設計了一種基于單片機和復雜可編程邏輯器件(CPLD)的無線膜厚監測系統。闡述了其功能、結構、硬件、軟件等原理及其實現。系統采用PIC18F2550單片機和Altera EPM7064SCPLD 實現多周期同步法測量頻率，采用nRF24L01無線數據傳輸模塊實現遠距離膜厚監測功能。該系統克服了傳統有線連接的局限性，并具有低成本，小型化等優點。

　　在工業生產和科學研究中，薄膜制備已成為一道基礎并且關鍵的步驟。在薄膜制備過程中，對薄膜厚度的監測顯得尤為重要。監控薄膜厚度的方法主要有電阻法，稱重法，石英晶體振蕩法和光電極值法及其改進，雙色法，波長掃描法，電子模擬微分法，單色定值比較法，雙色四光路控制法，電離感測器法等。這其中以石英晶體振蕩法應用最為廣泛。

　　石英晶體微天平(quartz crystal microbalance, QCM)作為微量稱量工具，可以測出10^-6-10^-9克的質量。它具有體積小、靈敏度高、快速、簡便等特點，已廣泛用于化學、材料、生物、醫學、環境監測等領域。石英晶體微天平是基于石英晶體的壓電效應對其電極表面的附著質量進行測量的儀器。它的基本工作原理為：石英晶振表面所負著質量的改變引起石英晶振振動頻率變化。振動頻率隨負著質量的改變滿足Sauerbrey方程：

　　式中Δf是石英晶振振動頻率的改變，Δm是石英晶振表面的質量改變值，f0是石英晶振的基頻，μq是石英晶體的彈性模量，ρq是石英晶體的密度，A是石英晶體具有壓電活性的表面積。

　　方程中的負號表明樣品質量增加引起石英諧振器頻率的降低。通常QCM使用的石英晶振基頻在6 MHz左右，由(1)式可知，微小的質量變化即能引起頻率有較大變化。因此QCM方法是一種極為靈敏的檢測手段。

　　目前，石英晶振膜厚監測儀已經廣泛用于真空熱蒸發薄膜制備過程中的膜厚監測。傳統的石英晶體膜厚控制儀，晶振探頭置于真空腔體中，其頻率信號通過數據線傳于膜厚控制儀或電腦主機。但是，在某些特定的工業生產場所或科研場所，由于真空腔體與膜厚控制儀距離太遠等原因，不便用導線將探頭與膜厚控制儀連接起來。因此，本文設計一種無線膜厚監測系統。晶振探頭的頻率信號通過射頻傳輸到膜厚控制儀或主機。

1. 系統組成

　　膜厚監測儀的核心是石英晶振頻率計。本系統采用多周期同步法進行頻率測量。多周期同步法測頻技術的實際閘門時間是被測信號的整周期倍, 而不是固定的值, 即閘門時間與被測信號同步, 因此消除了對被測信號計數時產生的出±1 個字誤差, 測量精度大大提高,而且達到了在整個測量頻段的等精度側量。

圖1 系統框圖

　　系統框圖如圖1 所示。系統主要由數據采集發送部分（下位機）和數據接收部分(上位機)組成。上位機中，皮爾斯振蕩電路驅動石英晶振產生脈沖方波。此脈沖與溫補晶振(TCXO)產生的標準脈沖同時輸入到CPLD 進行計數。單片機讀取CPLD 中的計數值，計算出待測信號的頻率值，再將頻率值送入無線發射模塊。上位機中的單片機讀取無線接收模塊收到的該頻率值，通過USB 總線發送到計算機。

2. 硬件設計

2.1 振蕩電路

　　振蕩電路的選取對石英晶振頻率的穩定度至關重要。常見的石英晶體振蕩電路有皮爾斯振蕩電路，考畢茲振蕩電路，克拉普振蕩電路[3]。綜合系統復雜度和頻率穩定度考慮，本系統采用皮爾斯振蕩電路。該電路能在2-20MHz 內能穩定工作。

圖2 皮爾斯振蕩電路

2.2 復雜可編程邏輯器件

　　本系統設計的理論測量精度為0.1ppm。被測信號為6MHz 的脈沖，而標準信號為60MHz的脈沖。因此采用復雜可編程邏輯器件(CPLD)對兩路脈沖同時計數。系統采用一片AlteraEPM7064S，設計成兩路16 位高速計數器。其最大內部全局時鐘頻率達175.4MHz，滿足高速計數的要求。計數閘門由單片機提供。