微电子封装设备数据采集技术

微电子封装设备数据采集技术

贺先要

长沙韶光半导体有限公司   湖南省长沙市   410100

摘　要：微电子封装是集成电路最终电气、光学、热学和力学性能的重要环节。该环节既是集成电路芯片内部接合点与外界的电连接，又为 IC芯片提供了一个稳定、可靠的工作环境。作为高速、高精度、光机电一体化的精密电子工艺生产设备，微电子封装的核心设备包括设备运行状态信息、工艺参数信息、故障信息、维护信息、数据采集、数据压缩、数据传输的稳定性。由于资料量大，资料的处理与分析也变得困难。同时，由于维修方式多为常规检修或事后检修，维护难度大、费用高，且设备厂商不能实时获得用户现场的大量工作状况等信息，难以及时为用户提供有效的运维服务，也不能及时对产品的设计和升级进行优化。微电子封装设备是一种高精密、高精密的电子工艺设备，其生产过程中会产生大量的数据，而数据的采集是实现设备智能化的前提。当前，尚不能获得现场设备使用者的实时资料。本文着重介绍了智能设备数据感知技术、传输网络设计技术、数据管理及应用技术，并给出了一种切实可行的数据采集系统。利用先进的数据采集、数据处理与挖掘技术，使仪器的采集量和质量都得到了极大的改善。

关键词：微电子封装设备；运行数据；智能感知；数据采集

1设备数据智能感知

1.1设备数据智能感知系统架构

智能数据采集、编码、输出设备的物理状态信息，并能对关键参数的正确判断，从而达到对现场设备的监测。

图1 现场数据采集系统架构图

系统由专用现场数据采集终端完成，现场数据采集终端是连接工业现场与网络的关键器件，采集终端采用多单片机+FPGA（FieldProgrammableGateArray）混编形式实现工业现场数据采集，单片机负责整个系统的管理和数据的预处理，FPGA实现多通道数据的并行采集，保证信号的时统特性。

该系统包括：传感器输入接口、现场应急控制接口、设备控制接口、现场报警接口、数据接入接口。在此过程中，外部传感器的数据端口可用于采集现场的物理量，而现场的紧急控制界面则是对具有高优先权的数据参数进行现场控制，这一部分是由判定系统来实现的，在这些数据超出了预定的阈值范围时，能够迅速作出响应，以便对现场的设备进行迅速的调节，并通过现场报警界面向设备管理员通报。设备控制界面主要是为了输出来自网络的下行链路控制信号，便于管理者在现场发布和加载数据。无线数据接口主要是为了收集和传送无线数据，并使数据进入网络。

1.2数据智能感知系统工作流程

本系统完成后，可以将通讯链接探测信号传送给远程服务器控制终端，并等待接收来自远程服务器控制终端的响应信号。如果没有，那就再发一次，如果能收到，就说明你的数据连接是正常的。在接收到响应信号后，该数据采集终端与该装置进行通讯，并通过RS485、工业以太网等装置进行通讯，读取该装置的状况，如果出现了故障，将该故障信息上传到该远程服务器的控制终端，并通知现场的工作人员进行检查。在设备连接正确的情况下，数据采集终端将配置参数命令发送给远程服务器控制终端，由远程服务器控制终端接收到请求，配置数据采集终端的参数，远程服务器控制终端可以独立地设置一个数据采集终端的参数，或者可以设置多个数据采集终端的参数。在参数设置完毕后，采集终端进行了数据的采集和在线实时的分析。如果出现异常，就会触发现场警报，并将错误码和资料上载。当出现报警信号时，要立即对所述设备进行检查，并向所述远程服务器的控制终端报告。通过对系统的故障信息和现场工作人员的观察，远程服务器的控制终端进行相应的处理，并对数据采集终端进行参数的调整。在数据正常的情况下，数据采集终端会对数据进行编码、存储，并定时向远程服务器进行数据传输。

图2 数据采集终端的工作流程图

1.3智能感知系统数据编码方式

在智能感知系统获得数据之后，为了确保服务器端对数据进行高效的解释，必须设计出相应的编码/译码协议。由于工业领域的大量数据，以及不同的设备之间的参数数目、参数类型之间的不一致性，使得多个设备不能共享一个代码。因此，在网络服务器端，根据设备识别特性，通过现场译码的方法，对特定的数据进行分析。现场采集终端的编码功能只要求确保数据的安全传输，而在网络服务器端，则要依据特定的设备类型和识别特性来实现。在接收到数据之后，通过预存的分析 LUT (LookupTable)，解决了由于设备、参数等原因导致的编码不一致，并确保了在传输过程中数据的安全性。对数据采集终端的采集传感器信息进行码表设计（见表1），保证设备物理状态信息的有效传输。

Preamble：数据包的包头，暂定数据包包头0XFF00，占用两个字节。ID1：表示车间编号，使用一个字节表示，编号从0到255，占用一个字节。ID2：表示数据采集系统编号，使用两个字节表示，编号从0到65535，占用两个字节。Type：表示发送的数据类型，“00001111”表示发送故障信息，“11110000”表示发送数据，占用一个字节。Count：表示数据data的长度，data长度最大256字节，占用一个字节。Data：表示发送内容，最大256字节。CRC：循环冗余校验，采用16位的CRC校验。END：数据包结束标志位，使用0X00FF作为结束标志位。

2设备数据传输网络

2.1设备数据传输网络方式分析

目前，无线通信系统的组网模式有两种：无线组网模式和有线组网模式。无线组网可以分为长程通讯和长程低功率通讯（LPWAN）两种。对于 ZigBee、 Bluetooth、 WIFI等短程通讯技术，只适合小型无线终端网络的组网，而 LoRa等低功率广域网（LPWAN)，例如NB-IoT和 LoRa，适合大规模远程无线接入网。在有线组网技术中，设备间的连接是由诸如线路载波或载频、同轴线、开关信号线、RS232、RS485、 USB接口等的物理线路，不能满足大规模的物联网网络需要。近年来， LoRa （LoRa）等低功率无线局域网（LPWAN）技术（LoRa）技术，具有更好的适应现代物联网需要的特性，是当前最具发展潜力的低功率广域网技术。NB-IoT明显的优势是可以通过升级现有的网络设施来提供网络部署，但是这种升级仅限于某些特定的4G/LTE基站，并且花费较高，WIFI、NB-IoT和LoRa网络性能对比分析见表2。

表2WIFI、NB-IoT和LoRa对比分析

考虑到微电子封装设备的生产场地特性，设备高度密集，终端接入的数据以物理状态为主，数据量少，就地取电容易，故建议采用 LoRa技术。每一个工业场地都由多个装置组成，这些装置的物理信息是由一个数据采集终端获得的，然后经过 LoRa通讯模块汇集到一个网关，该网关由内部网或公共网（3 G、4 G或互联网）以及一个网络服务器向数据采集中心传送。

2.2设备数据接入网络设计

装置数据接入网络由接入模式（光纤接入、无线接入、以太网接入）、接入格式（二进制与文字）以及接入协议（TCP/IP及 HTTP）。一方面，保证了多种访问终端的数据上传，保证了网络下行链路的可靠性；另一方面，保证了资料的正确解读与运用。设备数据访问模式的应用有两个方面：

1)现场数据采集终端的数据访问，即：实时上传工业现场的数据，并通过网络平台下载现场设备的终端指示和参数；

2)考虑到使用者使用的是手持式或终端机，也就是通过使用者的接入网查询、操作和数据上载。充分考虑系统数据类型的多样化，可将该系统的数据类型分为二进制数据、文本数据和大信息流数据三类，其分类及代表性数据如图3所示。

图3 系统涉及数据类型分类

为了支持更多的设备终端接入平台，本文提出了一种基于数据类型的数据组织方式、协议类型和存取方式。在 Socket通讯中，为了保证数据的精确和高效率，使用了二进制的数据传送格式，并使用了多种数据的组织方法。文字传送格式具有很好的易读性，但是由于包含了标记等冗余信息，因此其传输效率相对于二进制传送格式来说要低，而且在存储时也会占用相当大的空间。二元格式是一个简单的字节，它具有很少的信息量和更高效的传输，但是它的易读性和编码的方便程度却是比较低的。这样，二值数据通讯方法可以用于短程通讯和实时需求较高的装置之间。而在传输过程中，为了确保传输的安全，必须对数据进行加密，采用文字传送。

2.3设备数据传输网设计

设备数据传输网由公网、专网或公网/专网结合的方式实现，主要考虑数据传输效率与传输安全等因素，传输网络设计主要考虑以下几个关键问题：

1）设计传输网的过程中，充分考虑智能网关在处理智能感知层上传数据和应用层下达命令过程中的实时性要求。

2）针对网络层需要处理大量网络连接请求的情况，设计的远端服务器应具有并发处理功能，具备处理多网关和多手机客户端并发连接请求的功能。

3）在实现网络层并发功能的基础上，同时需要进一步研究网络层远端服务器进程之间的相互配合与协调的问题，应避免服务器在多个进程并发过程中出现锁死、资源抢占和阻塞等待等现象的发生。

4）在多网关多方式的连接过程中，保证应用安全，数据安全，做好网络安全防护，感知设备物理安全。基于上述关键问题及功能要求，数据传输网拟采用端口多路复用、进程管道、IP/DNS分流、信号量同步、网络四层分流、链路层加密验证、身份认证和双向链路验证等多种关键技术手段，见表3。

表3 传输网设计过程中采用的技术手段及解决的关键问题对照表

同时针对网络终端的攻击与数据的保护做特殊的构架设计：构建本网络与互联网、移动网相融合的网络安全体系构架，建立全面的物联网网络安全接入与应用访问控制机制。

3设备数据管理与应用

3.1设备数据管理

设备数据管理在整个数据采集系统中处于最高级层面，主要完成数据管理、用户交互和扩展应用接口的智能化管理等。为了保证系统在大数据量下存储的稳定性和实时性，系统使用四层数据架构设计，如图4所示。

图4 四层数据架构

数据结构包括数据访问，计算，存储，交换和管理.数据访问服务，数据存储服务，数据计算服务，数据计算服务，监控报警服务，平台管理服务，数据交换服务。

1）数据接入：在进行数据访问时，采用无线或有线的方法将数据传输至平台端，平台端采用软负荷平衡或硬负荷平衡，将数据平均加载至可横向扩展的各网关。网关在收到数据并进行解包处理后，将其传输到消息中间件，从而解决了“井喷流量”和短时间内无法利用的问题。

2）数据存储：使用MySQL引擎，该引擎非常适合于非结构化数据的存储，支持数据的备份、恢复和迁移，在系统中主要用于存储原始数据和需要进行离线分析的数据。

3）数据处理：包括实时计算和离线计算两种。实时计算服务主要实现对物联网数据的清洗、解析和报警等实时的处理，离线主要用于对系统数据做日/周/月/年等多个时间维度做报表分析和数据挖掘，并将结果输出到关系数据库中。

4）数据交换接口：数据交换接口主要是为了简化应用层与平台层之间的数据访问而抽象了一层访问接口。该接口主要包括：物联网终端的当前状态，物联网终端的历史状态/轨迹，指令下发以及数据订阅与发布等。为满足大容量终端设备数据的接入、传输和管理，在数据管理设计环节重点关注两个问题。

1）数据量：大数据的数量包括了数据的总数量和数据的生成速率。随着系统结构的日益复杂，传感器的数量、采集的频率、收集的时间、收集的时间都在增加，所以所需要的数据量很大（动辄上百亿、上千亿）。2）实时性：传感器时序数据很多时候用于异常预警和趋势预测等目的，要求能根据数据立刻做出反应。因此数据必须能实时查询，实时分析。

3.2设备数据应用

数据收集是装备智能化发展的基础，其执行的成效主要依赖于收集到的数据量和质量，通过对制造业企业的知识进行充分的挖掘和利用。第一，设备状态监控，关键部件监控，故障报警，维修监控，设备性能监控。2)利用大量的资料，对设备未来可能发生的问题进行预测，以达到对设备的可预见性维修，从而防止因设备停机而影响整个生产线的运行。3)利用机器的自学习能力，实现对环境的实时分析、自动判断、动态调节和优化，实现高效、高效、高效、无忧的智能制造。总之，由于传感器技术、网络技术的飞速发展，以及成本的急剧降低，使设备的数据能够进行实时的采集，大量的设备运行、生产制造的海量数据，为智能制造提供了无穷无尽的优质数据。

4结论

微电子封装装置的数据采集系统包括感知层、网络层和应用层，感知层主要负责采集、编码和输出设备的物理状态信息，并能对关键参数的正确判断，从而达到对现场设备的监测。网络层是对现场数据的接收、管理、数据的网络化管理，并利用无线/有线链路进行数据的上传、接收和存储。应用层的主要功能是对数据进行管理与应用，以满足现场的基本监测功能和必要的人机交互，以及基于现场数据建模、工艺参数更新、现场智能化管理等扩展功能。微电子封装装置的数据采集系统，不仅要进行大量的实时数据传送，而且还需要对数据的压缩、编码、通道的传送、海量的数据的接收和存储，以及数据的稳定并行。所以，该系统必须具备：1）具有较好的远程安全通讯性能。在此基础上，设备应确保远程状态信息的稳定和对数据的保密，确保生产流程的安全性。2)具有很好的实时性。设备生产节拍快速、设备之间的连通性、系统的动态参数变化频繁、快速，因此对实时控制系统的实时性有较高的要求。3)具有较高的可靠性。采集到的数据和相关的监测指令对于确保仪器的正常工作和后期的数据分析有很大的作用，这就需要高可靠性的工作。

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