【摘要】：針對(duì)原子力顯微鏡難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)快速、高精度、大范圍掃描成像的不足,逐漸出現(xiàn)了帶兩級(jí)掃描器的原子力顯微鏡。基于自行研制的大范圍快速原子力顯微鏡(含兩級(jí)掃描器),為其設(shè)計(jì)了一種以DSP_FPGA為核心的高速高精度控制系統(tǒng)。包括DSP和FPGA間數(shù)據(jù)傳輸模式和相互配置等關(guān)鍵技術(shù)的設(shè)計(jì),然后嵌入PI控制器,最后用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了控制系統(tǒng)的有效性。
【圖文】：

成像［1］。Ando用快速AFM實(shí)現(xiàn)了對(duì)ATP的動(dòng)態(tài)掃描［2］。然而，雖然原子力顯微鏡的掃描速度很快，但是掃描范圍卻限制在很小的范圍內(nèi)，抑制了AFM的進(jìn)一步應(yīng)用。為此，研究人員在普通AFM上進(jìn)行改進(jìn)形成了雙掃描器［3－5］，以期實(shí)現(xiàn)大范圍快速的掃描成像。然而，受原子力顯微鏡控制系統(tǒng)帶寬等的限制，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示這些掃描器并不能實(shí)現(xiàn)無(wú)損式的掃描成像。因此，為大范圍原子力顯微鏡設(shè)計(jì)一個(gè)高速高精度的控制系統(tǒng)則顯得尤為重要。對(duì)普通原子力顯微鏡進(jìn)行改進(jìn)，形成的包含兩級(jí)掃描器的大范圍快速原子力顯微鏡如圖1所示［6］。下掃描臺(tái)帶動(dòng)樣品進(jìn)行X、Y、Z方向大范圍慢速運(yùn)動(dòng);上掃描器實(shí)現(xiàn)Z向小范圍內(nèi)的高速定位;上、下掃描器協(xié)同動(dòng)作就可實(shí)現(xiàn)較大范圍內(nèi)的掃描成像。圖1大掃描范圍、快速AFM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1大范圍快速AFM控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)鑒于DSP的高速數(shù)據(jù)處理能力和FPGA的并行處理能力，控制系統(tǒng)選用基于DSP_FPGA的數(shù)字處理平臺(tái)。其中，DSP處理器使用TMS320C6455BZTZ，主頻1GHz;FPGA選用XC5VSX50T，F(xiàn)FG1136封裝;DSP與FPGA之間使用64位160MHz的總線連接，可實(shí)現(xiàn)高達(dá)10Gbit的帶寬。如圖2所示，整個(gè)控制系統(tǒng)包括上位機(jī)人機(jī)交互界面、大范圍快速原子力顯微鏡、DSP_FPGA模塊和DAC/ADC(數(shù)模轉(zhuǎn)換器/模數(shù)轉(zhuǎn)換器)。其中，大范圍快速原子力顯微鏡是控制對(duì)象，上位機(jī)VC界面主要負(fù)責(zé)掃描參數(shù)、指令的發(fā)送和掃描圖像的顯示。兩片工作頻率為105MHz的ADC(AD6645)實(shí)現(xiàn)下掃描器X、Z向信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換。一片工作頻率為160MHz的DAC(AD9777)則實(shí)現(xiàn)兩路16位的模

54InstrumentTechniqueandSensorJan.2015擬輸出，其中一路作為上掃描器的Z向閉環(huán)控制，另一路負(fù)責(zé)下掃描器的X向驅(qū)動(dòng)。DSP用于配置FPGA及大數(shù)據(jù)量掃描信號(hào)的實(shí)時(shí)處理;FPGA則負(fù)責(zé)AFM的Z向數(shù)據(jù)采集、邏輯控制。以DSP_FPGA為核心的控制系統(tǒng)除了具有較高的處理速度和控制精度外，其它先進(jìn)的控制策略及不同的控制算法也可方便的在其上實(shí)現(xiàn)。圖2基于DSP_FPGA的AFM控制系統(tǒng)整體框架2控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)為了得到高精度實(shí)時(shí)的樣品表面成像，DSP和FPGA之間需要足夠的帶寬來(lái)傳輸大量反應(yīng)樣品表面形貌的數(shù)據(jù)。因而，為DSP、FPGA設(shè)計(jì)有效的數(shù)據(jù)傳輸模式和便捷的相互配置方式很有必要，包括DSP_FPGA間的數(shù)據(jù)通訊模式、相互配置方面，以及控制算飯的設(shè)計(jì)。以下針對(duì)各設(shè)計(jì)具體討論。2．1數(shù)據(jù)傳輸模式AFM掃描中，大量的數(shù)據(jù)被獲取和存儲(chǔ)。例如，在AFM掃描圖像過(guò)程中，假設(shè)一行采集1024個(gè)點(diǎn)，每點(diǎn)的數(shù)據(jù)是16位，則需要的地址范圍就是16384(1024×16)位。使用ＲAM需要較寬的地址線，而開(kāi)發(fā)板上DSP和FPGA之間的連接地址有限，因而受硬件條件的制約，，此處選擇FIFO的通訊方式來(lái)代替ＲAM的通訊方式。FIFO在設(shè)計(jì)中有以下特點(diǎn):(1)多個(gè)FIFO實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)緩存。例如，F(xiàn)PGA采集數(shù)據(jù)之后先緩存在FIFO0中，然后再傳輸?shù)紻SP;同時(shí)，F(xiàn)PGA接收DSP指令存儲(chǔ)在FIFO1中，之后再取值譯碼。(2)考慮到數(shù)字信號(hào)存在競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)的問(wèn)題，在不同時(shí)鐘域之間選擇異步FIFO的讀寫(xiě)方式。以存儲(chǔ)數(shù)據(jù)上傳到DSP的FIFO為例，寫(xiě)時(shí)鐘是FPGA端控制，而讀取時(shí)鐘則來(lái)自DSP．這種設(shè)計(jì)不僅避開(kāi)了信號(hào)競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)的問(wèn)題，還簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。(3)DSP和FPGA間通過(guò)64位工作在160MHz的EMIFA(外部存儲(chǔ)器接口)通訊。EMIFA的寬度是EA［0:6］，根據(jù)EMIFA的相關(guān)文檔，當(dāng)采用64位數(shù)據(jù)總線時(shí)，內(nèi)部地址和外部地址?

【參考文獻(xiàn)】

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2 鄧衛(wèi)梅;陳代謝;殷伯華;薛虹;韓立;;基于DSP-FPGA高速控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究[J];現(xiàn)代科學(xué)儀器;2014年01期

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2 汝長(zhǎng)海;王科俊;葉秀芬;;基于遲滯模型壓電陶瓷跟蹤控制方法[J];儀器儀表學(xué)報(bào);2006年S1期

3 王建國(guó);顧廷權(quán);曹廣益;朱新堅(jiān);唐成龍;陳培林;;一類(lèi)非自衡對(duì)象的最優(yōu)PID控制[J];儀器儀表學(xué)報(bào);2008年01期

4 徐宗偉;張少婧;房豐洲;董申;陳耘輝;;納米管探針機(jī)械性能在納米表征中的優(yōu)勢(shì)研究[J];儀器儀表學(xué)報(bào);2009年01期

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2 從征;原子力顯微鏡用干涉術(shù)定標(biāo)[J];激光與光電子學(xué)進(jìn)展;2000年02期

3 張冬仙,黃峰;臥式原子力顯微鏡的研制[J];光學(xué)儀器;2001年02期

4 吉曉江,田云飛,趙純培,陳紅,王英梅,李志強(qiáng),陳敏,廖隆理;原子力顯微鏡和皮革膠原纖維精細(xì)結(jié)構(gòu)研究[J];現(xiàn)代儀器;2002年01期

5 張德添,何昆,張颯,楊怡,周濤,張學(xué)敏,趙曉光,薛燕;原子力顯微鏡發(fā)展近況及其應(yīng)用[J];現(xiàn)代儀器;2002年03期

6 ;原子力顯微鏡[J];物理測(cè)試;2002年05期

7 何昆,張德添,張學(xué)敏,楊怡,周濤,張颯;原子力顯微鏡在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用[J];軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院院刊;2002年02期

8 戴世勛 ,楊建虎;用原子力顯微鏡揭示晶體生長(zhǎng)奧秘[J];激光與光電子學(xué)進(jìn)展;2003年08期

9 施洋,章海軍;新型大掃描范圍原子力顯微鏡的研究[J];光電工程;2004年06期

10 張德添,張颯,何昆,楊怡,周濤,張英鴿;原子力顯微鏡在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用[J];現(xiàn)代儀器;2004年04期

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3 錢(qián)建強(qiáng);李淵;華寶成;李英姿;;火星探測(cè)原子力顯微鏡幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)的研究[A];中國(guó)宇航學(xué)會(huì)深空探測(cè)技術(shù)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)第六屆學(xué)術(shù)年會(huì)暨863計(jì)劃“深空探測(cè)與空間實(shí)驗(yàn)技術(shù)”重大項(xiàng)目學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集[C];2009年

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5 楊金濤;徐文東;;原子力顯微鏡系統(tǒng)中的光點(diǎn)跟蹤設(shè)計(jì)[A];上海市激光學(xué)會(huì)2005年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C];2005年

6 胡慶泉;陳立群;;原子力顯微鏡微懸臂梁非線性振動(dòng)分析[A];慶祝中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)成立50周年暨中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)大會(huì)’2007論文摘要集（下）[C];2007年

7 宋維旭;趙曉云;伍津津;朱堂友;楊桂紅;;應(yīng)用原子力顯微鏡對(duì)不同類(lèi)型膠原蛋白與細(xì)胞粘附的研究[A];中華醫(yī)學(xué)會(huì)第十五次全國(guó)皮膚性病學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2009年

8 丁海濤;;激光共聚焦顯微鏡和原子力顯微鏡聯(lián)用對(duì)活細(xì)胞的相關(guān)研究[A];中華醫(yī)學(xué)會(huì)第八次全國(guó)檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議暨中華醫(yī)學(xué)會(huì)檢驗(yàn)分會(huì)成立30周年慶典大會(huì)資料匯編[C];2009年

9 紀(jì)星涉;魏煥萍;單云官;;原子力顯微鏡在病理診斷中的應(yīng)用[A];第二屆全國(guó)解剖學(xué)技術(shù)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2009年

10 黃水花;黎全;黃云;楊開(kāi)勇;劉賤平;;原子力顯微鏡實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法探索[A];2006—2010年教育部高等學(xué)校光電信息科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委員會(huì)及協(xié)作委員會(huì)2009年全體會(huì)議論文集[C];2009年

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4 胡慶泉;原子力顯微鏡動(dòng)力學(xué)行為分析[D];上海大學(xué);2007年

5 楊春來(lái);超聲振動(dòng)原子力顯微鏡成像研究[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2013年

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9 張虎;液相型原子力顯微鏡的研制及其應(yīng)用研究[D];浙江大學(xué);2004年

10 劉坤;原子力顯微鏡定位系統(tǒng)控制策略及誤差補(bǔ)償方法研究[D];燕山大學(xué);2010年

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