CN105807792B - 扫描离子电导显微镜的片上化控制器及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种扫描离子电导显微镜的片上化控制器及控制方法，将扫描离子电导显微镜控制系统所需要的主要逻辑功能模块，集成在一片可编程逻辑器件上，使控制系统由传统的板级系统设计转换到芯片级的系统设计，本发明用于扫描离子电导显微镜成像的控制，以芯片级的系统设计、模糊自适应PID控制的精确优化，提高控制系统的电磁干扰性和信号完整性，保证了控制系统的精度的要求，改善了成像质量。可编程片上化控制系统，以单芯片、低功耗、微封装等特点，有效的减少了PCB上IC芯片的数量，进而显著的提高控制系统的电磁干扰性和信号完整性，保证了控制系统的精度的要求。

Description

扫描离子电导显微镜的片上化控制器及控制方法

【技术领域】

本发明属于扫描离子电导显微镜成像控制领域，涉及一种扫描离子电导显微镜的片上化控制器及控制方法。

【背景技术】

扫描离子电导显微镜是继光学显微镜、电子显微镜、原子力显微镜之后的一种新型扫描探针显微镜，其以高分辨率、非接触、三维立体采集生物样本的结构与生理特征等优势，在生物医学领域有着重要的应用价值与广阔的发展前景。其基本功能原理如图2所示：是将一个Ag/AgCl电极置于充满电解液的微玻璃管中作为扫描探针，非导电样品放在一个充满电解液的培养皿底部。当扫描探针接近样品表面时，由于探针尖端开口空间的减小而限制电解质溶液中的离子自由流入扫描探针内，离子电流也就随之减小。由于离子电流的大小主要取决于离子电流发生电路的偏置电压的大小、探针尖端的开口半径、电解质溶液的浓度和探针到样品表面的距离。当偏置电压、探针尖端开口半径和电解质溶液的浓度一定时，离子电流的大小主要取决于探针尖端到样品表面的距离决定。这样在扫描过程中通过离子电流的大小作为反馈控制值，控制扫描探针尖端与样品表面的距离恒定。通过记录离子电流达到设定值时，X、Y、Z三个方向的压电陶瓷的坐标位置信息，进而获得样品表面的形貌信息。

传统的控制系统结构复杂，由于电子元器件数量多，各电子元件之间产生电磁干扰，导致信号完整性差，而且扫描离子电导显微镜的分辨率和成像质量不高。

【发明内容】

本发明的目的在于提出一种扫描离子电导显微镜的片上化控制器及控制方法，通过单个芯片完成扫描离子电导显微镜的主要逻辑功能，改善扫描离子电导显微镜控制系统的电磁兼容性和信号完整性，模糊自适应PID控制算法的优化，提高扫描离子电导显微镜的分辨率和成像质量。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

扫描离子电导显微镜的片上化控制器，包括基于FPGA的可编程片上化控制系统，以单个FPGA芯片完成扫描离子电导显微镜系统的主要逻辑功能；

实现扫描成像的模糊自适应PID模块；

带触屏功能呈现人机交互界面的LCD显示屏，通过触摸功能模块完成系统所需的命令收发、参数配置、扫描状态显示功能；

用于远程通信和系统升级的100M/10M以太网通讯模块，用于传输扫描过程中记录X、Y、Z方向的三维坐标信息，并将数据信息在远程PC端进行数据的分析和通过远程PC端对基于FPGA的可编程片上化控制系统进行系统的在线升级；

离子电流放大器，分别与基于FPGA的可编程片上化控制系统和扫描离子电导显微镜平台的微电流发生装置相连，将离子电流进行信号预处理然后送给FPGA可编程片上化控制系统的ADC模块；

X、Y、Z方向压电陶瓷伺服控制器，分别与基于FPGA的可编程片上化控制系统和X、Y、Z方向压电陶瓷相连，将基于FPGA的可编程片上化控制系统的控制量驱动X、Y、Z方向压电陶瓷运动，实现扫描离子电导显微镜的三维立体成像；

X、Y、Z方向高精密微型直流电机控制器，分别与基于FPGA的可编程片上化控制系统和X、Y、Z方向的高精密微型直流电机相连，实现扫描离子电导显微镜扫描探针的快速定位和大范围三维立体成像；

用于统一FPGA芯片上各模块操作时序的时钟单元。

进一步，所述基于FPGA的可编程片上化控制系统的逻辑功能IP模块包括软CPU IP核MicroBlaze、调试模块MDM IP核、总线IP核、系统中断控制IP核、定时器IP核、LED驱动IP核、UART的IP核、SPI_Flash驱动IP核、ADC和DAC驱动IP核、带触摸功能的LCD显示屏驱动IP核、100M/10M以太网驱动IP核。

一种扫描离子电导显微镜的片上化控制器的控制方法，包括以下步骤：

1)将基于FPGA的可编程片上化控制系统分别与离子电流放大器、X、Y、Z方向压电陶瓷伺服控制器、X、Y、Z方向高精密微型直流电机控制器相连，然后与扫描离子电导显微镜平台相连，接通各个模块的电气连接部分，启动系统；

2)上电后通过LCD显示屏的人机交互界面，配置扫描离子电导显微镜的片上化控制系统的初始化状态，使基于FPGA的可编程片上化控制系统分别通过UART与高精密微型直流电机控制器建立通信和100M/10M以太网通讯模块与远程PC端建立通信；

3)根据系统采集的实时电压信号，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，计算并设定模糊自适应PID模块的参数；设定扫描探针进入工作区的相关参数，通过模糊自适应PID模块计算X、Y、Z方向高精密微型直流电机的协调运动控制量，驱动X、Y、Z方向压电陶瓷和X、Y、Z方向高精密微型直流电机运动，以使扫描探针进入工作区；

4)扫描探针进入工作区；

5)扫描探针进入工作区成功后，根据当前的参数信息，设定扫描过程的具体参数；

6)扫描探针对样品表面进行扫描；

7)扫描完所有需要采样的数据后，通过100M/10M数据模块将扫描的数据传输给远程PC端，在远程PC端对扫描的数据进行分析处理；

8)根据远程PC端的处理结果，分析判断是否需要修改参数，重复进行步骤3)至步骤7)，直至获得较为理想的扫描图像为止。

进一步，所述步骤4)扫描探针进入工作区的具体过程为：

4.1)设定好进入工作区的工作参数后，通过触发LCD显示屏启动进入工作区程序；

4.2)由控制算法控制离子电流的采样周期，读取离子电流的大小，根据当前离子电流的大小，通过模糊自适应PID模块计算出当前的X、Y、Z方向压电陶瓷伺服控制器和X、Y、Z方向高精密微型直流电机的协调运动控制量；

4.3)X、Y、Z方向压电陶瓷伺服控制器和X、Y、Z方向高精密微型直流电机的协调运动控制量，分别通过DAC模块和X、Y、Z方向高精密微型直流电机控制器模块的处理后，驱动X、Y、Z方向压电陶瓷和X、Y、Z方向高精密微型直流电机运动；

4.4)循环执行步骤4.2)、4.3)，当采集的离子电流信号的值到达进入工作区时设定的阀值后，即终止进入工作区模块的运行，系统提示进入工作区成功，记录下当前X、Y、Z方向压电陶瓷和X、Y、Z方向高精密微型直流电机的三维坐标位置信息。

进一步，所述步骤6)扫描探针对样品表面进行扫描时的具体过程为：

6.1)设定好扫描过程的工作参数后，通过触发LCD显示屏启动进入扫描过程程序；

6.2)由控制算法控制离子电流的采样周期，读取离子电流的大小，根据当前离子电流的大小，通过模糊自适应PID模块计算出当前的X、Y、Z方向压电陶瓷伺服控制器和X、Y、Z方向高精密微型直流电机的协调运动控制量；

6.3)通过模糊自适应PID模块计算出X、Y、Z方向压电陶瓷伺服控制器和X、Y、Z方向高精密微型直流电机的协调运动控制量，分别通过DAC模块和X、Y、Z方向高精密微型直流电机控制器模块的处理后，驱动X、Y、Z方向压电陶瓷和X、Y、Z方向高精密微型直流电机运动；

6.4)在循环执行步骤6.2)、6.3)，当采集的离子电流信号的值到达进入工作区时设定的阀值后，即终止进入工作区模块的运行，系统提示进入工作区成功，记录下当前X、Y、Z方向压电陶瓷和X、Y、Z方向高精密微型直流电机的三维坐标位置信息；

6.5)在循环执行步骤6.2)、6.3)、6.4)，当采集的数据点数达到设定的扫描一行的控制量时，存储当前扫描行的数据信息；同时控制程序扫描下一行；

6.6)在循环执行步骤6.2)、6.3)、6.4)、6.5)，当扫描的行数达到设定值时，扫描过程结束。

进一步，所述步骤3)中反馈模式为电压反馈模式或电压变化率反馈模式。

进一步，扫描探针进入工作区过程中和扫描探针对样品表面进行扫描过程中，通过模糊自适应PID模块计算的算法以设定电压与ADC模块当前采样电压误差e，误差变化率ec为输入变量，利用模糊方法在线整定PID的三个参数。

相对于现有技术，本发明的有益效果为：

本发明提供的扫描离子电导显微镜的片上化控制器，用于扫描离子电导显微镜(SICM)以高分辨率、非接触、三维立体采集生物样本的扫描成像的控制。本发明在一块FPGA芯片上集成系统所需要的：Xilinx的软CPU IP核MicroBlaze、MicroBlaze的调试模块MDMIP核、AXI总线IP核、系统中断控制IP核、定时器IP核、LED驱动IP核、UART的IP核、SPI_Flash驱动IP核、ADC和DAC驱动IP核、带触摸功能的LCD显示屏驱动IP核等，完成扫描离子电导显微镜所需要的主要逻辑功能部件。将传统的控制系统由板级系统设计到芯片级的系统的设计，由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能，减少了电子元器件的数量，显著的提高了SICM控制系统电磁兼容性和信号完整性，改善了成像质量。可编程片上化控制系统，以单芯片、低功耗、微封装等特点，有效的减少了PCB上IC芯片的数量，进而显著的提高控制系统的电磁干扰性和信号完整性，保证了控制系统的精度的要求。

本发明提供的扫描离子电导显微镜的片上化控制器的运动执行机构部分，采用最大行程为15mm的X、Y、Z方向高精密微型直流电机和0.1mm的X、Y、Z方向压电陶瓷协调运动，可实现对扫描探针的快速定位和样品的大范围三维立体成像。

本发明提供的扫描离子电导显微镜的片上化控制器的控制方法，采用模糊自适应PID控制算法，精确、快速实现对扫描探针的定位，提高了系统的控制精度和成像质量。本发明首次提出使用远程PC端和LCD显示屏显示，脱离了传统的PC机作为上位机的控制模式，有效的改善了整个控制系统的电磁兼容性和系统功耗。结合SOPC系统具有灵活的设计方式，可裁减、可扩充、可升级，并具备软硬件可编程的功能，使用远程PC端可以便捷的实现系统的在线升级。

扫描离子电导显微镜的片上化控制系统IP核是组成本控制系统的核心设计模块，依托于Xilinx公司的FPGA集成开发环境ISE下，使用软硬件协同设计的方法以及硬件描述语言Verilog对系统所需要扩展的IP进行设计。扫描离子电导显微镜的片上化控制系统在构建过程中，基于IP核的复用技术，依托于Xilinx公司的FPGA集成开发环境ISE下，开发了经过Xilinx公司优化过的CPU软IP核MicroBlaze和部分系统所需要的IP核，来优化构建本片上化控制系统；本设计思想加速了设计的效率，提高了控制系统的可靠性。

【附图说明】

图1为扫描离子电导显微镜的片上化控制器的结构示意图；

图2为扫描离子电导显微镜的片上化控制器的结构功能结构示意图；

图3为扫描离子电导显微镜的片上化控制器的控制流程图；

图4为扫描离子电导显微镜的片上化控制器的进入工作区的控制流程图；

图5为扫描离子电导显微镜的片上化控制器的扫描过程的控制流程图；

【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，本发明提供的扫描离子电导显微镜的片上化控制器主要包括：基于FPGA的可编程片上化控制系统(SOPC系统)、离子电流放大器、X、Y、Z方向压电陶瓷伺服控制器、X、Y、Z方向高精密微型直流电机控制器和扫描离子电导显微镜平台。

其中基于FPGA的可编程片上化控制系统，由单个FPGA芯片完成系统的主要逻辑功能，具体包含的逻辑功能IP模块为：Xilinx的软CPU IP核MicroBlaze、MicroBlaze的调试模块MDM IP核、AXI总线IP核、系统中断控制IP核、定时器IP核、LED驱动IP核、UART的IP核、SPI_Flash驱动IP核、ADC和DAC驱动IP核、带触摸功能的LCD显示屏驱动IP核等；

LCD显示屏主要用于呈现控制系统的人机交互界面，通过触摸功能模块完成系统所需的命令收发、参数配置、扫描状态显示等主要功能；

离子电流放大器，分别与基于FPGA的SOPC控制系统和扫描离子电导显微镜平台的微电流发生装置相连，将离子电流进行信号预处理然后送给SOPC系统的ADC模块；

X、Y、Z方向压电陶瓷伺服控制器，分别与基于FPGA的SOPC控制系统和X、Y、Z方向压电陶瓷相连，将SOPC控制系统的控制量驱动给X、Y、Z方向压电陶瓷运动，实现扫描离子电导显微镜的三维立体成像；

X、Y、Z方向的高精密微型直流电机控制器，分别与基于FPGA的SOPC控制系统和X、Y、Z方向的高精密微型直流电机相连，实现扫描离子电导显微镜扫描探针的快速定位和大范围三维立体成像。

还包括基于FPGA的可编程片上化控制系统平台上的100M/10M以太网通讯模块的数据传输单元，用于传输扫描过程中记录X、Y、Z方向的三维坐标信息，并将数据信息在远程PC端进行数据的分析和通过远程PC端对SOPC系统进行系统的在线升级。

所述的扫描离子电导显微镜平台包括一定的偏置电压源、玻璃微电极探针、Ag/AgCl电极、离子电流放大器模块、扫描样品和盛满电解质溶液的培养皿。当搭建好闭合电路后，随着扫描玻璃微电机探针进入电解质溶液中，当玻璃微探针接近样品表面的距离小于探针尖端的开口半径时，离子电流会减小。

所述的离子电流信号调理模块包括用于采集离子电流和对离子电流进行预处理的离子电流放大器和用于将离子电流放大器输出的电压值复合SOPC控制系统处理范围的信号放大模块。

所述的SOPC控制系统的LCD显示屏，主要用于扫描离子电导显微镜的片上化控制系统的人机交互界面的显示，控制系统参数的设置、命令的收发、系统状态的实时显示等功能。

所述的SOPC控制系统的ADC模块，将调理好的信号通过ADC模块将模拟的电压信号转换成数字信号，然后输入到SOPC控制系统中的模糊自适应PID模块，计算出X、Y、Z方向压电陶瓷和X、Y、Z方向高精密微型直流电机的协调运动的控制量。进而通过X、Y、Z方向压电陶瓷伺服控制器控制X、Y、Z方向压电陶瓷运动。

所述的SOPC控制系统的DAC模块，将模糊自适应PID算法模块计算处计算出X、Y、Z方向压电陶瓷和X、Y、Z方向高精密微型直流电机的运动控制量的数字信号转换成模拟电压信号，然后输入到X、Y、Z方向压电陶瓷伺服控制器模块和高精密微型直流电机模块，进而驱动X、Y、Z方向的高精密微型直流电机和X、Y、Z方向压电陶瓷运动。

所述的SOPC控制系统的闭环控制扫描成像系统，当离子电流达到设定值后，记录下当前位置的X、Y、Z压电陶瓷的位置信息，然后控制扫描下一位置点的信息，最终完成整个扫描样品的三维立体数据的采集记录。

所述的扫描离子电导显微镜的片上化控制器的反馈信号的反馈模式为设定电压反馈模式或电压变化率反馈模式。

所述的扫描离子电导显微镜的片上化控制系统的控制目标为的设定阀值，为根据实验条件，设定离子电流经过信号处理后转换的电压信号降低至当前值得5％至10％。

在基于FPGA的SOPC控制系统的设计过程中，以Xilinx公司提供的ISE集成开发环境为依托，采用软硬件协同设计方法，综合分析系统软硬件的功能以及现有资源，强调软件和硬件设计开发的并行性和相互反馈，协同设计软硬件体系结构，以便扫描离子电导显微镜的片上化控制系统工作在最佳工作状态，来完成系统所需要的IP核的设计，并使用Modelsim仿真软件对模块进行时序和功能的仿真优化。

图2为扫描离子电导显微镜的片上化控制器的结构功能结构示意图，从图中可以看出，扫描离子电导显微镜的偏上化控制系统的工作过程为，通过纳安级的电流放大器，从离子电流实验平台处采集离子电流信号，由ADC模块将模拟的电压信号转换成数字信号，提供给基于FPGA的SOPC控制器处理。SOPC控制系统的模糊自适应PID模块根据采样的信号值，计算出对X、Y、Z三方向的X、Y、Z方向高精密微型直流电机和X、Y、Z方向压电陶瓷的控制量。控制量经DAC模快将数字量转换成模拟量，进而驱动X、Y、Z方向压电陶瓷伺服控制器和高精密微型直流电机控制器，控制X、Y、Z方向压电陶瓷和高精密微型直流电机协调运动。然后在采样，处理，控制等形成一个闭环控制，直到完成被扫描样品的成像为止。当完成样品的扫描后，将采样的数据经由100M/10M以太网通讯模块传输给远程的PC端，进而对扫描的图像进行分析处理。同时，远程的PC端结合基于FPGA的SOPC控制系统的灵活的设计方式，可裁减、可扩充、可升级，并具备软硬件可编程的功能，使用远程PC端可以便捷的实现系统的在线升级。

参见图3，为扫描离子电导显微镜的片上化控制器的控制流程图，包括以下步骤：

第1步将基于FPGA的SOPC控制系统分别与离子电流放大器、X、Y、Z方向压电陶瓷伺服控制器、X、Y、Z方向高精密微型直流电机相连，然后与扫描离子电导显微镜平台相连。接通各个模块的电气连接部分，启动系统

第2步初始化和参数设置：上电后通过LCD显示屏上的人机交互界面，配置扫描离子电导显微镜的片上化控制系统的初始化状态，使SOPC控制系统分别通过UART与高精密微型直流电机控制器建立通信和100M/10M以太网通讯模块与远程PC端建立通信；

第3步是调节扫描探针进入电解质溶液中，观测实验的实时工作状态的测量(数据采集)；

第4步，设定进入工作区的系统参数信息，如图4所示，同时进行以下步骤：

第4.1步是通过触发LCD显示屏上的Move to WorkSpace按键，启动进入工作区程序；

第4.2步是由控制算法控制离子电流的采样周期，读取离子电流的大小，根据当前离子电流的大小，通过模糊自适应PID模块，计算出当前的X、Y、Z方向压电陶瓷伺服控制器和X、Y、Z方向高精密微型直流电机的协调运动控制量；

第4.3步是X、Y、Z方向压电陶瓷伺服控制器和X、Y、Z方向高精密微型直流电机的协调运动控制量，分别通过DAC模块和X、Y、Z方向高精密微型直流电机控制器模块的处理后，驱动X、Y、Z方向压电陶瓷和X、Y、Z方向高精密微型直流电机运动；

第4.4步是在循环执行步骤4.2步、4.3步，当采集的离子电流信号的值到达进入工作区时设定的阀值后，即终止进入工作区模块的运行，系统提示进入工作区成功，记录下当前X、Y、Z方向压电陶瓷和X、Y、Z方向高精密微型直流电机的三维坐标位置信息；

第5步是进入工作区成功后，根据当前的参数信息，设定扫描过程的具体参数；

第6步是如图5所示，扫描探针对样品表面进行扫描时的具体过程：

第6.1步是设定好扫描过程的工作参数后，通过触发LCD显示屏上的Scan Move按键，启动进入扫描过程程序；

第6.2步是由控制算法控制离子电流的采样周期，读取离子电流的大小，根据当前离子电流的大小，通过模糊自适应PID模块，计算出当前的X、Y、Z方向压电陶瓷伺服控制器和X、Y、Z方向高精密微型直流电机的协调运动控制量；

第6.3步是X、Y、Z方向压电陶瓷伺服控制器和X、Y、Z方向高精密微型直流电机的协调运动控制量，分别通过DAC模块和X、Y、Z方向高精密微型直流电机控制器模块的处理后，驱动X、Y、Z方向压电陶瓷和X、Y、Z方向高精密微型直流电机运动；

第6.4步是在循环执行步骤6.2、6.3步，当采集的离子电流信号的值到达进入工作区时设定的阀值后，即终止进入工作区模块的运行，系统提示进入工作区成功，记录下当前X、Y、Z方向压电陶瓷和X、Y、Z方向高精密微型直流电机的三维坐标位置信息；

第6.5步是在循环执行步骤6.2、6.3、6.4步，当采集的数据点数达到设定的扫描一行的控制量时，存储当前扫描行的数据信息；同时控制程序扫描下一行；

第6.6步是在循环执行步骤6.2、6.3、6.4、6.5步，当扫描的行数达到设定值时，扫描过程结束。

第7步是扫描完所有需要采样的数据后，通过100M/10M数据模块将扫描的数据传输给远程PC端，可以在远程PC端对扫描的数据进行分析处理。

第8步是根据远程PC端的处理结果，分析判断是否需要修改参数，重复进行步骤3至步骤7，直至获得较为理想的扫描图像为止。

本发明的扫描离子电导显微镜的片上化控制器，结合基于FPGA的SOPC控制系统的灵活的设计方式，可裁减、可扩充、可升级，并具备软硬件可编程的功能，使用远程PC端可以便捷的实现系统的在线升级；以单芯片、低功耗、微封装等特点，有效的减少了PCB上IC芯片的数量，进而显著的提高控制系统的电磁干扰性和信号完整性，保证了控制系统的精度的要求，改善了扫描离子试验台的成像质量。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (7)

1.扫描离子电导显微镜的片上化控制器，其特征在于：包括基于FPGA的可编程片上化控制系统，以单个FPGA芯片完成扫描离子电导显微镜系统的主要逻辑功能；

实现扫描成像的模糊自适应PID模块；

带触屏功能呈现人机交互界面的LCD显示屏，通过触摸功能模块完成系统所需的命令收发、参数配置、扫描状态显示功能；

用于远程通信和系统升级的100M/10M以太网通讯模块，用于传输扫描过程中记录X、Y、Z方向的三维坐标信息，并将数据信息在远程PC端进行数据的分析和通过远程PC端对基于FPGA的可编程片上化控制系统进行系统的在线升级；

离子电流放大器，分别与基于FPGA的可编程片上化控制系统和扫描离子电导显微镜平台的微电流发生装置相连，将离子电流进行信号预处理然后送给FPGA可编程片上化控制系统的ADC模块；

X、Y、Z方向压电陶瓷伺服控制器，分别与基于FPGA的可编程片上化控制系统和X、Y、Z方向压电陶瓷相连，将基于FPGA的可编程片上化控制系统的控制量驱动X、Y、Z方向压电陶瓷运动，实现扫描离子电导显微镜的三维立体成像；

X、Y、Z方向高精密微型直流电机控制器，分别与基于FPGA的可编程片上化控制系统和X、Y、Z方向的高精密微型直流电机相连，实现扫描离子电导显微镜扫描探针的快速定位和大范围三维立体成像；

用于统一FPGA芯片上各模块操作时序的时钟单元。

2.如权利要求1所述的扫描离子电导显微镜的片上化控制器，其特征在于：所述基于FPGA的可编程片上化控制系统的逻辑功能IP模块包括软CPU IP核MicroBlaze、调试模块MDM IP核、总线IP核、系统中断控制IP核、定时器IP核、LED驱动IP核、UART的IP核、SPI_Flash驱动IP核、ADC和DAC驱动IP核、带触摸功能的LCD显示屏驱动IP核、100M/10M以太网驱动IP核。

3.一种如 权利要求1所述的 扫描离子电导显微镜的片上化控制器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将基于FPGA的可编程片上化控制系统分别与离子电流放大器、X、Y、Z方向压电陶瓷伺服控制器、X、Y、Z方向高精密微型直流电机控制器相连，然后与扫描离子电导显微镜平台相连，接通各个模块的电气连接部分，启动系统；

2)上电后通过LCD显示屏的人机交互界面，配置扫描离子电导显微镜的片上化控制系统的初始化状态，使基于FPGA的可编程片上化控制系统分别通过UART与高精密微型直流电机控制器建立通信和100M/10M以太网通讯模块与远程PC端建立通信；

3)根据系统采集的实时电压信号，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，计算并设定模糊自适应PID模块的参数；设定扫描探针进入工作区的相关参数，通过模糊自适应PID模块计算X、Y、Z方向高精密微型直流电机的协调运动控制量，驱动X、Y、Z方向压电陶瓷和X、Y、Z方向高精密微型直流电机运动，以使扫描探针进入工作区；

4)扫描探针进入工作区；

5)扫描探针进入工作区成功后，根据当前的参数信息，设定扫描过程的具体参数；

6)扫描探针对样品表面进行扫描；

7)扫描完所有需要采样的数据后，通过100M/10M数据模块将扫描的数据传输给远程PC端，在远程PC端对扫描的数据进行分析处理；

8)根据远程PC端的处理结果，分析判断是否需要修改参数，重复进行步骤3)至步骤7)，直至获得较为理想的扫描图像为止。

4.根据权利要求3所述的扫描离子电导显微镜的片上化控制器的控制方法，其特征在于：所述步骤4)扫描探针进入工作区的具体过程为：

4.1)设定好进入工作区的工作参数后，通过触发LCD显示屏启动进入工作区程序；

4.2)由控制算法控制离子电流的采样周期，读取离子电流的大小，根据当前离子电流的大小，通过模糊自适应PID模块计算出当前的X、Y、Z方向压电陶瓷伺服控制器和X、Y、Z方向高精密微型直流电机的协调运动控制量；

4.3)X、Y、Z方向压电陶瓷伺服控制器和X、Y、Z方向高精密微型直流电机的协调运动控制量，分别通过DAC模块和X、Y、Z方向高精密微型直流电机控制器模块的处理后，驱动X、Y、Z方向压电陶瓷和X、Y、Z方向高精密微型直流电机运动；

4.4)循环执行步骤4.2)、4.3)，当采集的离子电流信号的值到达进入工作区时设定的阀值后，即终止进入工作区模块的运行，系统提示进入工作区成功，记录下当前X、Y、Z方向压电陶瓷和X、Y、Z方向高精密微型直流电机的三维坐标位置信息。

5.根据权利要求3所述的扫描离子电导显微镜的片上化控制器的控制方法，其特征在于：所述步骤6)扫描探针对样品表面进行扫描时的具体过程为：

6.1)设定好扫描过程的工作参数后，通过触发LCD显示屏启动进入扫描过程程序；

6.2)由控制算法控制离子电流的采样周期，读取离子电流的大小，根据当前离子电流的大小，通过模糊自适应PID模块计算出当前的X、Y、Z方向压电陶瓷伺服控制器和X、Y、Z方向高精密微型直流电机的协调运动控制量；

6.3)通过模糊自适应PID模块计算出X、Y、Z方向压电陶瓷伺服控制器和X、Y、Z方向高精密微型直流电机的协调运动控制量，分别通过DAC模块和X、Y、Z方向高精密微型直流电机控制器模块的处理后，驱动X、Y、Z方向压电陶瓷和X、Y、Z方向高精密微型直流电机运动；

6.4)在循环执行步骤6.2)、6.3)，当采集的离子电流信号的值到达进入工作区时设定的阀值后，即终止进入工作区模块的运行，系统提示进入工作区成功，记录下当前X、Y、Z方向压电陶瓷和X、Y、Z方向高精密微型直流电机的三维坐标位置信息；

6.5)在循环执行步骤6.2)、6.3)、6.4)，当采集的数据点数达到设定的扫描一行的控制量时，存储当前扫描行的数据信息；同时控制程序扫描下一行；

6.6)在循环执行步骤6.2)、6.3)、6.4)、6.5)，当扫描的行数达到设定值时，扫描过程结束。

6.根据权利要求3所述的扫描离子电导显微镜的片上化控制器的控制方法，其特征在于：所述步骤3)中反馈模式为电压反馈模式或电压变化率反馈模式。

7.根据权利要求4或5所述的扫描离子电导显微镜的片上化控制器的控制方法，其特征在于：扫描探针进入工作区过程中和扫描探针对样品表面进行扫描过程中，通过模糊自适应PID模块计算的算法以设定电压与ADC模块当前采样电压误差e，误差变化率ec为输入变量，利用模糊方法在线整定PID的三个参数。