CN103472853A - 基于fpga的扫描离子电导显微镜的控制器及控制方法 - Google Patents

Abstract

基于FPGA的扫描离子电导显微镜的控制器及控制方法，包括分别与上位机和PID求解单元相连的通信单元；PID求解单元分别与信号采集单元、PWM输出单元和DA单元相连；时钟单元用于统一操作时序。在初始化并设定参数后，信号采集单元采集反馈信号，PID求解单元求解出控制量，当反馈信号大于其阈值时，PWM输出单元控制直流无刷电机带动探针和托盘移动，当反馈信号小于等于其阈值时，DA单元控制压电陶瓷带动托盘移动，同时反馈信号和控制量传输至上位机进行显示，重复上述步骤至满足控制目标或接到结束命令为止。本发明用于对样品扫描成像的控制，体积小，提高了鲁棒性和智能性，能在保持分辨率的前提下，提高观测成像速度。

Description

基于FPGA的扫描离子电导显微镜的控制器及控制方法

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；

5.3）当实时的反馈信号大于反馈信号的阈值时，进行步骤5.3.1），当实时的反馈信号小于等于反馈信号的阈值时，进行步骤5.3.2）；

5.3.1）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，从而调整扫描观测实验的实时工作状态，得到新的反馈信号；

5.3.2）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，从而调整扫描观测实验的实时工作状态，得到新的反馈信号；

6）重复进行步骤3）至步骤5），直至满足设定的控制目标或接收到由上位机输入的结束命令为止。

所述的反馈信号的扫描模式为等高度扫描模式或跳跃式扫描模式。

所述的控制目标为被采集的反馈信号的离子电流降低至5%。

所述的反馈信号的阈值为被采集的反馈信号的离子电流降低至10%。

相对于现有技术，本发明的有益效果为：

本发明提供的基于FPGA的扫描离子电导显微镜的控制器，用于扫描离子电导显微镜（SICM）扫描观测实验中对样品扫描成像的控制。本发明将传统的控制器集成到FPGA控制板上，减小了控制器的体积，使得控制器体积小型化，且小型化后的控制器可放入显微镜的屏蔽箱中，提高了其鲁棒性。而且本发明提供的控制器能够通过信号采集单源采集反馈信号（扫描观测实验中的闭合回路中的离子电流的大小）、PID求解单元求解出控制量，当实时的反馈信号大于反馈信号的阈值时，PWM输出单元控制直流无刷电机带动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，DA单元控制压电陶瓷带动托盘在纳米尺度上进行移动，从而实现了根据反馈信号实现基于FPGA的扫描离子电导显微镜的控制器的自动控制，提高了控制器对扫描观测实验控制的智能性。本发明能够通过直流无刷电机在微米级尺度上大范围调整探针和托盘的位置；而且能够通过压电陶瓷在纳米级的尺度内调整托盘的位置，使得对探针和托盘位置的控制更加精密准确，从而提高了扫描观测实验的精确性，使得本发明的适用范围大大增加。而且本发明的控制器中执行程序的是硬件电路，可靠性强；控制器中的信号为采集、求解、输出执行的并行控制方式，提高了控制的快速性，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。

本发明提供的基于FPGA的扫描离子电导显微镜的控制方法，用于扫描离子电导显微镜（SICM）扫描观测实验中样品扫描成像的控制。本发明首先选择反馈信号的反馈模式、设定控制目标，然后重复进行采集反馈信号、求解出控制量、利用执行元件带动探针和托盘移动的步骤，直至满足设定的控制目标或接受到结束命令为止。因此本发明能够方便的根据扫描观测实验中的反馈信号确定扫描观测实验中执行元件的空间位置状态和工作情况，从而得出扫描观测实验的实时工作状态。由于本发明的控制方法中执行程序的是硬件电路，因此可靠性强，且采集、求解、执行的控制方式带来更快的控制速度，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。

进一步的，本发明还具有良好的人机交互性能，能够通过上位机读出扫描观测实验的实时工作状态，下达扫描观测实验控制结束命令，也可通过存储器读取出整个扫描观测实验控制过程的全程纪录。

附图说明

图1为基于FPGA的扫描离子电导显微镜的控制器的结构示意图；

图2为扫描离子电导显微镜实验台的结构示意图；

图3为基于FPGA的扫描离子电导显微镜的控制方法的流程图；

图4为基于FPGA的扫描离子电导显微镜的控制方法结构示意图；

其中：1为上位机、2为离子电流放大器、3为基于FPGA的扫描离子电导显微镜的控制器、4为x方向直流无刷电机、5为y方向直流无刷电机、6为x和y方向压电陶瓷、7为z方向压电陶瓷、8为z方向直流无刷电机、9为玻璃探针、10为Ag/AgCl电极、11为电解液。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明提供的基于FPGA的扫描离子电导显微镜的控制器分为9个相互间并行操作的处理单元：时钟单元、I/O单元、通信单元、DA单元、AD单元、滤波单元、数据读写单元、PID求解单元、PWM输出单元，其中AD单元和I/O单元为信号采集单元，PWM输出单元和DA单元为输出单元。通信单元通过外围通讯接口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，同时可以通过外接键盘完成人机交互通信，能够通过上位机读出扫描观测实验的实时工作状态和全程记录，或在扫描观测实验过程中通过上位机下达结束命令。扫描观测实验中的闭合回路中的离子电流的反馈信号为数字反馈信号时，用I/O单元控制I/O口采集数字反馈信号；扫描观测实验中的闭合回路中的离子电流的反馈信号为模拟反馈信号时，用AD单元控制外接AD转换芯片采集模拟反馈信号；IO单元和AD单元在完成反馈信号采集后将其传送给滤波单元。滤波单元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。PID求解单元根据控制目标、测量值（扫描观测实验的实时运行状态）和自身设定的参数求解出控制量。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用于调整z方向的直流无刷电机的运转，从而带动扫描离子电导显微镜的探针在微米级尺度上进行移动，同时PWM输出单元根据控制量控制两个分别用于调整x、y方向的直流无刷电机的运转，从而带动扫描离子电导显微镜的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两个分别用于调整x和y方向的压电陶瓷和z方向的压电陶瓷的位移，从而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，进而控制扫描观测实验。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。时钟单元用于统一上述各单元操作时序。

在程序调试过程中，首先实现智能控制算法的片上化，采用超高速集成电路硬件描述语言——VHDL编制程序，然后将程序下载到现场可编程门阵列——FPGA中进行设计优化，改进算法、参数，经验证后利用硬件设计图制备专用集成电路——ASIC，即可得出基于FPGA的扫描离子电导显微镜的控制器。

图2为扫描离子电导显微镜实验台的结构示意图，从图中可以看出，基于FPGA的扫描离子电导显微镜的控制器3分别和上位机1、离子电流放大器2、x方向直流无刷电机4、y方向直流无刷电机5、z方向直流无刷电机8、x和y方向压电陶瓷6及z方向压电陶瓷7相连；z方向直流无刷电机8上固定有玻璃探针9，玻璃探针9内有待电解液和电极；x方向直流无刷电机4、y方向直流无刷电机5、x和y方向压电陶瓷6及z方向压电陶瓷7固定在一起，且z方向压电陶瓷7上固定有托盘，托盘上放置有培养皿，培养皿内有待检测样品、电解液和电极；玻璃探针9内的电极和培养皿内的电极分别与离子电流放大器2相连，构成闭合回路，玻璃探针9内的电极检测到离子电流信号后传送到离子电流放大器2中变成反馈信号。

参见图3，基于FPGA的扫描离子电导显微镜的控制方法，包括以下步骤：

第1步为硬件安装：将直流无刷电机和压电陶瓷按如图2所示组装起来，并将直流无刷电机、压电陶瓷分别与基于FPGA的扫描离子电导显微镜的控制器的PWM输出单元和DA单元的对应接口相连，将反馈信号与基于FPGA的扫描离子电导显微镜的的AD单元或IO单元相连，将上位机与基于FPGA的扫描离子电导显微镜的通信单元相连；

第2步初始化和参数设置：待基于FPGA的扫描离子电导显微镜的控制器上电后通过FPGA上的初始化按钮对其内部变量进行初始化操作，然后进行参数设置：确定被采集的反馈信号的反馈模式为交流或直流模式，确定反馈信号的扫描模式为等高度扫描模式还是跳跃式扫描模式，设定控制对象为探针和托盘，设定控制目标为扫描观测实验的闭合回路中反馈信号的离子电流降低至5%，设定反馈信号的阈值为被采集的反馈信号的离子电流降低至10%，计算并设定PID求解单元的参数；

第3步是扫描观测实验的实时工作状态的测量（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；

第4步，同时进行以下步骤：

第4.1步是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；

第4.2步是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；

第5步，再同时进行以下步骤：

第5.1步是利用数据读写单元记录控制量；

第5.2步是利用通信单元将控制量（直流无刷电机的位移、压电陶瓷的位移）传输给上位机，在上位机上进行实时显示；

第5.3步是当实时的反馈信号大于反馈信号的阈值时，进行第5.3.1步，当实时的反馈信号小于等于反馈信号的阈值时，进行第5.3.2步；

第5.3.1步是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驱动x方向直流无刷电机，从而带动扫描离子电导显微镜的探针在微米级尺度上进行移动，PWM输出单元根据控制量驱动y方向直流无刷电机和z方向直流无刷电机，从而带动扫描离子电导显微镜的托盘在微米级尺度上进行移动，进而调整扫描观测实验的实时工作状态，得到新的反馈信号；

第5.3.2步是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x和y方向压电陶瓷及z方向压电陶瓷的位移，从而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，进而调整扫描观测实验的实时工作状态，得到新的反馈信号；

第6步是重复进行第3步至第5步，直至满足设定的控制目标或接受到由上位机输入的结束命令为止。

如图4所示，本发明的基于FPGA的扫描离子电导显微镜的控制器控制直流无刷电机和压电陶瓷，从而控制探针和托盘进行位移，并且把探针和托盘的位移反馈给本发明的控制器，从而不断进行扫描观测实验控制；同时本发明的控制器与上位机相连，具有良好的人机交互性能，可通过上位机读出实时工作状态，也可通过存储器读取出整个控制过程的全纪录。

Claims (9)

1.基于FPGA的扫描离子电导显微镜的控制器，其特征在于：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。

2.根据权利要求1所述的基于FPGA的扫描离子电导显微镜的控制器，其特征在于：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。

3.根据权利要求1所述的基于FPGA的扫描离子电导显微镜的控制器，其特征在于：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。

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的基于FPGA的扫描离子电导显微镜的控制器，其特征在于：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。

5.根据权利要求1-3中任意一项所述的基于FPGA的扫描离子电导显微镜的控制器，其特征在于：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。

6.基于FPGA的扫描离子电导显微镜的控制方法，其特征在于，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；

5.3）当实时的反馈信号大于反馈信号的阈值时，进行步骤5.3.1），当实时的反馈信号小于等于反馈信号的阈值时，进行步骤5.3.2）；

5.3.1）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，从而调整扫描观测实验的实时工作状态，得到新的反馈信号；

5.3.2）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，从而调整扫描观测实验的实时工作状态，得到新的反馈信号；

6）重复进行步骤3）至步骤5），直至满足设定的控制目标或接收到由上位机输入的结束命令为止。

7.根据权利要求6所述的基于FPGA的扫描离子电导显微镜的控制方法，其特征在于：所述的反馈信号的扫描模式为等高度扫描模式或跳跃式扫描模式。

8.根据权利要求6所述的基于FPGA的扫描离子电导显微镜的控制方法，其特征在于：所述的控制目标为被采集的反馈信号的离子电流降低至5%。

9.根据权利要求6-8中任意一项所述的基于FPGA的扫描离子电导显微镜的控制方法，其特征在于：所述的反馈信号的阈值为被采集的反馈信号的离子电流降低至10%。

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