CN201154996Y

CN201154996Y - 基于数字信号处理器的双相机直拉单晶直径检测装置

Info

Publication number: CN201154996Y
Application number: CNU2008200280587U
Authority: CN
Inventors: 刘丁; 任海鹏; 陈希
Original assignee: Xian University of Technology
Current assignee: Xian University of Technology
Priority date: 2008-01-08
Filing date: 2008-01-08
Publication date: 2008-11-26
Anticipated expiration: 2018-01-08

Abstract

本实用新型公开的一种基于数字信号处理器的双相机直拉单晶直径检测装置，包括核心处理器，核心处理器分别与视频输入电路、视频输出电路、程序存储器接口电路、动态存储器接口电路、以太网接口电路和串行通信接口电路连接，视频输入电路与两个标准工业模拟CCD相机连接，视频输出电路还与显示器连接，核心处理器采用TMS320DM642。本实用新型装置采用嵌入式核心处理器结构，可靠性高；采用双标准工业CCD分别处理不同阶段的直径，准确度高，成本低。

Description

基于数字信号处理器的双相机直拉单晶直径检测装置

技术领域

本实用新型属于图像检测技术领域，具体涉及一种基于数字信号处理器的双相机直拉单晶直径检测装置。

背景技术

硅单晶是半导体工业和太阳能产业的“粮食”，目前直拉法是制造硅单晶的主要方法。直拉单晶制造法(Czochralski，CZ法)是将多晶硅块放入石英坩埚中加热融化，并保持特定的高温和负压环境。将直径只有10mm的棒状晶种(称籽晶)浸入融液中，在合适的温度下，融液中的硅原子会顺着晶种的硅原子排列结构在固液交界面上形成规则的结晶，成为单晶体。在适当的条件下，将籽晶旋转提升，融液中的硅原子会在原来的基础上继续按照特定的原子排列结构生长，形成与籽晶原子排列结构对齐的硅单晶。若结晶速度加快，晶体直径会变粗，提高温度或增加提拉速度可以使晶体直径变细；反之亦然。拉晶开始的阶段，先引出直径为3-5mm具有一定长度的细颈，以消除结晶位错，这个阶段称为引细颈；引细颈结束后，通过控制使晶体直径平滑放大，直到大致达到要求直径，这个阶段称为放肩和转肩；之后，晶体需按照要求的直径等径生长，称为等径控制阶段，这个阶段是晶体生长的主要阶段；当坩埚内剩余的料达到一定量时，开始使直径平滑减小，直至单点离开液面，称为收尾阶段。

在整个晶体生长过程中都需要自动控制晶体直径的按要求变化，需要对直径进行检测。拉晶的过程中，由于液体结晶要释放热量，固态晶体与液态融液的交界处温度较周围温度高，亮度也较高，对坩埚壁的亮光产生更强的反射，会形成一个明亮的光环，称为光圈。光圈的变化能够反映直径的变化情况，通过检测光圈可以实现对晶体生长过程中直径的检测。

早期的自动直径检测是基于感光元件Ircon探头的直径变化量检测，在小直径单晶炉上得到广泛应用。但是Ircon系统只能得到直径的变化量，无法反映真实的直径是多少；随着拉制硅单晶直径的增大和具有热屏的热系统的使用，基于Ircon系统的直径检测已经无法使用。另一种是图像扫描直径检测(Scan Image Measure System)，采用一个机械反射镜和感光元件扫描预设扫描线上的光圈位置。这个系统中机械结构的磨损、机械扫描速度的不精确和晶体的晃动，尤其是引细径阶段会严重影响检测的效果。因此很快被采用相同原理的电子扫描系统CCD所取代，目前，采用CCD进行直拉单晶硅棒直径已经成为大直径单晶硅检测的主流技术。

采用CCD的直径检测技术又分为如下几种：采用变焦距普通CCD、采用不同焦距的双普通CCD、采用高分辨率的单摄像头。采用普通摄像头，分辨率在640*480左右，只需在主控计算机中插入一个图像处理卡，就可以完成基于图像的检测。如果等径生长为300mm，引颈与等径比为1-2/100，这样引细颈时的分辨率无法达到要求，因此，在设计时采用气动调节装置，改变焦距，实现引颈和等径阶段不同的分辨率。随着半导体工业的发展，CCD的价格大幅度下降，而作为高档光学产品的变焦镜头价格仍然居高不下，而且需要一套复杂的机械调整机构。采用不同焦距的两个普通CCD模拟相机取代了变焦单普通CCD模拟相机，使得整个成本和复杂性降低。所付出的代价是需要在计算机中多加一个图像处理卡，占用主机更多的资源。随着CCD分辨率的提高，使用高分辨率CCD数字相机可以使在相同焦距的情况下，引颈阶段的分辨率满足要求，使得结构设计更加简化。但高分辨率相机和其所匹配的图像处理卡，价格较高，仍然需要在主机中加一块图像处理卡或采用单独的计算机，占用主机的资源，整个系统的成本仍然很高。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种基于数字信号处理器的双相机直拉单晶直径检测装置，设计性能价格比高，可靠性高。

本实用新型采用的技术方案是，基于数字信号处理器的双相机直拉单晶直径检测装置，包括核心处理器，核心处理器分别与视频输入电路、视频输出电路、程序存储器接口电路、动态存储器接口电路、以太网接口电路和串行通信接口电路相连接，视频输入电路还与两个标准工业模拟CCD相机连接，视频输出电路与显示器连接，核心处理器采用TMS320DM642。

本实用新型的有益效果是，使用低成本的标准工业模拟双CCD相机和基于DSP的嵌入式系统，构成了晶体直径信息的采集、处理和传输系统，具有成本低、便于产品化批量生产的特点。

附图说明

图1是本实用新型检测装置一种实施例的结构示意图；

图2是本实用新型装置中视频输入接口示意图；

图3是本实用新型装置中视频输出接口示意图；

图4是本实用新型装置中动态存储器接口示意图；

图5是本实用新型装置中系统程序存储器接口示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。

本实用新型的检测装置，由核心处理器和分别与核心处理器相连接的视频输入电路、视频输出电路、程序存储器接口电路、动态存储器接口电路、以太网接口电路和串行通信接口电路组成，视频输入电路与两个标准工业模拟CCD相机连接，视频输出电路与显示器连接，核心处理器选用TMS320DM642。

图1是本实用新型提供的一种实施例。

核心处理器TMS320DM642是2002年TI宣布推出的针对网络视频终端的高性能处理器，广泛的运用于视频点播机顶盒、可视IP电话、数字视频监控等多媒体网络通信应用中。其特点是：1)核心处理器TMS320DM642基于TMS320C6000系列DSP中性能最高的定点DSP C64X内核。在600MHz的时钟频率下，核心处理器TMS320DM642的数字处理能力可以达到4800MIPS，每秒百万条指令。2)三个可配置的视频端口VP0、VP1和VP2。可提供与普通视频编、解码器的无缝接口。3)10/100Mbps以太网媒体存取控制器EMAC。控制器EMAC提供了核心处理器TMS320DM642与以太网收发器LXT971A间高效的接口，支持1OBASE-T和100BASE-TX的全双工或半双工数据传输。管理数据输入/输出MDIO模块。MDIO模块与EMAC模块配合使用，它通过N1D10总线与物理层器件连接，可轮询最多32个MD10地址，即管理32个器件。4)多通道音频串口McASP、I²C总线、两个多通道缓冲串口McBSP、三个32位的通用定时器。用户可编程的16位或32位主机接口HPI16/HPI32、66MHz 32位的外围部件互连接口PCI与32位宽的主机接口HPI复用。5)通用输入/输出共有16个GPIO端口。提供通用I/O支持。还可以触发CPU中断或EDMA事件。6)64位外部存储器接口EMIFA。可以与多种存储器如动态存储器SDRAM和闪烁存储器FLASH无缝连接。核心处理器TMS320DM642的强大处理能力和丰富的接口为整个系统的设计和功能的实现提供了保障。

整个系统需要高可靠性的供电，以保证系统正常工作。本系统共需四个不同的电压等级的电压源：+5V电源给外部接口电路供电；+3.3V电源为DSP和周边其他芯片供电；+1.4V电源为核心处理器TMS320DM642供电；+1.8V电源为视频编解码芯片供电。

整个系统板输入为+5V电源，由外部开关电源供电。在电路板的内部，+5V的电源经两片DC-DC变换芯片TPS54310分别产生+1.4V和+3.3V电压。视频编解码芯片需要的+1.8V电压由+3.3V电压通过DC-DC变换芯片TPS767318产生；由变换芯片TPS54310产生的+3.3V(系统+3.3V)电压需要给DSP和视频输入、输出模块之外的其他多个模块供电，为了保证个模块之间不互相干扰，对系统+3.3V经过LC滤波后产生本地+3.3V电压为各个模块供电。

本系统的地分为系统地、视频输入地、视频输出数字地、视频输出模拟地、音频模拟地和网络模拟地六个部分，从电源插座输入进来的是系统地。在PCB设计中，各地与系统地之间采用220欧姆、100MHz的磁珠在一点连接起来。

本实用新型的视频输入电路的连接如图2所示。

视频输入端将从摄像头采集的模拟信号通过编码芯片TVP5150转化为CIF(352x288)，YUV(4:2:2)，ITU-R BT.656格式，内嵌同步信号发送到核心处理器TMS320DM642的VP口。编码芯片TVP5150是一款超低功耗的解码芯片，正常操作时的功耗只有115mW，而且采用业界最小的32只接脚TQFP封装，使用方便，并且可以对PAL/NTSC/SECAM各制式自动识别、切换、置对应寄存器位。作为视频输入口时，视频数据的行/场同步又包含在BT.656数字视频数据流中的EAV和SAV时基信号控制，视频口只需视频采样时钟和采样使能信号，控制采样起始即可，编码芯片TVP5150用系统时钟SCLK提供采样时钟，用可编程输出引脚GPCL提供采样使能。该解码芯片不支持缩放，如果发现采集图像的大小和需要不符，可以截取屏幕的一部分传输，降低数据流量。具体操作是在对应的寄存器中选择视频流的起始行和结束行，控制图像的纵向长度。控制图像的水平宽度可以利用图像的AVID功能，选择单行的起始结束位。

核心处理器TMS320DM642对编码芯片TVP5150内部寄存器的访问通过I²C总线实现，核心处理器TMS320DM642和编码芯片TVP5150应答过程中需要从编码芯片TVP5150的地址：101110x1，其中x代表0/1，在系统上电时可以配置。编码芯片TVP5150在上电时会根据Yout7上的电位高低来决定x代表0还是1。这样编码芯片TVP5150作为从片的地址只有两个：10111001和10111011。

本实用新型的视频输出电路的电路的连接如图3所示。

视频输出部分使用的是Philips公司视频编码芯片SAA7121H，其支持PAL与NTSC格式的视频编码，输出支持BT.656格式的数字视频。视频编码芯片SAA7121H有1路复合视频CVBS和1路超级视频(S-Video，YIC)输出。其配置是通过标准的I²C总线来完成的。视频编码芯片SAA7121H的I²C总线只支持7位地址的格式，并只能作为从设备，支持寄存器的地址自动加一的功能。核心处理器TMS320DM642的VP口支持BT.656格式的数字视频流的显示功能，能与视频编码芯片SAA7121H的数据口进行无缝连接。

当VP0作为8-位的BT.656视频显示口时，视频编码芯片SAA7121H需要HSYVC(行同步信号)，VSYNC(场同步信号)，LLC(27MHz的行锁存信号)。这三个信号分别由VP0的VP0 CLK1，VP0CTL0，VP0CTL1提供。

本实用新型的动态存储器接口电路的连接关系如图4所示。

核心处理器TMS320DM642程序执行过程中，代码和数据存储在动态存储器SDRAM中，对应核心处理器TMS320DM642上CE0映射的地址空间。动态存储器SDRAM使用两片MT148LC4M32B2，MT148LC4M32B2是32位数据总线的同步动态RAM，两块绑定使用DSP方面来的信号，高32位存储在一片RAM中，低32位存储在另一位RAM中，满足核心处理器TMS320DM642的64位数据总线要求。由于动态存储器SDRAM最高频率为133MHz，为整个硬件系统片外工作频率最高的地方，在PCB布线时需要特别注意，如串接电阻降低高速电信号反射的影响，以及保证同一组数据同步到达。信号在顶层、底层与信号中间层的传输阻抗和传输速率都不一样，在布线过程中应尽量将接到同一器件的信号线拉到同一层上，并使导线等长。在设计中，EMIFA的时钟输入引脚ECLKIN外接时钟倍频锁相环芯片ICS512，倍频锁相环芯片ICS512将输入的25MHz晶振时钟按照配置引脚SO-S1的状态，通过上拉电阻置为高电平或通过下拉电阻置为低电平倍频至EMIFA所需要的时钟频率。在系统目前的配置中，我们选择EMIFA时钟源为1/6 CPU时钟，动态存储器SDRAM总线时钟为100MHz，EMIFA对时钟源的选择是通过设置与地址线EA19-EA20功能复用的引脚ECLKINSELO-ECLKINSEL 1在系统复位时的状态，高电平或低电平实现的。

本实用新型的网络传输接口电路主要由核心处理器TMS320DM642的以太网媒体存取控制器EMAC、以太网收发器LXT971A等构成。核心处理器TMS320DM642的存取控制器EMAC负责以太网数据帧收发，提供标准的MII接口，可与外置以太网收发器LXT971A直接相连。MDIO模块负责对以太网收发器LXT971A进行配置以及读取其工作状态。核心处理器TMS320DM642通过I2C模块与24WC256 EEPROM相连，该存储器用于存储IP地址、MAC地址及一些相关配置参数。以太网收发器LXT971A可在外部连接25MHz有源时钟，以提供高达100Mb/s的网络传输速率。在此基础上，以太网收发器LXT971A还负责提供EMAC部分的接收时钟MRCLK和发送时钟MTCLK。在LXT971A与RJ-45之间连接了一个隔离变压器S558-5999-T77，其主要作用是将外部线路与以太网收发器LXT971A隔离，防止信号干扰及外部冲击窜入烧坏元器件，从而实现带电插拔功能。

除DSP/BIOS操作系统外，TI还为其C6000系列DSP提供了TCP/IP协议栈。作为C6000中的一员，核心处理器TMS320DM642甚至还将MAC层集成在片上，且由TI提供驱动程序。因此，用户不需要再自行编写网络MAC层的驱动，从而大大简化设计，为用户快速开发网络应用提供了方便。

本实用新型的串口通信接口电路由核心处理器TMS320DM642上的MCBSP完成同步通讯，系统为了支持异步通讯，采用UART芯片TL16C550将并行数据转化为串行数据，以及外围串行输入转并行输入，TL16C550连接到核心处理器TMS320DM642上的EMIF上，最后要通过一块电平转换芯片MAX3243，转化为RS232标准格式，和外部设备相连。

本实用新型的系统程序存储器接口连接关系如图5所示。

系统的代码固化在闪烁存储器FLASH中，采用一片8M字节8Bit的AM29LV640MT，对应CE1映射的地址空间。8M地址空间需要占用23根地址线，但是核心处理器TMS320DM642只能提供20根地址线，1M地址范围，所以将闪烁存储器FLASH分为8页，每页1MBYTE，闪烁存储器FLASH上的高位地址用来分页地址选择，连接核心处理器TMS320DM642上空闲的GPIO口，通过电平的高低完成上面的功能。核心处理器TMS320DM642对闪烁存储器FLASH的访问为二级引导，在上电之后核心处理器TMS320DM642自动从CE1对应的地址空间闪烁存储器FLASH拷贝1K代码执行。可以在1K代码写入对闪烁存储器FLASH的访问控制程序，包括高位的分页控制，并闪烁存储器将FLASH中的代码分块COPY到动态存储器SDRAM的相应执行区域。对闪烁存储器FLASH、ROM现场擦除和编程时，VPP引脚必须接3.3V，平时为了保护数据，VPP接低电平。

Claims

1、基于数字信号处理器的双相机直拉单晶直径检测装置，其特征在于，包括核心处理器，所述的核心处理器分别与视频输入电路、视频输出电路、程序存储器接口电路、动态存储器接口电路、以太网接口电路和串行通信接口电路相连接，所述的视频输入电路还与两个标准工业模拟CCD相机连接，所述的视频输出电路与显示器连接，所述的核心处理器采用TMS320DM642。

2、根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述的视频输入电路采用视频编码芯片TVP5150。

3、根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述的视频输出电路采用视频编码芯片SAA7121H。

4、根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述的动态存储器接口电路动态存储器SDRAM使用两片MT148LC4M32B2。