[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

说明书

技术领域

本发明涉及无刷直流电机、压电陶瓷的控制领域，具体涉及一种基于FPGA的扫描离子电导显微镜的控制器及控制方法。

背景技术

扫描离子电导显微镜是一种扫描探针显微技术，其原理如图2所示：是将一个Ag/AgCl电极置于充满电解液的玻璃微滴管中作为扫描探针，非导电样品放在一个电解液存储池底部。当玻璃微滴管接近样品表面时，由于空间的减小而限制离子自由流入玻璃微滴管探针，离子电导也随之减小。当玻璃微滴管探针在贴近样品表面扫描时，通过实时监测玻璃微滴管内电极和在电解池中另一Ag/AgCl电极之间电导的变化，利用负反馈电路使探针上下移动来得到电导守恒，从而保持扫描过程中扫描探针针尖与样品间的恒定距离。这样，玻璃微滴管探针运动的轨迹即代表样品表面的形貌。其具有成像分辨率高、探针易于制备和对被成像物体无损伤等特点，特别适用于研究生理条件下的活体细胞，是一种与扫描电化学显微镜及原子力显微镜互补的扫描探针显微镜技术，能够对软界面及表面，如活细胞表面的显微结构，进行高分辨率成像；并能够与其它技术联用，研究细胞形貌与功能的关系；还能控制沉积特定分子，实现纳米尺度的显微操作与加工。

实验控制的精确性是扫描离子电导显微镜观测成像的重要保障因素。在扫描离子电导显微镜的实验中要将探针尖端垂直下移到离样品表面纳米级的距离，传统的控制器侧重于保护电路或驱动电路的搭建，主要通过压电陶瓷的进给量控制来进行扫描观测实验，表现出控制缓慢、实验成像时间长等问题，并且对系统构架及人机交互考虑较少。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于FPGA的扫描离子电导显微镜的控制器及控制方法，能够在保持实验分辨率的前提下，提高实验观测成像的速度。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

基于FPGA的扫描离子电导显微镜的控制器，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。

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。

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。

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。

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。

基于FPGA的扫描离子电导显微镜的控制方法，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；