[发明专利]基于FPGA的扫描离子电导显微镜的控制器及控制方法

权利要求书

1.基于FPGA的扫描离子电导显微镜的控制器，其特征在于：包括基于FPGA平台上的时钟单元、通信单元、PID求解单元、信号采集单元、DA单元以及PWM输出单元；其中通信单元通过与上位机通讯得到预设的控制目标，并将控制目标传送给PID求解单元；信号采集单元采集反馈信号，并将反馈信号传送给PID求解单元；PID求解单元根据控制目标和反馈信号求解出控制量；当实时的反馈信号大于反馈信号的阈值时，PID求解单元将控制量传送给PWM输出单元，PWM输出单元根据控制量控制直流无刷电机带动扫描离子电导显微镜的探针和托盘在微米级尺度上进行移动；当实时的反馈信号小于等于反馈信号的阈值时，PID求解单元将控制量传送给DA单元，DA单元根据控制量控制压电陶瓷带动扫描离子电导显微镜的托盘在纳米级尺度上进行移动，从而进行扫描离子电导显微镜扫描观测实验；时钟单元用于统一FPGA平台上各单元的操作时序。

2.根据权利要求1所述的基于FPGA的扫描离子电导显微镜的控制器，其特征在于：还包括基于FPGA平台上的数据读写单元，数据读写单元用于将信号采集单元采集的反馈信号和PID求解单元求解出的控制量读写入存储器中，并通过通信单元将反馈信号和控制量传送给上位机进行显示。

3.根据权利要求1所述的基于FPGA的扫描离子电导显微镜的控制器，其特征在于：还包括基于FPGA平台上的滤波单元，滤波单元接收信号采集单元采集的反馈信号，并将反馈信号进行滤波处理成测量值，再将测量值传输给PID求解单元。

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的基于FPGA的扫描离子电导显微镜的控制器，其特征在于：所述的信号采集单元包括用于采集模拟反馈信号的AD单元和用于采集数字反馈信号值的I/O单元。

5.根据权利要求1-3中任意一项所述的基于FPGA的扫描离子电导显微镜的控制器，其特征在于：所述的直流无刷电机包括三个分别用于调整x、y、z方向的直流无刷电机；所述的压电陶瓷包括一个用于调整x和y方向的压电陶瓷和一个用于调整z方向的压电陶瓷。

6.基于FPGA的扫描离子电导显微镜的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）将通信单元与上位机连接，将PWM输出单元和直流无刷电机的接口相连，DA单元和压电陶瓷的接口相连；

2）通电后进行初始化操作，然后确定被采集的反馈信号的反馈模式，设定控制目标和反馈信号的阈值，计算并设定PID求解单元的参数；

3）数据采集：信号采集单元采集反馈信号，通过滤波单元对采集到的反馈信号进行滤波处理，得出测量值，从而得到扫描观测实验的实时工作状态；

4）同时进行以下步骤：

4.1）将测量值通过数据存储单元进行读写，再通过通信单元传递给上位机，使扫描观测实验的实时工作状态和控制目标在上位机上进行实时显示；

4.2）PID求解单元根据设定的控制目标、扫描观测实验的实时工作状态和计算并设定好的PID求解单元的参数求解出控制量；

5）再同时进行以下步骤：

5.1）利用数据读写单元记录控制量；

5.2）利用通信单元将控制量传输给上位机，在上位机上进行实时显示；

5.3）当实时的反馈信号大于反馈信号的阈值时，进行步骤5.3.1），当实时的反馈信号小于等于反馈信号的阈值时，进行步骤5.3.2）；

5.3.1）PID求解单元将控制量传送给PWM输出单元，PWM输出单元根据控制量控制直流无刷电机带动扫描离子电导显微镜的探针和托盘在微米级尺度上进行移动，从而调整扫描观测实验的实时工作状态，得到新的反馈信号；

5.3.2）PID求解单元将控制量传送给DA单元，DA单元根据控制量控制压电陶瓷带动扫描离子电导显微镜的托盘在纳米级尺度上进行移动，从而调整扫描观测实验的实时工作状态，得到新的反馈信号；

6）重复进行步骤3）至步骤5），直至满足设定的控制目标或接收到由上位机输入的结束命令为止。

7.根据权利要求6所述的基于FPGA的扫描离子电导显微镜的控制方法，其特征在于：所述的反馈信号的扫描模式为等高度扫描模式或跳跃式扫描模式。

8.根据权利要求6所述的基于FPGA的扫描离子电导显微镜的控制方法，其特征在于：所述的控制目标为被采集的反馈信号的离子电流降低至5%。

9.根据权利要求6-8中任意一项所述的基于FPGA的扫描离子电导显微镜的控制方法，其特征在于：所述的反馈信号的阈值为被采集的反馈信号的离子电流降低至10%。