基于USB的晶片分选系统的设计_晶片分选机精度.docx

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1、基于USB的晶片分选系统的设计_晶片分选机精度 引言 在石英晶体器件的生产过程中，通过对石英晶片的频率响应特性进行严格的测试和分选，可以起到从源头限制产品的质量和生产工艺，提高产品产能的关键作用。目前已无法通过人工分选的方式满意对晶体器件质量和需求量的不断提升的要求，只有采纳大量的自动分选设备才能完成分选任务。本文提出的分选系统通过自主研发的USB设备和上位机应用程序的相互协作，通过并发限制，使外部动作机构产生高效的协同动作，极大地提高设备工作效率和分选质量，同时还有效削减了设备维护的工作量，保证了设备在24小时不停机状态下连续 系统原理及构成 本系统的主要工作原理是，通过螺旋送料器和直线送料

2、器的间歇式高频定向振动，将同一批次且堆放在一起的石英晶片分别开来，并且排列成一个有序队列，向转运工位输送。采纳光纤传感器、高精度分度盘以及必要的搬运机构，将队列中的每一片石英晶片转运至测试工位处。待测晶片到达测试工位后，系统启动扫频测试模块对被测晶片实施扫描测试，并实时采集测试结果。扫描测试结束后，将采集到的测试结果通过USB接口发送给计算机。计算机对测试结果进行 分析，并计算该被测晶片的各项性能指标参数。依据该计算结果，并依据预先设定的判别策略，给出该被测晶片所属的储料盒位置。然后通过USB接口将储料盒位置数据发送给运动限制模块，由运动限制模块发出限制指令，使已测晶片进入翻转落料机构。随后，

3、该晶片通过翻转落料机构运输并放入相应的储料杯中，从而完成对石英晶片的分类。 本系统由两个主要模块构成，分别为运动限制模块和扫频测试模块，如图1所示。 其中，运动限制模块接受上位机发出的限制指令，依据指令要求对相应的外围动作机构发出限制信号，并驱动外围动作机构实现相应的动作。同时，读取外部传感器信号，以便对外围动作机构和被测晶片进行实时检测。扫频测试模块主要用来向被测石英晶片发送测试信号，并检测晶片的响应信号。运动限制模块和扫频测试模块都通过USB接口与计算机进行通讯。 运动限制模块设计 运动限制模块采纳TI公司的LM3S3749作为主控芯片，利用芯片上的通用I/O口读入光电传感器信号，并通过一

4、级达林顿驱动电路输出限制信号限制螺旋送料器和直线送料器的起停、落料翻斗的翻转以及发送步进电机脉冲信号。由于测试电极和分度盘都采纳步进电机带动，为防止在高速启动和停止时发生抖动甚至失步，在设计时，采纳了脉宽调制 （PWM）技术限制步进电机的运转，以保证测试电极和分度盘能够精确平稳地完成预定动作。在LM3S3749上集成有8个脉宽调制模块1，本设计采纳PWM0和PWM1通过PG0和PG1端口输出脉宽调制信号分别驱动测试电极模块电机和分度盘电机。 扫频测试模块设计 该模块的扫频信号源采纳专用的数字信号合成器（DDS）AD10152产生高频正弦波通过一个120MHz的三级无源椭圆低通滤波器滤除高频噪声

5、后，由于AD10152输出的信号幅度是非线性的，随着输出频率渐渐上升，输出信号的幅度便会快速下降，因此设计时通过一片程控可变增益放大器AD83704实现对信号的放大后施加给被测晶片。由于单片机的片上ADC精度不够，因此在电路设计时增加了一片专用数模转换器AD76513，该芯片将晶片的激励响应转换为16位数字量输出给单片机LM3S3749。通常一个被测晶片须要测试2000个不同的频 2计算得出。该固件程序采纳C语言，并在KeilVision集成环境中开发。为了加快项目研制进度，同时也为将来在软硬件的升级上供应便利，在固件程序开发中引入了TI公司针对Cortex M系列单片机供应的外设驱动开发库d

6、riverlib-cm3.lib和usblib-cm3.lib，这两个库对单片机片上外设限制寄存器底层和USB接口的应用进行了封装，在程序中只要调用相应的封装函数即可，提高了代码的可维护性。 驱动程序设计 本系统的运动限制器和扫描测试仪都是自行研发的非标准的USB设备，上位机与其通讯必需通过驱动程序来进行。上位机应用程序在WindowsXP系统中运行，因此USB驱动程序采纳WDF（视窗驱动程序基础）供应的KMDF（内核模式驱动程序框架）开发。通过定义驱动入口函数DriverEntry4和设备加载函数USBDevAdd，生成驱动对象和设备对象。并且注册USBDevFileCreate，在队列中登

7、记U S B D e v R e a d和USBDevWrite等回调函数，以响应系 上位机应用程序设计 本系统上位机应用程序采纳Visual C+语言在Visual Studio 2022集成环境中编写。操作人员通过上位机应用程序，可以完成对整个系统操控，包括启动系统运行，系统检测，参数设置等功能模块。 其中，为了提高整个系统的运行效率，将系统运行划分为两个并发执行的线程：晶片位置检测线程和主控线程。晶片位置检测线程负责实时查询晶片到位信号，当检测到该信号时，关闭直线送料器，并向主控线程发送同步事务信号量。主控线程等待到该信号量时，发送限制吩咐驱动分度盘、测试电极和落料翻斗动作，并向扫频测试

8、仪发送启动测试指令，对待测晶片实施测试。测试结束后发送限制码复位测试电极，并限制分度盘将已测晶片向落料翻斗运输，随后复位同步事务信号。晶片位置检测线程发觉该信号量被复位，则启动直线送料器并检测下一个晶片的位置。系统启动分选时的工作界面如图3所示。 结论 由于石英晶体器件是数字电子产品中必不行少的关键器件，其市场需求量日益增长。晶体生产厂家为了扩大产能，在提高其生产 第5页 共5页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页