基于DSP的數(shù)字掃描探針顯微鏡的方案

　　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，計算機通過PCI卡和SPM控制板保持通信，整個電子控制系統(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，它通過步進馬達和壓電陶瓷管的三維伸縮來實現(xiàn)掃描探針對樣品表面的掃描；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)、對掃描過程實行實時調(diào)節(jié)和監(jiān)控（再線掃描控制）以及對掃描圖像進行分析處理（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，擔負著在掃描過程中的將控制軟件下達的指令時實的轉(zhuǎn)化為對掃描器的具體操作任務(wù)，因此，電子控制系統(tǒng)的精確程度和對指令的反應速度直接影響著成像的效果，設(shè)計好的電子控制系統(tǒng)對整個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到基本要求，但作為精密儀器，其效果還遠不夠，主要缺點如下：

　　（1）PC機的開關(guān)電源對高精度的A/D，D/A芯片干擾太大。

　　（2）PCI卡每次只能對一路信號尋址，系統(tǒng)的實時性較低。

　?。?）由于需要較大的計算資源開銷并要運行一個復雜的非線性校正算法，該控制板需要一個處理能力強的處理器。

　?。?）存儲器及握手方式不夠理想。

　　系統(tǒng)設(shè)計思想

　　為了解決上述缺點，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控制板和計算機信息交換將先通過DSP作相應處理，然后再送至對方，DSP和計算機的通信采用全雙工RS-232串口通信方式。

　　DSP控制板的結(jié)構(gòu)和功能

　　經(jīng)過對SPM儀器的控制流程、時序要求、掃描方式、反饋模型和實時性進行全面分析，并對幾種DSP芯片的性能的比較，本設(shè)計決定采用TI公司的54X系列DSP芯片，該系統(tǒng)的DSP的運算處理速度、處理精度、功耗都能滿足SPM應用系統(tǒng)的反饋要求。

　　TMS320VC5416是TI公司的16位定點DSP，其時鐘頻率為160MHz，能夠?qū)崿F(xiàn)高速運算（160MIPS）和大容量存儲，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的容量應該能夠滿足數(shù)據(jù)存儲要求，因此，為了減小系統(tǒng)的復雜性，就不再進行片外SRAM的擴展，這也就局限了系統(tǒng)以后的完善和升級，為了提出程序運行速度，設(shè)計采用Flash Bootloader方式，即先將程序下降到片外Flash中，在DSP上電后，系統(tǒng)將自動將Flash中的程序讀入到片上RAM中運行，所以本設(shè)計也在DSP外部擴展一片256×16位的Flash。設(shè)計時選用的是AMD公司的AM29F800B型號Flash，容量為8Mbit，可操作在128×16bit和512K×16bit數(shù)據(jù)存儲形式，本設(shè)計采用512K×16bit，其硬件連接如圖3所示。

　　DSP和計算機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，并分A、B兩路收發(fā)，最高傳輸速率可達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，每個通道的18個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多種接口電平標準，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（型號為CY37032）來實現(xiàn)各個接口間的數(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雜，系統(tǒng)調(diào)試采用TI公司的CCS2.2開發(fā)環(huán)境，該平臺包括代碼編輯和調(diào)試并可執(zhí)行代碼生成工具，能支持設(shè)計和開發(fā)的整個流程。

　　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放電路的電源，±15V向步進電機供電，其余的均為數(shù)字電路供電，由于整個電路電源種類多，大量芯片同時開啟和關(guān)閉會造成電源和地線上的電壓和電流的較大波動，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、還要對模擬電路和數(shù)字電路，高速電路和低速電路進行分區(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，用戶可以實時調(diào)整Z向反饋電子學的工作狀態(tài)，如比例增益、積分增益，反饋環(huán)路和偏壓。最后通過步進馬達控制面板來設(shè)定前進、后退或者停止，并設(shè)定步數(shù)給馬達驅(qū)動器相應的驅(qū)動脈沖。圖

　　控制板上使用的是一片A/D轉(zhuǎn)換器，型號是MAX120，它能將納安量級電流信號轉(zhuǎn)換成VZin數(shù)字信號。MAX120是12bitA/D轉(zhuǎn)換器，采用5V供電，轉(zhuǎn)換速率可達1.6μs，采樣率達500KHz，它有五種轉(zhuǎn)換模式，全控制模式，獨立控制模式、慢存儲器模式、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)計選擇的是連續(xù)轉(zhuǎn)換模式，其FIFO讀周期可達15ns，故可減少中斷等待時間，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VZout，再經(jīng)過高壓運放來驅(qū)動馬達產(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)換時間為30ns。

　　TMS320VC5416片內(nèi)有一個16位的定時器，定時器的輸出能啟動12bitA/D轉(zhuǎn)換，并可采樣Z信號（調(diào)整掃描探針跟樣品表面距離），可屏蔽的定時中斷服務(wù)程序安裝著XY掃描算法和掃描器的非線性校正算法，XY掃描算法用來進行X向和Y向的掃描位移計算，非線性校正算法則根據(jù)掃描點上的隧道電流的大小進行相應的調(diào)整，然后啟動3路D/A轉(zhuǎn)換，對反饋的X、Y、Z三路信號進行放大，都作用于SPM頭部。由于其隧道電流信號只有納安量級，不容易被直接測量，故應將其放大為相應的電壓信號，再進行相應的處理，對掃描探針和樣品之間的偏置電壓Vb，可在掃描圖像時使其大小恒定，由于要求的噪音很小。因此可以用標準電壓供電，以保證低噪音，但在進行掃描時，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)置的標準電壓，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進行比較，其輸出經(jīng)過比例運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SPM電子控制系統(tǒng)和控制軟件進行調(diào)試和改進后，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)計比基于DSP的設(shè)計方案要復雜很多，同時設(shè)計時要特別意識到信號完整性問題的重要性，所以設(shè)計當中要對阻抗控制，反射和信號終端進行匹配，并對DSP、A/D、D/A器件進行物理隔離，同時要考慮串擾、電源退耦等問題，盡量避免信號完整性對設(shè)計性能的影響。

　　實驗證明，利用DSP實現(xiàn)SPM的反饋系統(tǒng)設(shè)計與基于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，筆者今后還將進一步設(shè)計新的DSP算法，并增強圖像特征，同時在硬件上還需提高系統(tǒng)的擴展性，降低反饋系統(tǒng)的噪聲，增強操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性。