[发明专利]基于FPGA和DSP的原子力显微镜硬件控制系统

说明书

技术领域

本发明属于微纳科学与技术研究中的精密仪器领域，具体为原子力显微镜(AFM)，本发明主要涉及一种基于现场可编程门阵列和数字信号处理器的原子力显微镜硬件控制系统。 

背景技术

原子力显微镜属于扫描探针显微镜的一种，通过检测微悬臂针尖和样品间的作用力造成的微悬臂的微小形变，控制探针与样品间的作用力（或轻敲模式下的探针振幅）保持恒定，然后通过对控制电压，控制误差，和其它相关因素的综合分析，便可计算出样品的表面形貌。原子力显微镜的成像精度和成像速度是目前研究者们最关心的两个问题[1,2]。无论是从机械结构还是控制算法角度提升原子力显微镜性能，必须有速度足够快和精度足够高的控制系统将各个部分联系起来，既能及时采集扫描信息，又能快速处理并传输控制信号，使整个原子力显微镜系统真正快速有效地工作。因此，原子力显微镜硬件控制系统设计成为了相关研究进展的关键。 

较为普遍的控制系统架构主要有基于PC-单片机[3]、PC-DSP（Digital Signal Processor，数字信号处理器）[4][5]或PC-FPGA（Field Programmable Gate Array，现场可编程逻辑门阵列）[6]的控制系统，其思想都是利用单片机/DSP/FPGA实现控制器结构，利用PC完成成像和交互。但是，单片机、DSP和FPGA擅长的工作领域并不相同，导致控制系统性能不够完善，影响成像精度和速度。 

发明内容

本发明的目的是解决原子力显微镜扫描速度过慢和精度过低的问题，提出了一种基于现场可编程逻辑门阵列和数字信号处理器（以下简称FPGA+DSP）的原子力显微镜硬件控制系统。 

本发明致力于通过对原子力显微镜样品表面形貌计算过程的充分分析，利用实验测得的压电扫描管阶跃响应曲线中包含的压电扫描管动态特性信息，以实现对压电扫描管输入信号数据和控制误差的动态处理，从而改善原子力显微镜在快速扫描过程中的成像精度。为了提高硬件控制系统的控制效果，本发明提出了基于FPGA+DSP的控制系统设计方案，原因是，FPGA具有丰富的逻辑模块和输入输出模块，并具有静态可重复编程和动态系统重构的特性，可以通过修改软件来改变硬件功能，擅长数据逻辑和时序处理，而DSP具有强大的数据处理能力和较高的运算速度，可以实现快速控制算法。因此FPGA+DSP的方案利用了二者各自的优势，相比于之前的各种控制系统方案更为全面。 

  

本发明提供的基于FPGA+DSP的原子力显微镜硬件控制系统，整体架构如图1所示包括：

模拟数字转换电路模块，共有8路，其中4路与原子力显微镜的激光检测及信号处理部分连接，用于采集原子力显微镜的激光光斑位置信号；1路与原子力显微镜的外置传感器连接，采集传感器输出信号；3路与压电陶瓷的三维传感器连接，采集三维传感器输出信号；该8路模拟数字转换电路将以上单元采集到的模拟信号转换为数字信号输出给现场可编程门阵列电路模块；

现场可编程门阵列电路模块，通过外设接口与模拟数字转换电路连接，用于采集模拟数字转换电路输出的数字信息，并通过DSP接口与数字信号处理器电路连接，将以上采集到的数字信息传输给数字信号处理器，同时采集数字信号处理器输出的控制量信息，通过外设接口与数字模拟转换电路连接，将以上采集到的控制量信息通过现场可编程门阵列电路传输给数字模拟转换电路；

数字信号处理器电路模块，与现场可编程门阵列电路连接，用于采集现场可编程门阵列电路输出的数字信息，并将该数字信息进行算法计算得到控制量信息，再将控制量信息通过给现场可编程门阵列电路传输给数字模拟转换电路；

数字模拟转换电路模块，与现场可编程门阵列电路连接，用于采集现场可编程门阵列电路输出的控制量信息，并转换为模拟电压信号输出，其中1路信号与驱动第一压电陶瓷的第一功率放大器连接，3路与驱动第二压电陶瓷的第二功率放大器连接，3路与第三压电陶瓷连接，数字模拟转换电路输出的模拟电压信号均作为压电陶瓷驱动电压。

由激光检测部分得到的光斑位置信息、二级平台的电容传感器输出的位置信息以及压电陶瓷3传感器输出的三维位置信息均需经过采集、幅值调整、模数转换得到供核心控制系统使用的数字信息，经FPGA的外设接口传递给FPGA，在FPGA中，根据DSP的需求，选择某一通路，按一定时序输出给DSP进行算法计算，得到的控制信号返回给FPGA，由FPGA按一定时序输出给数模转换部分，再经幅值调整后作用到被控制的设备上，同时控制信号经USB接口输出给PC，在PC中作为成像信息得到样品表面形貌。