大范围快速AFM的高速高精度控制系统

发布时间：2020-01-26 06:00

【摘要】：针对原子力显微镜难以同时实现快速、高精度、大范围扫描成像的不足,逐渐出现了带两级扫描器的原子力显微镜。基于自行研制的大范围快速原子力显微镜(含两级扫描器),为其设计了一种以DSP_FPGA为核心的高速高精度控制系统。包括DSP和FPGA间数据传输模式和相互配置等关键技术的设计,然后嵌入PI控制器,最后用实验验证了控制系统的有效性。
【图文】：

系统结构图,扫描范围,系统结构图,原子力显微镜

成像［1］。Ando用快速AFM实现了对ATP的动态扫描［2］。然而，虽然原子力显微镜的扫描速度很快，但是扫描范围却限制在很小的范围内，抑制了AFM的进一步应用。为此，研究人员在普通AFM上进行改进形成了双扫描器［3－5］，以期实现大范围快速的扫描成像。然而，受原子力显微镜控制系统带宽等的限制，实验结果显示这些扫描器并不能实现无损式的扫描成像。因此，为大范围原子力显微镜设计一个高速高精度的控制系统则显得尤为重要。对普通原子力显微镜进行改进，形成的包含两级扫描器的大范围快速原子力显微镜如图1所示［6］。下扫描台带动样品进行X、Y、Z方向大范围慢速运动;上扫描器实现Z向小范围内的高速定位;上、下扫描器协同动作就可实现较大范围内的扫描成像。图1大扫描范围、快速AFM系统结构图1大范围快速AFM控制系统设计鉴于DSP的高速数据处理能力和FPGA的并行处理能力，控制系统选用基于DSP_FPGA的数字处理平台。其中，DSP处理器使用TMS320C6455BZTZ，主频1GHz;FPGA选用XC5VSX50T，FFG1136封装;DSP与FPGA之间使用64位160MHz的总线连接，可实现高达10Gbit的带宽。如图2所示，整个控制系统包括上位机人机交互界面、大范围快速原子力显微镜、DSP_FPGA模块和DAC/ADC(数模转换器/模数转换器)。其中，大范围快速原子力显微镜是控制对象，上位机VC界面主要负责扫描参数、指令的发送和扫描图像的显示。两片工作频率为105MHz的ADC(AD6645)实现下扫描器X、Z向信号的模数转换。一片工作频率为160MHz的DAC(AD9777)则实现两路16位的模

扫描图像,整体框架,控制系统

54InstrumentTechniqueandSensorJan.2015拟输出，其中一路作为上扫描器的Z向闭环控制，另一路负责下扫描器的X向驱动。DSP用于配置FPGA及大数据量扫描信号的实时处理;FPGA则负责AFM的Z向数据采集、逻辑控制。以DSP_FPGA为核心的控制系统除了具有较高的处理速度和控制精度外，其它先进的控制策略及不同的控制算法也可方便的在其上实现。图2基于DSP_FPGA的AFM控制系统整体框架2控制系统设计关键点为了得到高精度实时的样品表面成像，DSP和FPGA之间需要足够的带宽来传输大量反应样品表面形貌的数据。因而，为DSP、FPGA设计有效的数据传输模式和便捷的相互配置方式很有必要，包括DSP_FPGA间的数据通讯模式、相互配置方面，以及控制算饭的设计。以下针对各设计具体讨论。2．1数据传输模式AFM扫描中，大量的数据被获取和存储。例如，在AFM扫描图像过程中，假设一行采集1024个点，每点的数据是16位，则需要的地址范围就是16384(1024×16)位。使用ＲAM需要较宽的地址线，而开发板上DSP和FPGA之间的连接地址有限，因而受硬件条件的制约，，此处选择FIFO的通讯方式来代替ＲAM的通讯方式。FIFO在设计中有以下特点:(1)多个FIFO实现数据缓存。例如，FPGA采集数据之后先缓存在FIFO0中，然后再传输到DSP;同时，FPGA接收DSP指令存储在FIFO1中，之后再取值译码。(2)考虑到数字信号存在竞争冒险的问题，在不同时钟域之间选择异步FIFO的读写方式。以存储数据上传到DSP的FIFO为例，写时钟是FPGA端控制，而读取时钟则来自DSP．这种设计不仅避开了信号竞争冒险的问题，还简化了系统的设计。(3)DSP和FPGA间通过64位工作在160MHz的EMIFA(外部存储器接口)通讯。EMIFA的宽度是EA［0:6］，根据EMIFA的相关文档，当采用64位数据总线时，内部地址和外部地址?

【参考文献】