摘 要：数字化气体质量流量计采用RS485通讯方式与主控制器连接；流量计的各项功能设置以及检测用数字化的方式完成。相对于模拟接口的质量流量计而言，采用具有数字化接口的流量计组织一个应用网络更为方便，控制更为可靠。本文以HKTMF系列数字质量流量计为例，介绍了有关的通讯协议以及在半导体材料生长中的应用。

关键字：数字化气体质量流量计 RS485 控制

    0 引言

    气体质量流量计可以精确计量和控制气体的流量大小，广泛地应用于需要进行精确组分设计的材料生长领域。其工作原理是：控制比例电磁阀的开启状态达到控制气体流量的目的；通过毛细管传感器，将流量信号转变为电压信号，反映真实的流量大小[1]。

    常用的气体质量流量计，以手动调节的方式改变模拟电位器的分压，从而设置气体流量大小；毛细管传感器的电压信号，经过比例放大电路，输出0~5V的电压反映实际流量大小。该类型的气体质量流量计，一般还具有模拟信号接口，通过控制器给定0~5V的电压信号（或4~20mA）来设置流量；通过读取0~5V（或4~20mA）的输出信号，反映当前的流量状况[2]。如果要用计算机对其进行程序控制，必须外加DA/AD转换模块，将模拟信号与数字信号相互转化，才能接入计算机控制系统，构成一个控制网络。

    而数字化气体质量流量计，含有微处理器，在内部集成有（DA+AD）转换模块，具有RS232接口或RS485通讯接口，对流量的设置和流量的检测，以数字化形式通过RS232接口或RS485接口完成，因此计算机等控制器对数字化接口，还可以对气体质量流量计进行更加广泛的功能设置。

图1 模拟接口的质量流量计组网示意图

图2 数字接口的质量流量计组网示意图

    RS-485标准允许在平衡电缆上连接多至32个发送器/接收器，特别适合工业控制领域进行分布管理、联网检测控制，得到广泛应用。因此具有RS485接口的质量数字化质量流量计的控制相对更为方便可靠。另外，通过流量计对应用系统来说更为方便可靠。下面以HKTMF系列气体质量流量为例，介绍有关通讯协议的格式以及流量计在材料生长中的使用。

    1 数字化质量流量计通讯协议

    HKTMF系列气体质量流量计除了具有传统的0~5V或4~20mA模拟控制引线外，还具有RS-485数字通讯接口。信号从流量计的DB15连接器中引出/引出。其中14针、15针引出RS485信号（B）、（A）[6]。

    RS-485标准是一种多发送器的电路标准，允许在双导线上有多个发送器，也允许一个发送器驱动多个负载。但RS485仅能工作在半双工方式，即任一时刻只允许一个发送器发送数据，而其他组件只能处于接收状态[3]。

    Brooks数字化质量流量计的485通讯协议是以HART为基础的。

    1.1 HART消息的结构[7]

    HART是一种“主/从”通讯协议，即每次通讯“主控制器”发出请求，然后被选中的“从器件”进行应答。

    HART消息结构如图3所示，由引导符、起始符、地址、命令、字节数、状态字、数据域、校验码等几部分构成。HART这种格式既可以用于请求又可以用于应答。HART消息以字节为单位进行编码，串行发送。

图3 HART消息结构

    1.2 HART消息中的各部分说明

    引导符：FFH（16进制数）。

    由于转换器延时，请求时最少5个字节才可靠，应答时最少2个字节。

    起始符：1个字节。字节的第7位指示地址的格式（长格地址或短格地址），字节的低3位指示消息来源（主控或从器件）。详见表1说明。

    

    地址：用于指定或识别应用网络上的质量流量计（从器件）。起始符的第7位决定了地址格式的不同，占用1个或5个字节。

    短格地址，只占用1个字节。短格地址必须用专用服务软件对485网络中的流量计进行设置，而且在某些方面的应用受到限制，因此下面不做详细介绍。

    长格地址，占用5个字节，5个字节的含意：字节0，指明主控等信息；字节1，指明“器件类型”；后3个字节24位，是器件的唯一标识符。长地址格式如图4。

    如果消息中的地址为8000000000，表明“主控制器”向网内“从器件”广播，或表明网内对应的“从器件”对“主控制器”广播的回应。

图4 长格地址的格式说明

命令：1个字节。指明从器件的动作。

    命令分为三种类型，即通用命令，编码范围0~19；共用命令，编码范围32~127；特别命令，编码范围128~250；251~255保留。字节计数：1个字节。

    指明该消息中，状态说明2字节和“数据域”的字节数之和。“数据域”的字节数根据消息类型和命令编号的不同而不同。

    状态：2个字节，在应答信息中才有。给出通讯错误、命令错误等信息。

    数据域：依据不同的命令，数据域可0~24个字节。

    数据类型有：8位无符号整形数；24位无符号整形数；

    基于IEEE754的4字节单精度浮点数；（在本文2.3中有说明）

    ASCII码；

    压缩的ASCII码；（压缩方法见2.4）

    校验码：1个字节。

    对消息中从起始字节开始到本字节之前的所有的字节进行“异或”操作，“异或”结果即为校验码。

    1.3 流量数据的表达

    HART消息中，在流量设置、检测以及相关应答的格式里，流量数据采用4字节的IEEE754的单精度浮点数表示[8]。流量的单位采用一个字节编码。IEEE754的格式如下：

    S-尾数符号，字节0的第7位，1表示负，0表示正。

    E-指数，跨字节0和字节1。

    M-尾数的小数部分，23位。

    所表示的数值：

    Value=S（1.M）´2^（E127）

    例如：

    42AA0000表示的数值为85

    BE9E89B8表示的数值为-0.31

    43D48000表示的数值为425

    在表示流量数据的4个字节之前，用一个字节的16进制数表示流量的单位，例如“39”表示“百分比”，“AB”表示“毫升/分”等（详见3.2，3.3）。它们共同构成HART消息的数据部分。

    1.4 压缩的ASCII码

    标准的ASCII码占用一个字节长度8位，而压缩的ASCII码去掉字节中的第6、第7两位，仅用后面的6位数据。因此字符串采用压缩的ASCII码更为节省长度空间。在查询应用网络中数字化质量流量计的地址时，要用到压缩的ASCII码。举例如下：

    例如器件标识名（TagName）为

    49506001；

    这8个字符的标准ASCII码（16进制）：34，39，35，30，36，30，30，31；

    对应的2进制格式：00110100，00111001，00110101，00110000，00110110，00110000，00110000，00110001；

    将每个ASCII码的6、7两位去掉形成：110100，111001，110101，110000，110110，110000，110000，110001；

    重新组合成：11010011，10011101，01110000，11011011，00001100，00110001；

    得到压缩的ASCII码（6字节，16进制）D39D70DB0C31

    1.5 HART消息的传送

    HART消息以字节为单位进行编码，串行发送/接收。一般的计算机只用RS232接口，只有通过RS232RS485的转接器，才能连接到具有485接口的数字质量流量计[4]。

    质量流量计的默认波特率19200，1个起始位，8个数据位，奇校验，1个停止位。波特率可用专用软件修改。

    2 数字流量计的流量检测和设置[7]

    BROOKS数字质量流量计，长格地址采用5个字节表示（见前HART消息说明）。

    得到应用网络中质量流量计的长格地址后，就可以通过数字通讯方式，对网络中指定的器件进行控制操作和功能设置，从而构成一个以计算机为主控单元，以流量计为“从器件”的应用网络。

    2.1 获取应用网络中流量计的长格地址

    实现设置和控制的第一步是获取网络中流量计的地址。

    BROOKS数字质量流量计，出厂时一般没有直接提供器件地址，只有器件的标识名（TagName）印刷在从器件（质量流量计）的标签上。通过标识名（TagName）可以得到对应器件的长格地址。步骤如下：

    （1）从流量计的标签上得到该流量计的标识名（TagName）

    （2）将标识名（TagName）转换为压缩的ASCII码形式。

    （3）主控制器执行命令#11，对应用网络进行广播，符合的器件进行应答。

    （4）从应答信息中，得到从器件对应的唯一标识码，形成长格地址。

    举例如下：

    应用网络中的一个质量流量计标签上的TagName：49506001

    得到压缩的ASCII码（6字节，16进制）D39D70DB0C31

    主控制器向网内广播，执行命令#11（0B），发送的消息格式：FFFFFFFFFF8280000000000B06D39D70DB0C31D7，消息中的各部分说明如图5：

图5 主控制器向网内广播以获取器件地址

    对应的“从器件”对主控制器的应答：

    FFFFFFFFFF8680000000000B0E0000FE0A320505010101014B8A494D

    应答消息中的各部分说明如图6：

图6 “从器件”对主控制器的应答以及该器件长格地址的合成

    在应答信息中，由1个产品码字节、1个器件类型字节、3个的器件标识码字节合成为器件（质量流量计）的唯一长格地址码：8A324B8A49，合成方法见图6。

    2.2 流量检测命令（#1）

图8 流量设置请求和应答

    请求消息中的设置流量为85，单位码39表示百分比，即设置的流量为满量程的85%；应答消息返回的流量单位码AB代表“毫升/分”，流量为425，即所设置85%的流量为425毫升/分。

    2.4 其他功能设置

    通过指定控制网络中流量计的地址，主控制器还可以对数字质量流量计的其他功能进行设置，常用的有：流量的单位变换（#196）、超限报警（#248）、模拟控制与数字控制方式切换（#216）等。

    3 数字流量计的应用实例

    在半导体材料外延生长领域，所关心的是每一时刻参与反应的气体组分及其配比，能够及时调整气体流量并对其实时监测，因此需要用到多个质量流量计。如果采用具有RS485接口的数字化的质量流量计，就可以方便地构成材料生长的气路控制网络。

    图9显示了一个半导体材料外延生长的气路布局简图，生长用到的4种气源，用4个流量计MFC1~MFC4分别加以控制。

图9 外延生长的气路布局简图

    3.1 气路控制网络的构成

    图9中的4个质量流量计按图2方式与计算机连接，构成一个以RS485进行通讯的主/从网络结构，主控器件主导通讯过程。其中主控制器为计算机，从器件为4个流量计。系统中采用有源RS232RS485转换器，平衡电缆的两端并联120Ω吸收电阻。

    计算机与流量计通讯波特率19200，1个起始位，8个数据位，奇校验，1个停止位。

    按节3.1的方法，由标识名得到应用网络中的各个流量计的长格地址，见表3。

    得到器件的长格地址后，计算机就可以向指定的流量计发出设置流量或流量检测的命令。对应流量计应答并动作或返回当前实际流量。对流量计的设置和检测，可以“单步”进行，也可以根据材料生长要求，采用程序“多步”控制。

    3.2 生长过程中的气路控制流程

    外延半导体材料的多层结构，要求不同时刻参与反应的气体组分和配比不同，因此在生长过程中必须能够按设计要求调整气体流量。采用预设“生长数据文件”的方法，为在生长过程中改变气体流量提供了依据。

    程序执行时，计算机对网络中的所有流量计进行定时查询，并与预设的“生长数据文件”比较，动态调整流量。流量的设置和检测构成的闭环控制，确保材料生长过程的可靠性和重复性。

    根据材料结构设计，预设的“生长数据文件”的格式：

    时刻1，MFC1流量，…，MFCn流量

    ……

    时刻x，MFC1流量，…，MFCn流量

    程序依照“生长数据文件”执行，控制流程图见图10。

图10 生长程序控制流程

    3.3 材料生长的气路控制效果

    按图9方式构成的半导体材料生长的气路系统，已成功建立，并采用数字流量控制方法在Si片上进行了多层膜的外延生长试验。基于RS485通讯的数字流量计可以在1秒内对设置的流量做出反应，检测到的流量和设置的流量在偏差范围以内；流量计在工作过程中基本不受外界干扰；控制效果良好。

    4 结论

    相对于只有模拟接口的流量计，具有RS485接口的数字化质量流量计，配置一个应用系统在控制方面更有优势，硬件的组织更为清晰，可靠性更高，使用起来更为方便。

    在组分需严格控制，精度要求越来越高、结构越发复杂的情况下，材料生长过程必须由计算机控制，而数字化质量流量计具有的先天特性，使之能更好地与计算机控制系统衔接。

    数字化质量流量计的应用，必须严格遵循定义的通讯协议。在充分了解和掌握该协议的基础上，才能加以灵活合理的使用，满足应用要求。