基于DSP的数字扫描探针显微镜的硬件办理方案研究
发布日期：2011-05-14
数字扫描探针显微镜（scanning probe microscope，SPM）是研究纳米的紧张东西，它利用探针和样品的差别相互作用来探测外貌或界面在纳米标准上表现出的物理性子和化学性子，它的问世对外貌科学、物理学、微电子学、电子质料学、先辈质料和纳米质料等研究范畴技能紧张的意义，与此同时，数字信号处理惩罚技能已经生长得相称成熟，DSP技能也已经遍及地应用于通讯、丈量、多媒体、斲丧电子产品等范畴，由于把DSP和SPM连合在一起是SPM仪器生长的肯定方向，它能使SPM性能更趋于美满，为此，本文先容怎样用TMS320C5416来实现这一假想！
SPM体系方案及其缺陷
现有的SPM体系重要基于PCI情势，该方案中，谋略机通过PCI卡和SPM控制板保持通讯，整个电子控制体系的流程图如图1所示。
此体系由扫描器、电子控制板和控制处理惩罚软件三部分构成，此中扫描器是实行部分，它通过步进马达和压电陶瓷管的三维伸缩来实现扫描探针对样品外貌的扫描；控制处理惩罚软件是中间控制部分，通过控制软件可设置扫描参数、对扫描进程实行及时调理和监控（再线扫描控制）以及对扫描图像举行阐发 处理惩罚（不在线数据阐发），电子控制板则是连接控制软件和扫描器的中间部分，担负着在扫描进程中的将控制软件下达的指令时实的转化为对扫描器的详细操纵任务，因此，电子控制体系的正确水温和对指令的反响速率直接影响着成像的结果，计划好的电子控制体系对整个STM来说至关紧张。
固然基于PCI情势的体系在一样平常控制、传输速率及成像结果上都能到达根本请求，但作为精密仪器，其结果还远不敷，重要缺点如下：
（1）PC机的开关电源对高精度的A/D，D/A芯片滋扰太大。
（2）PCI卡每次只能对一起信号寻址，体系的及时性较低。
（3）由于必要较大的谋略资源开销并要运行一个巨大的非线性校正算法，该控制板必要一个处理惩罚本领强的处理惩罚器。
（4）存储器及握手方法不敷抱负。
体系计划头脑
为了办理上述缺点，笔者给出了一种基于DSP的新型数字式SPM体系的计划方案，新方案的体系框图如图2所示。
该方案和图1的明显区别的是，图2方案在SPM控制板上添加了一块DSP芯片，SPM控制板和谋略机信息互换将先通过DSP作相应处理惩罚，然后再送至对方，DSP和谋略机的通讯采取全双工RS-232串口通讯方法。
DSP控制板的结会商成果
颠末对SPM仪器的控制流程、时序请求、扫描方法、反馈模型和及时性举行全面阐发，并对几种DSP芯片的性能的比较，本计划决定采取TI公司的54X系列DSP芯片，该体系的DSP的运算处理惩罚速率、处理惩罚精度、功耗都能餍足SPM应用体系的反馈请求。
TMS320VC5416是TI公司的16位定点DSP，当时钟频率为160MHz，可以或许实现高速运算（160MIPS）和大容量存储，片上有128×16位的SRAM和16K×16位ROM。TMS320VC5416芯片内核和I/O口分别采取1.5V和3.3V供电，故可有效低落功耗。
理论上，该DSP片上SDRAM的容量应该可以或许餍足数据存储请求，因此，为了减小体系的巨大性，就不再举行片外SRAM的扩展，这也就范围了体系以后的美满和升级，为了提出步伐运行速率，计划采取Flash Bootloader方法，即先将步伐降落到片外Flash中，在DSP上电后，体系将主动将Flash中的步伐读入到片上RAM中运行，以是本计划也在DSP外部扩展一片256×16位的Flash。计划时选用的是AMD公司的AM29F800B型号Flash，容量为8Mbit，可操纵在128×16bit和512K×16bit数据存储情势，本计划采取512K×16bit，其硬件连接如图3所示。
DSP和谋略机的串口通讯采取一片异步收发器和一片多协议收发器，异步收发器选用TL16C52B，该器件的发送吸取各带有64字节FIFO和Modem接口信号，并分A、B两路收发，最高传输速率可达1.5Mbps波特率。采取3.3V电源供电，并且接口大略，可以与DSP直连续接，每个通道的18个寄存器均可用于控制串行异步通讯的事变方法及反馈状态，经采取A0-A2寻址。多协议收发器利用MAX3160芯片，它的异步串口电平可配置成RS323/RS485/RS422多种接口电平标准，本体系选择RS232，并采取四线制（RXD、TXD、RTS、CTS）。其硬件连接如图4所示。
别的，本体系可选用了一片CSC公司的CPLD芯片（型号为CY37032）来实现各个接口间的数字逻辑操纵（比如Flash控制逻辑、串口控制逻辑、SPM控制板上A/D和D/A控制逻辑以及读写信号等）。体系的控制逻辑清楚有序，并且采取VHDL语言编写步伐并不巨大，体系调试采取TI公司的CCS2.2开辟环境，该平台包括代码编辑和调试并可实行代码天生东西，能支持计划和开辟的整个流程。
体系电源体系重要有±12V、±150V、±15V、±5V、3.3V、1.5V几部分，此中±12V向模仿电路供电，±150V是压电陶瓷扫描高压运放电路的电源，±15V向步进电机供电，别的的均为数字电路供电，由于整个电路电源种类多，大量芯片同时打开和封闭会导致电源和地线上的电压和电流的较大颠簸，影响芯片的正常事变，以是，除了在地线和电源之间并联电容、增长π型滤波外、还要对模仿电路和数字电路，高速电路和低速电路举行分区布局，以只管即便进步体系的抗滋扰本领。
基于DSP的SPM体系体系布局与成果
SPM体系在运行之前、通过控制软件上的扫描控制外观、用户可以调解扫描产生器电路的事变参数，如扫描范畴、X偏移、Y偏移、扫描速率等，然后通过反馈控制外观，用户可以及时调解Z向反馈电子学的事景况态，如比例增益、得分增益，反馈环路和偏压。末了通过步进马达控制外观来设置进步、撤退大概克制，并设置步数给马达驱动器相应的驱动脉冲。图 5所示是SPM控制板的布局框图。
控制板上利用的是一片A/D转换器，型号是MAX120，它能将纳安量级电流信号转换成VZin数字信号。MAX120是12bitA/D转换器，采取5V供电，转换速率可达1.6μs，采样率达500KHz，它有五种转换模式，全控制模式，独立控制模式、慢存储器模式、ROM模式和连续转换模式，模式控制引脚和其他引脚的组合逻辑可以选择五种模式之一，本计划选择的是连续转换模式，其FIFO读周期可达15ns，故可淘汰停止等待时间，能得当于体系速率请求，四片D/A转换器选用一片12bit的AD565和三片14bit的AD7840，AD565用于转换Z向控制信息以得到电流信号VZout，再颠末高压运放来驱动马达孕育产生位移。三片AD7840分别转化Vb、Vx和Vy三方向的控制信息，AD7840采取±5V的双电源供电，转换时间为21ns，其片内输入锁存器和DAC锁存器，可有效包管转换数据不丢失，而AD565则采取±12V双电源供电，转换时间为30ns。
TMS320VC5416片内有一个16位的定时器，定时器的输出能启动12bitA/D转换，并可采样Z信号（调解扫描探针跟样品外貌间隔），可屏蔽的定时停止办事步伐安置着XY扫描算法和扫描器的非线性校正算法，XY扫描算法用来举行X向和Y向的扫描位移谋略，非线性校正算规矩根据扫描点上的隧道电流的大小举行相应的调解，然后启动3路D/A转换，对反馈的X、Y、Z三路信号举行放大，都作用于SPM头部。由于其隧道电流信号只有纳安量级，不容易被直接丈量，故应将其放大为相应的电压信号，再举行相应的处理惩罚，对扫描探针和样品之间的偏置电压Vb，可在扫描图像时使其大小恒定，由于请求的噪音很小。因此可以用标准电压供电，以包管低噪音，但在举行扫描时，Vb不再是一恒定的值，而是要控制软件设置的变革干系来变革，Vset是通过控制软件设置的标准电压，它可控制Z向电压值的范畴，每次征求到的Z向电压值和Vset举行比较，其输出颠末比例运放器和得分器可决定经D/A转换器的电压是否作用于SPM头部。
在对SPM电子控制体系和控制软件举行调试和改造后，笔者得到了如图6所示的金膜外貌图像。
结束语
由于DSP是高速处理惩罚器，以是本计划比基于DSP的计划方案要巨大很多，同时计划时要分外意识到信号完备性题目的紧张性，以是计划当中要对阻抗控制，反射和信号终端举行立室，并对DSP、A/D、D/A器件举行物理断绝，同时要思量串扰、电源退耦等题目，只管即便克制信号完备性对计划性能的影响。
实行证明，利用DSP实现SPM的反馈体系计划与基于PCI体系相比，具有接口大略，稳固性好和精度高等好处，笔者以后还将进一步计划新的DSP算法，并加强图像特性，同时在硬件上还需进步体系的扩展性，低落反馈体系的噪声，加强操纵体系的稳固性。
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