基于DSP的數(shù)字掃描探針顯微鏡的硬件解決方案研究

數(shù)字掃描探針顯微鏡（scanning probe microscope，spm）是研究納米的重要工具，它利用探針和樣品的不同互相作用來(lái)探測(cè)表面或界面在納米尺度上表現(xiàn)出的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)，它的問(wèn)世對(duì)表面科學(xué)、物理學(xué)、微電子學(xué)、電子材料學(xué)、先進(jìn)材料和納米材料等研究領(lǐng)域技術(shù)重要的意義，與此同時(shí)，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得相當(dāng)成熟，dsp技術(shù)也已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于通信、測(cè)量、多媒體、消費(fèi)電子產(chǎn)品等領(lǐng)域，由于把dsp和spm結(jié)合在一起是spm儀器發(fā)展的必然方向，它能使spm性能更趨于完善，為此，本文介紹如何用tms320c5416來(lái)實(shí)現(xiàn)這一設(shè)想！

spm系統(tǒng)方案及其缺陷

現(xiàn)有的spm系統(tǒng)主要基于pci形式，該方案中，計(jì)算機(jī)通過(guò)pci卡和spm控制板保持通信，整個(gè)電子控制系統(tǒng)的流程圖如圖1所示。

此系統(tǒng)由掃描器、電子控制板和控制處理軟件三部分組成，其中掃描器是執(zhí)行部分，它通過(guò)步進(jìn)馬達(dá)和壓電陶瓷管的三維伸縮來(lái)實(shí)現(xiàn)掃描探針對(duì)樣品表面的掃描；控制處理軟件是中央控制部分，通過(guò)控制軟件可設(shè)置掃描參數(shù)、對(duì)掃描過(guò)程實(shí)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)和監(jiān)控（再線掃描控制）以及對(duì)掃描圖像進(jìn)行分析處理（離線數(shù)據(jù)分析），電子控制板則是連接控制軟件和掃描器的中間部分，擔(dān)負(fù)著在掃描過(guò)程中的將控制軟件下達(dá)的指令時(shí)實(shí)的轉(zhuǎn)化為對(duì)掃描器的具體操作任務(wù)，因此，電子控制系統(tǒng)的精確程度和對(duì)指令的反應(yīng)速度直接影響著成像的效果，設(shè)計(jì)好的電子控制系統(tǒng)對(duì)整個(gè)stm來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。

雖然基于pci形式的系統(tǒng)在一般控制、傳輸速度及成像效果上都能達(dá)到基本要求，但作為精密儀器，其效果還遠(yuǎn)不夠，主要缺點(diǎn)如下：

（1）pc機(jī)的開(kāi)關(guān)電源對(duì)高精度的a/d，d/a芯片干擾太大。

（2）pci卡每次只能對(duì)一路信號(hào)尋址，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性較低。

（3）由于需要較大的計(jì)算資源開(kāi)銷并要運(yùn)行一個(gè)復(fù)雜的非線性校正算法，該控制板需要一個(gè)處理能力強(qiáng)的處理器。

（4）存儲(chǔ)器及握手方式不夠理想。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想

為了解決上述缺點(diǎn)，筆者給出了一種基于dsp的新型數(shù)字式spm系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，新方案的系統(tǒng)框圖如圖2所示。

該方案和圖1的明顯區(qū)別的是，圖2方案在spm控制板上添加了一塊dsp芯片，spm控制板和計(jì)算機(jī)信息交換將先通過(guò)dsp作相應(yīng)處理，然后再送至對(duì)方，dsp和計(jì)算機(jī)的通信采用全雙工rs-232串口通信方式。

dsp控制板的結(jié)構(gòu)和功能

經(jīng)過(guò)對(duì)spm儀器的控制流程、時(shí)序要求、掃描方式、反饋模型和實(shí)時(shí)性進(jìn)行全面分析，并對(duì)幾種dsp芯片的性能的比較，本設(shè)計(jì)決定采用ti公司的54x系列dsp芯片，該系統(tǒng)的dsp的運(yùn)算處理速度、處理精度、功耗都能滿足spm應(yīng)用系統(tǒng)的反饋要求。

tms320vc5416是ti公司的16位定點(diǎn)dsp，其時(shí)鐘頻率為160mhz，能夠?qū)崿F(xiàn)高速運(yùn)算（160mips）和大容量存儲(chǔ)，片上有128×16位的sram和16k×16位rom。tms320vc5416芯片內(nèi)核和i/o口分別采用1.5v和3.3v供電，故可有效降低功耗。

理論上，該dsp片上sdram的容量應(yīng)該能夠滿足數(shù)據(jù)存儲(chǔ)要求，因此，為了減小系統(tǒng)的復(fù)雜性，就不再進(jìn)行片外sram的擴(kuò)展，這也就局限了系統(tǒng)以后的完善和升級(jí)，為了提出程序運(yùn)行速度，設(shè)計(jì)采用flash bootloader方式，即先將程序下降到片外flash中，在dsp上電后，系統(tǒng)將自動(dòng)將flash中的程序讀入到片上ram中運(yùn)行，所以本設(shè)計(jì)也在dsp外部擴(kuò)展一片256×16位的flash。設(shè)計(jì)時(shí)選用的是amd公司的am29f800b型號(hào)flash，容量為8mbit，可操作在128×16bit和512k×16bit數(shù)據(jù)存儲(chǔ)形式，本設(shè)計(jì)采用512k×16bit，其硬件連接如圖3所示。

dsp和計(jì)算機(jī)的串口通信采用一片異步收發(fā)器和一片多協(xié)議收發(fā)器，異步收發(fā)器選用tl16c52b，該器件的發(fā)送接收各帶有64字節(jié)fifo和modem接口信號(hào)，并分a、b兩路收發(fā)，最高傳輸速率可達(dá)1.5mbps波特率。采用3.3v電源供電，而且接口簡(jiǎn)單，可以與dsp直接連接，每個(gè)通道的18個(gè)寄存器均可用于控制串行異步通信的工作方式及反饋狀態(tài)，經(jīng)采用a0-a2尋址。多協(xié)議收發(fā)器使用max3160芯片，它的異步串口電平可配置成rs323/rs485/rs422多種接口電平標(biāo)準(zhǔn)，本系統(tǒng)選擇rs232，并采用四線制（rxd、txd、rts、cts）。其硬件連接如圖4所示。

另外，本系統(tǒng)可選用了一片csc公司的cpld芯片（型號(hào)為cy37032）來(lái)實(shí)現(xiàn)各個(gè)接口間的數(shù)字邏輯操作（比如flash控制邏輯、串口控制邏輯、spm控制板上a/d和d/a控制邏輯以及讀寫信號(hào)等）。系統(tǒng)的控制邏輯清晰有序，而且采用vhdl語(yǔ)言編寫程序并不復(fù)雜，系統(tǒng)調(diào)試采用ti公司的ccs2.2開(kāi)發(fā)環(huán)境，該平臺(tái)包括代碼編輯和調(diào)試并可執(zhí)行代碼生成工具，能支持設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的整個(gè)流程。

系統(tǒng)電源系統(tǒng)主要有±12v、±150v、±15v、±5v、3.3v、1.5v幾部分，其中±12v向模擬電路供電，±150v是壓電陶瓷掃描高壓運(yùn)放電路的電源，±15v向步進(jìn)電機(jī)供電，其余的均為數(shù)字電路供電，由于整個(gè)電路電源種類多，大量芯片同時(shí)開(kāi)啟和關(guān)閉會(huì)造成電源和地線上的電壓和電流的較大波動(dòng)，影響芯片的正常工作，所以，除了在地線和電源之間并聯(lián)電容、增加π型濾波外、還要對(duì)模擬電路和數(shù)字電路，高速電路和低速電路進(jìn)行分區(qū)布局，以盡量提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

基于dsp的spm系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)與功能

spm系統(tǒng)在運(yùn)行之前、通過(guò)控制軟件上的掃描控制面板、用戶可以調(diào)整掃描發(fā)生器電路的工作參數(shù)，如掃描范圍、x偏移、y偏移、掃描速率等，然后通過(guò)反饋控制面板，用戶可以實(shí)時(shí)調(diào)整z向反饋電子學(xué)的工作狀態(tài)，如比例增益、積分增益，反饋環(huán)路和偏壓。最后通過(guò)步進(jìn)馬達(dá)控制面板來(lái)設(shè)定前進(jìn)、后退或者停止，并設(shè)定步數(shù)給馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)脈沖。圖5所示是spm控制板的結(jié)構(gòu)框圖。

控制板上使用的是一片a/d轉(zhuǎn)換器，型號(hào)是max120，它能將納安量級(jí)電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成vzin數(shù)字信號(hào)。max120是12bita/d轉(zhuǎn)換器，采用5v供電，轉(zhuǎn)換速率可達(dá)1.6μs，采樣率達(dá)500khz，它有五種轉(zhuǎn)換模式，全控制模式，獨(dú)立控制模式、慢存儲(chǔ)器模式、rom模式和連續(xù)轉(zhuǎn)換模式，模式控制引腳和其他引腳的組合邏輯可以選擇五種模式之一，本設(shè)計(jì)選擇的是連續(xù)轉(zhuǎn)換模式，其fifo讀周期可達(dá)15ns，故可減少中斷等待時(shí)間，能適合于系統(tǒng)速度要求，四片d/a轉(zhuǎn)換器選用一片12bit的ad565和三片14bit的ad7840，ad565用于轉(zhuǎn)換z向控制信息以得到電流信號(hào)vzout，再經(jīng)過(guò)高壓運(yùn)放來(lái)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)產(chǎn)生位移。三片ad7840分別轉(zhuǎn)化vb、vx和vy三方向的控制信息，ad7840采用±5v的雙電源供電，轉(zhuǎn)換時(shí)間為21ns，其片內(nèi)輸入鎖存器和dac鎖存器，可有效保證轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)不丟失，而ad565則采用±12v雙電源供電，轉(zhuǎn)換時(shí)間為30ns。

tms320vc5416片內(nèi)有一個(gè)16位的定時(shí)器，定時(shí)器的輸出能啟動(dòng)12bita/d轉(zhuǎn)換，并可采樣z信號(hào)（調(diào)整掃描探針跟樣品表面距離），可屏蔽的定時(shí)中斷服務(wù)程序安裝著xy掃描算法和掃描器的非線性校正算法，xy掃描算法用來(lái)進(jìn)行x向和y向的掃描位移計(jì)算，非線性校正算法則根據(jù)掃描點(diǎn)上的隧道電流的大小進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，然后啟動(dòng)3路d/a轉(zhuǎn)換，對(duì)反饋的x、y、z三路信號(hào)進(jìn)行放大，都作用于spm頭部。由于其隧道電流信號(hào)只有納安量級(jí)，不容易被直接測(cè)量，故應(yīng)將其放大為相應(yīng)的電壓信號(hào)，再進(jìn)行相應(yīng)的處理，對(duì)掃描探針和樣品之間的偏置電壓vb，可在掃描圖像時(shí)使其大小恒定，由于要求的噪音很小。因此可以用標(biāo)準(zhǔn)電壓供電，以保證低噪音，但在進(jìn)行掃描時(shí)，vb不再是一恒定的值，而是要控制軟件設(shè)定的變化關(guān)系來(lái)變化，vset是通過(guò)控制軟件設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)電壓，它可控制z向電壓值的范圍，每次采集到的z向電壓值和vset進(jìn)行比較，其輸出經(jīng)過(guò)比例運(yùn)放器和積分器可決定經(jīng)d/a轉(zhuǎn)換器的電壓是否作用于spm頭部。

在對(duì)spm電子控制系統(tǒng)和控制軟件進(jìn)行調(diào)試和改進(jìn)后，筆者得到了如圖6所示的金膜表面圖像。

結(jié)束語(yǔ)

由于dsp是高速處理器，所以本設(shè)計(jì)比基于dsp的設(shè)計(jì)方案要復(fù)雜很多，同時(shí)設(shè)計(jì)時(shí)要特別意識(shí)到信號(hào)完整性問(wèn)題的重要性，所以設(shè)計(jì)當(dāng)中要對(duì)阻抗控制，反射和信號(hào)終端進(jìn)行匹配，并對(duì)dsp、a/d、d/a器件進(jìn)行物理隔離，同時(shí)要考慮串?dāng)_、電源退耦等問(wèn)題，盡量避免信號(hào)完整性對(duì)設(shè)計(jì)性能的影響。

實(shí)驗(yàn)證明，利用dsp實(shí)現(xiàn)spm的反饋系統(tǒng)設(shè)計(jì)與基于pci系統(tǒng)相比，具有接口簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好和精度高等優(yōu)點(diǎn)，筆者今后還將進(jìn)一步設(shè)計(jì)新的dsp算法，并增強(qiáng)圖像特征，同時(shí)在硬件上還需提高系統(tǒng)的擴(kuò)展性，降低反饋系統(tǒng)的噪聲，增強(qiáng)操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性。