CN104035365B - 基于fpga和dsp的原子力显微镜硬件控制系统 - Google Patents

Abstract

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。针对原子力显微镜扫描时，因硬件控制系统运行速度过慢导致的扫描速度过慢的问题。本发明首先提出了全新的原子力显微镜控制方案，并提出了以现场可编程门阵列（FPGA）和数字信号处理器（DSP）为核心的硬件控制系统架构，然后根据该方案设计了相关的硬件电路系统，包括模数和数模转换模块、FPGA核心控制模块和DSP核心控制模块。与现有控制系统相比，该发明更好地利用了数字逻辑器件各自的优点，并设计了相应的高速高精度转换电路，弥补了传统方案扫描速度过慢、外围电路精度不高的缺点。实验结果表明，该发明可以更快速且更高精度地完成扫描。

Description

基于FPGA和DSP的原子力显微镜硬件控制系统

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 SignalProcessor，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。

本发明的优点和积极效果：

本发明提出了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。与传统的基于PC或基于PC-FPGA、PC-DSP的控制系统相比，该发明更好地利用了不同嵌入式的优势，提出了更加合理的硬件控制方案，且相应的模拟和数字信号转换电路的位数更高，进而提高成像精度。

附图说明

图1是原子力显微镜硬件控制系统整体架构示意图；

图2是原子力显微镜硬件控制系统电路设计模块框图。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，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。

本发明具体设计内容如图2所示，包括：模拟数字信号转换模块；现场可编程门阵列（FPGA）模块；数字信号处理器（DSP）模块；数字模拟信号转换模块。

各模块具体功能及设计如下：

模拟数字信号转换模块由电源电路、电压幅值转换电路和模数转换（ADC）电路组成。电源电路由3块TPS7A4901芯片和1块TPS7A3001芯片，分别提供+15V、+12V、+5V和-15V电源电压。电压幅值转换电路作用是将从激光检测部分采集到的光斑位置信号、电容传感器输出信号、压电陶瓷3的三维传感器输出信号的幅值范围变换到模拟数字转换芯片可以接受的输入信号幅值范围之内，每一路模拟数字转换均需一路电压幅值转换，电压幅值变换电路采用芯片AD8675完成电压信号反相比例变换，然后采用芯片ADA4941-1完成1倍增益反相变换。模拟数字转换电路共有8路，其中4路，作用是将经过电压幅值变换的原子力显微镜激光检测部分输出的光斑位置信息转换为数字信号，由芯片AD7690完成，每一路模拟数字转换均需一片AD7690；其中1路，作用是将经过电压幅值变换的原子力显微镜二级运动平台外置的电容传感器输出的位移信号转换为数字信号，由芯片AD7690完成；其中3路，作用是将经过电压幅值变换的原子力显微镜二级运动平台的压电陶瓷3的传感器输出的位移信号转换为数字信号，由芯片AD7690完成，每一路模拟数字转换均需一片AD7690。

现场可编程门阵列（FPGA）模块由电源电路和现场可编程门阵列（FPGA）电路组成。电源电路由芯片LM2596s-3.3提供+3.3V电源电压，由芯片LM1117-1.2提供+1.2V电源电压。现场可编程门阵列电路作用有两个，一是采集数字信号处理器（DSP）模块的地址信号并进行译码，选择模拟数字转换模块的某一路输出的数字信号进行采集，输出给数字信号处理器（DSP）模块进行算法计算；二是采集数字信号处理器（DSP）模块的地址信号并进行译码，然后采集数据总线上的控制量信号，根据地址将该数字信号发送给数字模拟信号转换模块的某一路进行数字模拟信号转换。现场可编程门阵列电路采用的FPGA芯片为EP2C5Q208C8N。

数字信号处理器（DSP）模块包括电源电路和数字信号处理器电路。电源电路由现场可编程门阵列（FPGA）模块提供+3.3V电源电压，由芯片LM1117MPX-1.2提供+1.2V电源电压。数字信号处理器电路的作用是输出地址信号给现场可编程门阵列（FPGA）模块，采集需要进行算法计算的数字信号，使用内部算法计算得到控制量信息，并将控制量通过数据总线输出。数字信号处理器电路采用的DSP芯片为TMS320C6713。

数字模拟转换模块包括电源电路、输入缓冲电路、数字模拟转换电路和输出缓冲电路。电源电路由2块TPS7A4901芯片和1块TPS7A3001组成，分别提供+15V、+5V电源电压和-15V电源电压。输入缓冲电路的作用是使数字模拟转换的基准输入达到额定的线性度，使用芯片AD8676作为基准电压缓冲器，每一路数字模拟转换均需一路输入缓冲。数字模拟转换电路共有7路，其中1路用于将一维压电陶瓷1的数字控制信号转换为模拟信号，由芯片AD5781完成；其中3路用于将三维压电陶瓷2的数字控制信号转换为模拟信号，由芯片AD5781完成，每一路数字模拟转换均需一片AD5781；其中3路用于将三维压电陶瓷3的数字控制信号转换为模拟信号，由芯片AD5781完成，每一路数字模拟转换均需一片AD5781。输出缓冲模块电路的作用是驱动低电阻、高电容的负载（即压电陶瓷），由芯片AD8675作为输出缓冲器，每一路数字模拟转换均需一路输出缓冲。

本发明效果验证实验

第1、模拟数字转换实验，步骤如下：

第1.1、将DSP模块电路板安装于FPGA模块电路板之上；

第1.2、将模拟数字转换模块电路板垂直插放于FPGA模块电路板之上；

第1.3、将DSP模块电路板与电脑连接；

第1.4、将待转换信号连接到模拟数字转换电路板的输入端；

第1.5、接通FPGA电路板和DSP电路板电源；

第1.6、自动运行FPGA与DSP中已下载的程序；

第1.7、读取转换结果。

第2、数字模拟转换实验，步骤如下：

第2.1、将DSP模块电路板安装于FPGA模块电路板之上；

第2.2、将数字模拟转换模块电路板垂直插放于FPGA模块电路板之上；

第2.3、将DSP模块电路板与电脑连接；

第2.4、接通FPGA电路板和DSP电路板电源；

第2.5、自动运行FPGA与DSP中已下载的程序，将待转换数据写入；

第2.6、测量转换结果。

表1显示了模拟数字转换实验结果对比。可以看出本发明能够实现较准确的模拟数字信号转换，实现原子力显微镜的高速高精度控制。

表1 AD转换结果

表2显示了数字模拟转换实验结果对比。可以看出本发明能够实现较准确的数字模拟信号转换，实现原子力显微镜的高速高精度控制。

表2 DA转换结果

参考文献

[1]Ando, T. High-speed atomic force microscopy coming of age.Nanotechnology. 2012, 23 (6), 062001.

[2]Howard-Knight, J.P.; Hobbs, J.K. Finite element modeling of atomicforce microscopy cantilever dynamics during video rate imaging. Journal ofApplied Physics. 2011, 109 (7), 074309.

[3]Volden T., Barrettino D., Hafizovic S., et. al. Single-chip AFMarray with integrated digital controllers. Sensors, 2004, Proceedings ofIEEE. 2004, 3:1228~1231.

[4]Cheng P.K., Yackoboski K., McGonigal G.C., et.al. A digital signalprocessor based atomic force microscope controller. Communications, Power,and Computing. Conference Proceedings, IEEE,1995,12:456~ 461

[5]李敏，韩立，林云生等. 基于DSP的高速原子力显微镜系统. 电子显微学报，Feb. 2007，26(1): 40~43

[6]孙轶凡.基于FPGA的原子力显微镜快速控制嵌入式系统设计与实现：[硕士学位论文].天津：南开大学，2011

Claims (9)

1.一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，其特征在于该硬件控制系统包括：

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。

2.根据权利要求1所述的原子力显微镜硬件控制系统，其特征在于，所述的模拟数字转换电路模块，包括与原子力显微镜的激光检测部分连接的接口、4路模拟数字转换(ADC)电路、与原子力显微镜的外置电容传感器连接的外设接口、1路模拟数字转换(ADC)电路、与第三压电陶瓷的三维传感器连接的外设接口、3路模拟数字转换(ADC)电路以及与现场可编程门阵列电路连接的外设接口：其中，与原子力显微镜的激光检测连接的接口和4路模数转换电路相连，与原子力显微镜的外置电容传感器连接的外设接口和1路模数转换电路相连，与第三压电陶瓷的三维传感器连接的外设接口与3路模数转换电路相连，以上8路模数转换电路均与现场可编程门阵列电路模块通过接口连接。

3.根据权利要求2所述的原子力显微镜硬件控制系统，其特征在于，与原子力显微镜的激光检测连接的接口为5X2、2.54mm插针；与原子力显微镜的外置电容传感器连接的外设接口为1个2X1、2.54mm插针；与第三压电陶瓷的三维传感器连接的外设接口为3个2X1、2.54mm插针；模拟数字转换采用芯片AD7690实现；模数转换电路与现场可编程门阵列电路模块连接的电路板接口采用12X2、2.54mm插针。

4.根据权利要求1所述的原子力显微镜硬件控制系统，其特征在于，所述的数字模拟转换电路模块，包括与现场可编程门阵列电路模块相连的外设接口、1路数字模拟转换(DAC)电路、与第一功率放大器连接的接口、两个3路数字模拟转换(DAC)电路、与第二功率放大器连接的接口以及与第三压电陶瓷连接的接口：其中，1路数字模拟转换(DAC)电路与第一功率放大器连接，一个3路数字模拟转换(DAC)电路与第二功率放大器连接，另一个3路数字模拟转换(DAC)电路与第三压电陶瓷连接，以上所有数模转换电路均与现场可编程门阵列电路模块的外设接口连接。

5.根据权利要求4所述的原子力显微镜硬件控制系统，其特征在于，与现场可编程门阵列电路模块相连的外设接口采用12X2、2.54mm插针，与第一功率放大器连接的接口、与第二功率放大器连接的接口以及与第三压电陶瓷连接的接口均采用2X1、2.54mm插针，数模转换芯片采用AD5781实现，数模转换电路与现场可编程门阵列电路模块连接的电路板接口采用12X2、2.54mm插针。

6.根据权利要求1所述的原子力显微镜硬件控制系统，其特征在于，所述的现场可编程门阵列电路模块包含与模拟数字转换电路模块相连的外设接口、与数字信号处理电路模块相连的DSP接口、与数字模拟转换电路模块相连的外设接口以及现场可编程门阵列芯片电路：其中，与模拟数字转换电路模块相连的外设接口、与数字信号处理电路模块相连的DSP接口以及与模拟数字转换电路板相连的外设接口均与现场可编程门阵列芯片电路连接。

7.根据权利要求6所述的原子力显微镜硬件控制系统，其特征在于，与模拟数字转换电路模块相连的外设接口为2个12X2、2.54mm插针，与数字信号处理电路模块相连的DSP接口为1个16X2、2.54mm插针和1个32X2、2.54mm插针，与数字模拟转换电路模块相连的接口为2个12X2、2.54mm插针，现场可编程门阵列电路采用芯片EP2C5Q208C8N及其配置芯片。

8.根据权利要求1所述的原子力显微镜控制系统，其特征在于，所述的数字信号处理器电路模块包含与现场可编程门阵列电路模块相连的DSP接口以及数字信号处理器电路：其中，与现场可编程门阵列电路模块相连的DSP接口和数字信号处理器电路连接。

9.根据权利要求8所述的原子力显微镜控制系统，其特征在于，与现场可编程门阵列电路模块相连的接口为1个16X2、2.54mm插针和1个32X2、2.54mm插针，数字信号处理器电路采用芯片TMS320C6713。