摘 要：數字化氣體質量流量計采用RS485通訊方式與主控制器連接；流量計的各項功能設置以及檢測用數字化的方式完成。相對于模擬接口的質量流量計而言，采用具有數字化接口的流量計組織一個應用網絡更為方便，控制更為可靠。本文以HKTMF系列數字質量流量計為例，介紹了有關的通訊協議以及在半導體材料生長中的應用。

關鍵字：數字化氣體質量流量計 RS485 控制

    0 引言

    氣體質量流量計可以精確計量和控制氣體的流量大小，廣泛地應用于需要進行精確組分設計的材料生長領域。其工作原理是：控制比例電磁閥的開啟狀態達到控制氣體流量的目的；通過毛細管傳感器，將流量信號轉變為電壓信號，反映真實的流量大小[1]。

    常用的氣體質量流量計，以手動調節的方式改變模擬電位器的分壓，從而設置氣體流量大小；毛細管傳感器的電壓信號，經過比例放大電路，輸出0~5V的電壓反映實際流量大小。該類型的氣體質量流量計，一般還具有模擬信號接口，通過控制器給定0~5V的電壓信號（或4~20mA）來設置流量；通過讀取0~5V（或4~20mA）的輸出信號，反映當前的流量狀況[2]。如果要用計算機對其進行程序控制，必須外加DA/AD轉換模塊，將模擬信號與數字信號相互轉化，才能接入計算機控制系統，構成一個控制網絡。

    而數字化氣體質量流量計，含有微處理器，在內部集成有（DA+AD）轉換模塊，具有RS232接口或RS485通訊接口，對流量的設置和流量的檢測，以數字化形式通過RS232接口或RS485接口完成，因此計算機等控制器對數字化接口，還可以對氣體質量流量計進行更加廣泛的功能設置。

圖1 模擬接口的質量流量計組網示意圖

圖2 數字接口的質量流量計組網示意圖

    RS-485標準允許在平衡電纜上連接多至32個發送器/接收器，特別適合工業控制領域進行分布管理、聯網檢測控制，得到廣泛應用。因此具有RS485接口的質量數字化質量流量計的控制相對更為方便可靠。另外，通過流量計對應用系統來說更為方便可靠。下面以HKTMF系列氣體質量流量為例，介紹有關通訊協議的格式以及流量計在材料生長中的使用。

    1 數字化質量流量計通訊協議

    HKTMF系列氣體質量流量計除了具有傳統的0~5V或4~20mA模擬控制引線外，還具有RS-485數字通訊接口。信號從流量計的DB15連接器中引出/引出。其中14針、15針引出RS485信號（B）、（A）[6]。

    RS-485標準是一種多發送器的電路標準，允許在雙導線上有多個發送器，也允許一個發送器驅動多個負載。但RS485僅能工作在半雙工方式，即任一時刻只允許一個發送器發送數據，而其他組件只能處于接收狀態[3]。

    Brooks數字化質量流量計的485通訊協議是以HART為基礎的。

    1.1 HART消息的結構[7]

    HART是一種“主/從”通訊協議，即每次通訊“主控制器”發出請求，然后被選中的“從器件”進行應答。

    HART消息結構如圖3所示，由引導符、起始符、地址、命令、字節數、狀態字、數據域、校驗碼等幾部分構成。HART這種格式既可以用于請求又可以用于應答。HART消息以字節為單位進行編碼，串行發送。

圖3 HART消息結構

    1.2 HART消息中的各部分說明

    引導符：FFH（16進制數）。

    由于轉換器延時，請求時最少5個字節才可靠，應答時最少2個字節。

    起始符：1個字節。字節的第7位指示地址的格式（長格地址或短格地址），字節的低3位指示消息來源（主控或從器件）。詳見表1說明。

    

    地址：用于指定或識別應用網絡上的質量流量計（從器件）。起始符的第7位決定了地址格式的不同，占用1個或5個字節。

    短格地址，只占用1個字節。短格地址必須用專用服務軟件對485網絡中的流量計進行設置，而且在某些方面的應用受到限制，因此下面不做詳細介紹。

    長格地址，占用5個字節，5個字節的含意：字節0，指明主控等信息；字節1，指明“器件類型”；后3個字節24位，是器件的唯一標識符。長地址格式如圖4。

    如果消息中的地址為8000000000，表明“主控制器”向網內“從器件”廣播，或表明網內對應的“從器件”對“主控制器”廣播的回應。

圖4 長格地址的格式說明

命令：1個字節。指明從器件的動作。

    命令分為三種類型，即通用命令，編碼范圍0~19；共用命令，編碼范圍32~127；特別命令，編碼范圍128~250；251~255保留。字節計數：1個字節。

    指明該消息中，狀態說明2字節和“數據域”的字節數之和。“數據域”的字節數根據消息類型和命令編號的不同而不同。

    狀態：2個字節，在應答信息中才有。給出通訊錯誤、命令錯誤等信息。

    數據域：依據不同的命令，數據域可0~24個字節。

    數據類型有：8位無符號整形數；24位無符號整形數；

    基于IEEE754的4字節單精度浮點數；（在本文2.3中有說明）

    ASCII碼；

    壓縮的ASCII碼；（壓縮方法見2.4）

    校驗碼：1個字節。

    對消息中從起始字節開始到本字節之前的所有的字節進行“異或”操作，“異或”結果即為校驗碼。

    1.3 流量數據的表達

    HART消息中，在流量設置、檢測以及相關應答的格式里，流量數據采用4字節的IEEE754的單精度浮點數表示[8]。流量的單位采用一個字節編碼。IEEE754的格式如下：

    S-尾數符號，字節0的第7位，1表示負，0表示正。

    E-指數，跨字節0和字節1。

    M-尾數的小數部分，23位。

    所表示的數值：

    Value=S（1.M）′2^（E127）

    例如：

    42AA0000表示的數值為85

    BE9E89B8表示的數值為-0.31

    43D48000表示的數值為425

    在表示流量數據的4個字節之前，用一個字節的16進制數表示流量的單位，例如“39”表示“百分比”，“AB”表示“毫升/分”等（詳見3.2，3.3）。它們共同構成HART消息的數據部分。

    1.4 壓縮的ASCII碼

    標準的ASCII碼占用一個字節長度8位，而壓縮的ASCII碼去掉字節中的第6、第7兩位，僅用后面的6位數據。因此字符串采用壓縮的ASCII碼更為節省長度空間。在查詢應用網絡中數字化質量流量計的地址時，要用到壓縮的ASCII碼。舉例如下：

    例如器件標識名（TagName）為

    49506001；

    這8個字符的標準ASCII碼（16進制）：34，39，35，30，36，30，30，31；

    對應的2進制格式：00110100，00111001，00110101，00110000，00110110，00110000，00110000，00110001；

    將每個ASCII碼的6、7兩位去掉形成：110100，111001，110101，110000，110110，110000，110000，110001；

    重新組合成：11010011，10011101，01110000，11011011，00001100，00110001；

    得到壓縮的ASCII碼（6字節，16進制）D39D70DB0C31

    1.5 HART消息的傳送

    HART消息以字節為單位進行編碼，串行發送/接收。一般的計算機只用RS232接口，只有通過RS232RS485的轉接器，才能連接到具有485接口的數字質量流量計[4]。

    質量流量計的默認波特率19200，1個起始位，8個數據位，奇校驗，1個停止位。波特率可用專用軟件修改。

    2 數字流量計的流量檢測和設置[7]

    BROOKS數字質量流量計，長格地址采用5個字節表示（見前HART消息說明）。

    得到應用網絡中質量流量計的長格地址后，就可以通過數字通訊方式，對網絡中指定的器件進行控制操作和功能設置，從而構成一個以計算機為主控單元，以流量計為“從器件”的應用網絡。

    2.1 獲取應用網絡中流量計的長格地址

    實現設置和控制的第一步是獲取網絡中流量計的地址。

    BROOKS數字質量流量計，出廠時一般沒有直接提供器件地址，只有器件的標識名（TagName）印刷在從器件（質量流量計）的標簽上。通過標識名（TagName）可以得到對應器件的長格地址。步驟如下：

    （1）從流量計的標簽上得到該流量計的標識名（TagName）

    （2）將標識名（TagName）轉換為壓縮的ASCII碼形式。

    （3）主控制器執行命令#11，對應用網絡進行廣播，符合的器件進行應答。

    （4）從應答信息中，得到從器件對應的唯一標識碼，形成長格地址。

    舉例如下：

    應用網絡中的一個質量流量計標簽上的TagName：49506001

    得到壓縮的ASCII碼（6字節，16進制）D39D70DB0C31

    主控制器向網內廣播，執行命令#11（0B），發送的消息格式：FFFFFFFFFF8280000000000B06D39D70DB0C31D7，消息中的各部分說明如圖5：

圖5 主控制器向網內廣播以獲取器件地址

    對應的“從器件”對主控制器的應答：

    FFFFFFFFFF8680000000000B0E0000FE0A320505010101014B8A494D

    應答消息中的各部分說明如圖6：

圖6 “從器件”對主控制器的應答以及該器件長格地址的合成

    在應答信息中，由1個產品碼字節、1個器件類型字節、3個的器件標識碼字節合成為器件（質量流量計）的唯一長格地址碼：8A324B8A49，合成方法見圖6。

    2.2 流量檢測命令（#1）

圖8 流量設置請求和應答

    請求消息中的設置流量為85，單位碼39表示百分比，即設置的流量為滿量程的85%；應答消息返回的流量單位碼AB代表“毫升/分”，流量為425，即所設置85%的流量為425毫升/分。

    2.4 其他功能設置

    通過指定控制網絡中流量計的地址，主控制器還可以對數字質量流量計的其他功能進行設置，常用的有：流量的單位變換（#196）、超限報警（#248）、模擬控制與數字控制方式切換（#216）等。

    3 數字流量計的應用實例

    在半導體材料外延生長領域，所關心的是每一時刻參與反應的氣體組分及其配比，能夠及時調整氣體流量并對其實時監測，因此需要用到多個質量流量計。如果采用具有RS485接口的數字化的質量流量計，就可以方便地構成材料生長的氣路控制網絡。

    圖9顯示了一個半導體材料外延生長的氣路布局簡圖，生長用到的4種氣源，用4個流量計MFC1~MFC4分別加以控制。

圖9 外延生長的氣路布局簡圖

    3.1 氣路控制網絡的構成

    圖9中的4個質量流量計按圖2方式與計算機連接，構成一個以RS485進行通訊的主/從網絡結構，主控器件主導通訊過程。其中主控制器為計算機，從器件為4個流量計。系統中采用有源RS232RS485轉換器，平衡電纜的兩端并聯120Ω吸收電阻。

    計算機與流量計通訊波特率19200，1個起始位，8個數據位，奇校驗，1個停止位。

    按節3.1的方法，由標識名得到應用網絡中的各個流量計的長格地址，見表3。

    得到器件的長格地址后，計算機就可以向指定的流量計發出設置流量或流量檢測的命令。對應流量計應答并動作或返回當前實際流量。對流量計的設置和檢測，可以“單步”進行，也可以根據材料生長要求，采用程序“多步”控制。

    3.2 生長過程中的氣路控制流程

    外延半導體材料的多層結構，要求不同時刻參與反應的氣體組分和配比不同，因此在生長過程中必須能夠按設計要求調整氣體流量。采用預設“生長數據文件”的方法，為在生長過程中改變氣體流量提供了依據。

    程序執行時，計算機對網絡中的所有流量計進行定時查詢，并與預設的“生長數據文件”比較，動態調整流量。流量的設置和檢測構成的閉環控制，確保材料生長過程的可靠性和重復性。

    根據材料結構設計，預設的“生長數據文件”的格式：

    時刻1，MFC1流量，…，MFCn流量

    ……

    時刻x，MFC1流量，…，MFCn流量

    程序依照“生長數據文件”執行，控制流程圖見圖10。

圖10 生長程序控制流程

    3.3 材料生長的氣路控制效果

    按圖9方式構成的半導體材料生長的氣路系統，已成功建立，并采用數字流量控制方法在Si片上進行了多層膜的外延生長試驗。基于RS485通訊的數字流量計可以在1秒內對設置的流量做出反應，檢測到的流量和設置的流量在偏差范圍以內；流量計在工作過程中基本不受外界干擾；控制效果良好。

    4 結論

    相對于只有模擬接口的流量計，具有RS485接口的數字化質量流量計，配置一個應用系統在控制方面更有優勢，硬件的組織更為清晰，可靠性更高，使用起來更為方便。

    在組分需嚴格控制，精度要求越來越高、結構越發復雜的情況下，材料生長過程必須由計算機控制，而數字化質量流量計具有的先天特性，使之能更好地與計算機控制系統銜接。

    數字化質量流量計的應用，必須嚴格遵循定義的通訊協議。在充分了解和掌握該協議的基礎上，才能加以靈活合理的使用，滿足應用要求。