DSP的數(shù)字掃描探針顯微鏡的硬件解決方案

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探測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，它通過步進(jìn)馬達(dá)和壓電陶瓷管的三維伸縮來實(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，通過控制軟件可設(shè)置掃描參數(shù)、對(duì)掃描過程實(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來說至關(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。最后通過步進(jìn)馬達(dá)控制面板來設(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)過高壓運(yùn)放來驅(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)系來變化，Vset是通過控制軟件設(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
　　
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。