-time. A high efficient protocol of serial communication is brought forward, and proved to be efficient.
引文
[1]江海河．激光加工技术应用的发展及展望．光电子技术与信息，2001，14(4)
[2]梅遂生．激光加工在电子工业中的应用．激光与红外，2001，24(1)：5-10
[3]Jan Axelson. Parallel Port Complete—Programming,Interfacing,&Using the PC's Parallel Printer Port,1999.
[4]何立民．MCS-51系列单片机应用系统设计系统配置与接口，北京：北京航天大学出版社，1993．
[5]李华．MCS-51系列单片机实用接口技术，北京：北京航天大学出版社，1993．
[6]黎康保，朱宏兴．接口与通信。西安：西北工业大学出版社，1989
[7]邵贝贝，刘慧银等，微控制器原理与开发技术，北京：清华大学出版社，1997
[8]于海生．微型计算机控制技术．北京：清华大学出版社，1998．160-278．
[9]李广军，等．实用接口技术．西安：电子科技大学出版社，1999．
[10]William Stalling's.Computer Organization and Architecture Designing for Performance. USA:Prentice-Hall International,Inc.1996.
[11]王修才，刘祖望．单片机接口技术，上海：复旦大学出版社，1995
[12]杨晖，张凤言．大规模可编程逻辑器件与数字系统设计，北京：北京航天大学出版社，1998．
[13]周建民，张雷，蔡香华等．可编程阵列逻辑应用技术，合肥：中国科学技术出版社，1990．
[14]孟宪元．可编程专用集成电路原理设计和应用．北京：电子：工业出版社，1995．
[15]朱明铨．FPGA原理及其应用．北京：电子工业出版社，1994．
[16]黄永平，金玉善，江波．用可编程逻辑器件实现CPU零地址仿真．长春邮电学院学报，1999，17(3)：51-55．
[17]张卫平．现代电子电路原理与设计．北京：原子能出版社，1999．
[18]郑家祥，陆玉新．电子测量原理，成都：国防工业出版社，1982．
[19]管致中，夏恭恪．信号与线性系统，北京：人民教育出版社，1982
[20]管致中，沙玉钧，夏恭恪．电路、信号与系统，北京：人民教育出版社，1979
[21]韦特 J V，沈承杭，等．运算放大器原理和应用导论，北京：人民邮电出版社．1983．
[22]周政新，等．EDA电子设计自动化实践与训练．上海：中国民航出版社，1998．
[23]B．E．凯瑟[美]著，肖华庭 诸昌清 雷有华 冀晋 译．电磁兼容原理．北京：电子工业出版社．1985．
[24]李继凡，罗远瑜．精密电气测量．北京：计量出版社，1984．
[25]林德杰，林均淳．电气测试技术．北京：机械工业出版社，1996
[26]花国梁．精密测量技术．北京：中国计量出版社，1990．
[27]采用单臂电桥实现高精度温度检测的软件补偿技术．仪器技术与传感器，2000，3
[28]黄永平，项阳，汤建华．有源单臂电桥在激光调阻中的测量原理及实现，光学精密工程，2000，8(4)：394-397．
[29]黄永平，金玉善，汤建华．低阻测量中消除线电阻和接触电阻的原理及实现，光学 精密工程，2000，8(5)：491-496．
[30]吴大正．信号与线性网络分析．北京：人民教育出版社 1982．3
[31]Allen R. Parker, Jr. Simultaneous Measurement of Temperature and Strain Using Four Connecting Wires. NASA Technical Memorandum 104271, November 1993
[32]Karl F. Anderson. Current Loop Signal Conditioning: Practical Applications. NASA Technical Memorandum 4636, January 1995.
[33]马忠梅，马岩．张凯等．单片机的C语言应用程序设计，北京：北京航天大学出版社，1997．
[34]Rick Grehan,Robert Moote,Ingo Cyliax[美]．许汝峰译．32位嵌入系统编程，北京：中国电力出版社，2001．
[35]James W．McCord[美]，钟向群等译．Borland C++3.1开发Windows应用程序，北京：清华大学出版社，1993．
[36]Ezzell Ben．32-Bit Windows Programming.USA:Sams Publishing,1996
[37]Joe Campbell[美]，游疆来译。串行通信编程指南，北京新闻出版局，1990
[38]黄永平，韩甸苹．LDSS98调度机维护终端通信的一种新协议，长春邮电学院学报，1999，17(2)：51-55
[39]黄永平，杨永健．IBM-PC微机与多处理机的中断通信，长春邮电学院学报，1995，13(2)：15-19
[40]黄永平，韩甸苹，胡谦．用Visual Basic的通信控件实现串行通信．长春邮电学院学报，1998，16(3)：23-29
[41]黄永平．基于并行口PS/2模式实现微机与单片机通信．长春邮电学院学报，2000，18(3)：46-50．
[42]李腊元．测控系统中串行接口与通信协议．长沙电力学院学报(自然科学版)，1998．02
[43]汤吉群，黄永平．利用Sun网络管理平台实现校园网配置管理．长春邮电学院学报，1998，17(2)：56-60．
[44]李腊元．通信协议形式化模型的研究．计算机学报，1998．02
[45]章爱武．通信协议的自稳定性研究．武汉交通科技大学学报，2000，03．
[46]贾新章等．OrCAD/Pspice9实用教程，西安：西安电子科技大学出版社，1999．
[47]毛英泰．误差理论与精度分析．长沙：国防科技大学出版社．1982
[48]郑家祥，陆玉新．电子测量原理，成都：国防工业出版社，1982．
[1．]各国激光设备介绍：http://www.industrial-lasers.com/archive/index.html
[2．]武汉华工激光：http://www.hglaser.com/
[3．]国内外激光产业发展现状及分析：http://wuhan.Chinese.com/hgl/events/c1.html
[4．]激光学术论坛：http://wuhan.chinese.com/hgl/laserforum.html
[5．]美国生产激光调阻机探卡公司：http://www.accuprobe.com
[6．]中国光谷专区：http://wuhan.chinese.com/hgl/oppicsvalley.html
[7．]Analog Devices公司网址：http://www.analog.com
[8．]中国数据网：http://www.cndata.com
[9．]中国计量科学研究院网址：http://www.nim.ac.cn
[10．]中国组装网：http://www.China-assembly.com/jszx/more-jszx.asp?colum=1&table=8
[11．]中国自动化：http://www.automation.com.cn/
[12．]电子测量技术：http://www.gotoread.com/2002/magazine/?magid=460
[13．]Anderson环测量原理：http://www.vm-usa.com
[14．]Anderson环测量的优势：http://www.vm-usa.com/benefits.html
[15．]专利申请号：00112711．X．网络电阻虚拟分断测试技术及其应用， http://www.cnpatent.com/zljsxx/07/20010827．htm
[16．]激光刻蚀检测电路产品：http://www.maxim-ic.com/ASICs/test/testtrim.htm
[17．]美国ESI公司：http://www.esi.com
[18．]OrCAD公司网址：http://www.orcad.com
[19．]Protel公司网址：http://www.protel.com
[20．]ATMEL公司中国代理网址：http://www.william.com.cn
[21．]ATMEL公司网址：http://www.atmel.com
[22．]Borland公司网址：http://www.borland.com
[23.]Sun公司网址：http://www.sun.com,http://www.javasoft.com
[24.]电子元器件搜索引擎：http://www.icmaster.com
[25.]资料搜索引擎：http://www.google.com
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[28]黄永平，项阳，汤建华．有源单臂电桥在激光调阻中的测量原理及实现，光学精密工程，2000，8(4)：394-397．
[29]黄永平，金玉善，汤建华．低阻测量中消除线电阻和接触电阻的原理及实现，光学 精密工程，2000，8(5)：491-496．
[30]吴大正．信号与线性网络分析．北京：人民教育出版社 1982．3
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[32]Karl F. Anderson. Current Loop Signal Conditioning: Practical Applications. NASA Technical Memorandum 4636, January 1995.
[33]马忠梅，马岩．张凯等．单片机的C语言应用程序设计，北京：北京航天大学出版社，1997．
[34]Rick Grehan,Robert Moote,Ingo Cyliax[美]．许汝峰译．32位嵌入系统编程，北京：中国电力出版社，2001．
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[41]黄永平．基于并行口PS/2模式实现微机与单片机通信．长春邮电学院学报，2000，18(3)：46-50．
[42]李腊元．测控系统中串行接口与通信协议．长沙电力学院学报(自然科学版)，1998．02
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[1．]各国激光设备介绍：http://www.industrial-lasers.com/archive/index.html
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[4．]激光学术论坛：http://wuhan.chinese.com/hgl/laserforum.html
[5．]美国生产激光调阻机探卡公司：http://www.accuprobe.com
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[7．]Analog Devices公司网址：http://www.analog.com
[8．]中国数据网：http://www.cndata.com
[9．]中国计量科学研究院网址：http://www.nim.ac.cn
[10．]中国组装网：http://www.China-assembly.com/jszx/more-jszx.asp?colum=1&table=8
[11．]中国自动化：http://www.automation.com.cn/
[12．]电子测量技术：http://www.gotoread.com/2002/magazine/?magid=460
[13．]Anderson环测量原理：http://www.vm-usa.com
[14．]Anderson环测量的优势：http://www.vm-usa.com/benefits.html
[15．]专利申请号：00112711．X．网络电阻虚拟分断测试技术及其应用， http://www.cnpatent.com/zljsxx/07/20010827．htm
[16．]激光刻蚀检测电路产品：http://www.maxim-ic.com/ASICs/test/testtrim.htm
[17．]美国ESI公司：http://www.esi.com
[18．]OrCAD公司网址：http://www.orcad.com
[19．]Protel公司网址：http://www.protel.com
[20．]ATMEL公司中国代理网址：http://www.william.com.cn
[21．]ATMEL公司网址：http://www.atmel.com
[22．]Borland公司网址：http://www.borland.com
[23.]Sun公司网址：http://www.sun.com,http://www.javasoft.com
[24.]电子元器件搜索引擎：http://www.icmaster.com
[25.]资料搜索引擎：http://www.google.com