CN1912573A - 扫描探针显微镜的数字闭环扫描控制系统 - Google Patents

Abstract

一种扫描探针显微镜的数字闭环扫描控制系统，包括电子学部分、SPM探头部分和数字PID控制程序。电子学部分以DSP主控板为核心，DSP主控板上的DSP芯片通过USB接口和上位机实现通讯，并从DSP提供的总线中的地址、数据和控制线通过接口电路连接至各个模块板卡上的CPLD芯片，然后通过对CPLD的编程来实现地址译码、数据读写或锁存等工作，实现DSP主控板对其余各功能板块的控制，对A/D板过来的数据进行采集和数字PID调节，以及将调节后的数据送入D/A转换板，从D/A板出来的电气信号经高压放大板滤波放大后，控制探头进行扫描。以DSP作为运算基础的数字PID控制程序可令扫描探针显微镜在扫描过程中完全通过数字闭环控制来进行信号跟踪和反馈。

Description

扫描探针显微镜的数字闭环扫描控制系统

技术领域

本发明涉及SPM(扫描探针显微镜)的控制系统，特别涉及利用数字闭环技术实现扫描的扫描探针显微镜控制系统。

背景技术

SPM(Scanning Probe Microscope)即扫描探针显微镜，是一种集多种现代技术于一身的新型表面分析仪器，它是世界上分辨率最高的显微镜，也是研究纳米技术的最有力的工具。

SPM在其扫描过程中，探针，光路，压电陶瓷扫描管以及相应控制电路组成了一个闭环反馈系统。如图1所示，针尖趋近样品表面并与表面轻轻接触，由于针尖尖端原子与样品表面原子之间存在着相互作用力(主要是原子间的排斥力)，当压电陶瓷扫描管带动针尖进行X，Y方向扫描时，每扫描到一个位置，由于样本表面的起伏，针尖与样本间的相互斥力会因为相互间距离的接近或远离发生变化，从而造成与针尖相连的微悬臂发生弹性形变，利用一束激光照射到微悬臂的背面，微悬臂将激光束反射到一个光电检测器，检测器接收的激光强度偏差值与微悬臂的形变量呈一定比例关系，并将该激光强度偏差值变换成统一的标准信号送入控制器，偏差信号在控制器中进行相应运算后形成控制量并送到控制对象压电陶瓷管上，通过调节压电陶瓷管Z方向的伸缩来保持针尖与样本间的作用力恒定，便能保证微悬臂在形变后及时恢复正常状态，从而保证下一个点位置的扫描，同时针尖行进到每一位置的闭环控制量即压电陶瓷扫描管的伸缩量也被记录下来，由此得到样品表面形貌的图像。

相对于其他表面分析仪器，SPM具有以下优点：

1、具有原子级高分辨率。

2、可以观察单个原子层的局部表面结构，而不是整个表面的平均性质。

3、可观察表面电子结构信息。

4、可实时地得到实空间中表面的三维图像，可用于具有周期性或不具备周期性的表面结构研究。

5、真空、大气、常温、低温、溶液、电势控制下观察。

6、对样品无高能电子束伤害。

基于上述优点，SPM被广泛的应用于表面原子结构观察、化学反应表面观察、吸附结构(催化机理)观察、纳米尺度上的电磁力的性质观察以及生命现象观察。应用的范围涵括了半导体业、记录媒体业(探测光盘表面平滑度AFM)、材料科学、生物学、生命科学等等。

由以上SPM的扫描过程可知，SPM之所以能完成纳米尺度的扫描工作，其关键是通过闭环控制及时调节压电陶瓷扫描管的状态进行扫描。生产过程中应用最普遍的控制方法是PID控制，所谓PID控制，是将偏差信号的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。PID控制具有结构简单、稳定性能好、可靠性高等优点，因此也广泛应用于SPM的控制系统中。

目前，大多数SPM系统都是采用模拟PID控制，这种模拟PID控制系统采用模拟电子元器件，通过搭接常规电子线路的方式设计PID控制器，其优点是实时性好，缺点是灵活性差，可调PID参数范围受到硬件电路设计的限制，不利于维护和升级。对于模拟处理系统，当需要改变系统性能时，不得不修改硬件设计，或调整硬件参数。一套模拟控制系统只能对应它已经实现的功能，升级意味着新系统的研制，随之带来的是开发周期的延长。因此，要解决原来在模拟PID控制器中无法解决的问题，必须将模拟线路实现的功能用软件来实现，即利用微型机系统代替模拟控制器的常规电子线路并受PID控制器程序的控制，亦即数字PID控制。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术SPM模拟量控制系统的缺陷，提供一种扫描探针显微镜的数字闭环控制系统。

本发明以数字信号处理器DSP为基础搭建SPM的硬件平台，在此硬件平台基础上通过软件程序实现数字PID控制器的设计。本发明只需在进行软件参数设置或算法改进的情况下，就能改善扫描控制系统的品质，满足不同的性能要求。

本发明所采用的技术方案如下：

本发明由扫描探针显微镜的硬件系统和数字PID控制程序构成。

本发明的硬件系统包括电子学部分和探头部分。

电子学部分从功能上分为七大模块，分别是电源系统、A/D板、D/A板、高压放大板、多功能信号板，DSP主控制板以及总线接口电路模块。

电源系统、A/D板、D/A板、高压放大板、多功能信号板，DSP主控制板均通过系统总线接口电路相连接，总线接口电路中均为自定义的总线，包括了地址线(A00～A10)、数据线(D00～D15)、读写控制(RD、WD)、外部I/O操作控制，以及电源线、地线和一些需要通过总线传送的模拟信号，总线定义为96根，总线接口电路板上设计有六个相同的96芯母接口，并把六个母接口连在一起，其余的每块功能板上的一端都有一个96芯的公接口，这样，只需把其余的功能电路板分别插到总线板的六个接口上，整个系统就挂在了系统总线上。

各个板与总线之间的接口逻辑以及板上的一些粘合逻辑都采用CPLD技术实现。整个电子学部分以DSP主控板为核心，一方面主控板上的DSP芯片通过USB接口和上位机实现通讯，另一方面，从DSP提供的总线中的地址、数据和控制线通过接口电路连接至各个模块板卡上的CPLD芯片，然后通过对CPLD的编程来实现地址译码、数据读写或锁存等等工作，从而实现DSP主控板对其余各功能板块的控制，实现DSP对A/D转换模块过来的数据进行采集和数字PID调节，以及实现DSP将调节后的数据送入D/A转换模块，从D/A板出来的电气信号在通过高压放大板滤波放大后，控制探头进行扫描。

DSP主控板是电子学部分的核心模块，它以高速数字信号处理器DSP为核心，主要实现以下五大功能：

(1)通过D/A发送三角波驱动压电陶瓷扫描管带动微探针在样品表面扫描；

(2)通过A/D采集当前探针形变量(激光偏转差值)；

(3)从USB接口接收来自PC机的命令并且下达各部件执行，包括当前坐标设定、隧道电流的设定、步进电机的驱动、相位模式下的探针扫频用DDS器件合成频率等。

(4)向USB口发送扫描图像的数据，PC对这些数据处理之后得到扫描图像。

(5)扫描管Z方向的数字PID控制回路，用来实现对压电陶瓷扫描管Z方向的数字PID控制。

A/D板采用高速ADC芯片，主要用来把来自激光探测器的模拟量转换为数字量，送入DSP主控制板，从而构成Z方向的闭环控制，同时得到Z方向的高度以形成图像数据。

D/A板采用双缓存DAC芯片设计，主要用来接受DSP发来的控制信号，并将其转换为模拟量，实现扫描管Z向控制、预置偏压以及光栅扫描输出等功能。

多功能信号板主要实现光电检测器所得激光信号的处理。

高压放大板采用美国AD公司的高压放大芯片，一是对光栅扫描输出进行高压放大以驱动压电陶瓷管进行XY向扫描，二是将经过PID控制器调节后的偏差信号进行高压放大，对压电陶瓷扫描管的Z向状态进行及时控制。

电源系统主要实现向系统供电。一共分为+5V、±15V、±150V和+18V几个部分。其中+5V电源主要向系统中的数字电路供电，±15V向系统中的模拟电路部分供电，±150V作为压电陶瓷管扫描电压放大电路部分的电源，而+18V向步进电机供电。

探头部分，即系统的探测模块。探头部分通过电子学部分的控制信号控制其动作，从而实现扫描。

本发明硬件工作过程如下：

(1)探针在扫描过程中，样本形貌的变化会引起激光器打在微悬臂上的反射光路发生偏转，通过四像限光电检测器即时监测激光信号的偏转量，检测器的输出信号是ABCD四路弱电流信号，再通过前置放大器对四路弱电流输出进行放大并转化为四路电压信号送入多功能信号板进行处理。

(2)多功能板上，对四路信号进行相应运算处理后，就得到了微悬臂在扫描点位置上与Z向位移成比例的电压值。

(3)将该电压值送入A/D板，转化为数字量，送入DSP主控制板处理。

(4)在DSP控制器中，该数字量与设定值进行比较后得到误差信号，其中设定值为探针在未发生形变与形变产生之间的临界值，一旦样本出现高低变化，就会有误差产生，误差信号进入PID控制器程序，控制器立即产生控制作用，得到数字控制信号。在得到实时的控制信号后，一方面，记录下跟踪稳定后该控制信号的值，通过USB口送入计算机，作为样本形貌数据保存；另一方面，将该控制信号送入D/A板。

(5)数字控制量通过D/A板，转化为模拟控制量(电压值)，送入高压放大板。

(6)模拟控制量经高压放大后，即时调节压电陶瓷扫描管的Z向伸缩，保证探针恢复到无形变状态，即让探针与样本间距保持恒高状态，以保证下一个点位置的扫描工作。

本发明的数字PID控制程序的设计，是将模拟PID控制规律进行适当变换后，以DSP主控板上的DSP数字信号处理器为运算核心，利用软件程序来实现PID控制和校正。

本发明的数字PID控制由偏差处理，PID计算和控制量处理三部分程序组成。

偏差处理程序主要是把采集到的已通过A/D板转化为数字量的激光信号与设定值进行比较，转化为误差信号，并进行限值处理。其具体操作步骤如下：设定探针在未发生形变与形变产生之间的临界值为参考值，以其为标准，与采样信号进行比较，得到的差值即为误差信号，若该误差信号超过正负向的最大偏差值，则令该误差信号与其相对应的正负向的最大偏差值相等，本系统正负偏差范围可在软件中自行设定，但正向不能超过+32768，负向不能超过-32767，因此，在程序中令大于+32768的正向偏差为+32768，令小于-32767的负向偏差为-32767。

PID计算程序主要负责对偏差处理程序所得到的误差信号进行线性校正，程序中包括比例(P)、积分(I)和微分(D)三个校正环节，其中比例环节负责成比例的反映控制系统误差信号，误差一旦产生，立即产生控制作用，以减小误差；积分环节用于消除静差，提高系统的无差度；微分环节反映信号的变化趋势，以便能在误差信号变太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系的动作速度，减少调节时间。三个环节的对于误差信号的影响，在程序中通过设定比例系数Kp，积分系数Ki和微分系数Kd的大小来决定，误差信号在分别经过三个校正环节的运算后，将各校正环节所得到误差信号在分别经过三个校正环节的运算后，将各校正环节所得到的值相加，从而构成了针对压电陶瓷扫描管的控制量，因为采用的是增量式算法，参与校正的是相邻两次误差信号之差，因此得到的控制信号是控制增量，该控制算法中不需要累加，所以误动作时影响小，而且较容易通过加权处理获得比较好的控制效果。

控制量处理程序实际上就是一个限值处理程序，当计算得出的控制增量结果超出正负最大控制量范围时，使之与相对应的限定最大正负幅值相等，从而避免压电陶瓷扫描管的伸缩量超出正常工作范围。最后，经过这三步程序校正和处理后得到的控制增量，便可通过D/A板转化成模拟量，经高压放大后，及时调整压电陶瓷扫描管的Z向状态，以保证针尖与样本间的作用力恒定，从而保证与针尖相连的微悬臂在形变后及时恢复正常状态以进行下一个点位置的扫描。

本发明中，软件及其运算基础DSP构成了整个扫描控制系统的核心，并控制其他硬件一起协同工作，组成了SPM的数字PID闭环扫描控制系统。

当控制器对闭环系统进行PID调节时，只需在软件上调整比例，积分和微分等参数，即修改Kp，Ki，Kd的变量内容，就可改变整个闭环扫描控制系统的传递函数，从而调节系统的动态性能。

本发明由于采用以上技术方案，相对于以往使用模拟PID控制的SPM，具有以下优点：

1.可调参数范围大，对于PID可调参数而言，参数的可调范围非带宽广，不会受到以往模拟电路的限制。使用软件PID控制，可以实现各种PID参数设置的扫描，以适应对不同样本扫描的要求。

2.控制灵活，PID控制器在实际应用中，往往要面对不少具体问题，如积分饱和问题，限位问题，干扰抑制问题，这在模拟PID控制中需要采取改变线路和元器件，甚至是更换不同类型的PID调节器来加以解决，而对于数字PID控制，只需要软件代码的修正，问题便能很容易的得到解决。

3.可升级性好，如果要达到更加精准和智能的PID控制效果，模拟电路的设计会更加复杂或者是根本无法设计出相应的PID控制电路，而对于软件PID控制而言，只需要算法的改进和程序的升级而已，硬件上不需要做任何改动。

4.可靠性高，由于控制效果通过DSP运算实现，在器件正常工作条件下，环境与噪声不容易影响结果的准确性和正确性。

5.保密性好，由于DSP系统中DSP，CPLD等器件在保密上的优越性能，使其与由分立组成的模拟系统或简单的数字系统相比，具有高度保密性。

6.可以方便的完成闭环控制和非闭环控制之间的切换，对于实现SPM某些特殊功能的扫描模式(如电场力扫描，磁场力扫描)提供了基础。

7.此外，借助DSP运算速度快，软件操作灵活性大的优点，可以使控制对像有更好的瞬态特性和更高的稳态精度。

附图说明

图1为原子力式扫描探针显微镜原理示意图；

图2为本发明的硬件系统结构框图；

图3为总线接口电路板的接口定义原理图；

图4为A/D板原理框图；

图5为D/A板原理框图；

图6为多功能信号板信号处理电路图；

图7为高压板原理框图；

图8为探测模块示意图；

图9为SPM系统的PID闭环控制原理框图；

图10为PID控制软件流程图；

图11为利用数字闭环控制系统扫描所得到的光盘表面形貌图的部分截图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图2所示，本发明硬件系统包括电子学部分和SPM探头部分，其中电子学部分由总线接口电路板、DSP主控制板、电源系统、A/D板、D/A板、高压放大板、多功能信号板组成。

如图3所示，总线接口电路板上都是自定义的总线，包括了地址线(A00～A10)、数据线(D00～D15)、读写控制(RD、WD)、外部I/O操作控制，以及电源线、地线和一些需要通过总线传送的模拟信号，总线定义为96根，总线接口电路板上设计有六个相同的96芯母接口，并把六个母接口连在一起，其余的每块功能板上的一端都有一个96芯的公接口。依次定义总线接口电路板上的六个96芯母接口为接口1，接口2，接口3，接口4，接口5，接口6，将DSP主控板插入接口1，A/D板插入接口2，D/A板插入接口3，多功能信号板插入接口4，高压放大板插入接口5，电源系统接入接口6，整个系统就挂在了系统总线上。DSP主控制板通过总线接口电路板分别与电源系统、A/D板、D/A板、高压放大及步进电机驱动模块、多功能信号板相连接，SPM探头分别与高压放大及步进电机驱动模块、多功能信号板相连接。

DSP主控板由数字信号处理器TMS320C5402、存储器芯片、USB接口芯片68013组成。存储器是一片SDRAM芯片，SDRAM的数据/地址总线与DSP的数据/地址总线相连接，USB接口芯片的数据/地址总线与DSP的数据/地址总线相连接，并通过USB串行总线与上位机实现通讯。数字信号处理器接收总线上来自A/D板的信号，通过PID控制器程序对信号进行PID调节，将每次跟踪稳定后无偏差的数据暂时存入存储器芯片中的存诸单元中，同时通过USB接口电路与上位机进行通讯，在上位机做出要求的情况下，将数据上传入上位机进行保存。

如图4所示，A/D板由模数转换电路和信号选择电路组成，模数转换电路单元采用16位AD7671模数转换芯片，信号选择电路单元采用模拟开关芯片，模拟开关芯片的输入信号端与总线接口中的模拟信号引脚相连接，获取来自信号板的模拟信号进行选择输出，模拟开关芯片的输出信号端则连接至AD模数转换芯片模拟信号输入脚，A/D模数转换芯片的数字信号输出端连接到总线接口中的数据线(D00～D15)部分。在信号选择电路中，模拟开关芯片通过切换通道，将来自多功能信号板需要进行转换的模拟信号送入模数转换电路中的A/D芯片，得到的数字信号通过总线进入DSP主控板进行处理。

如图5所示，D/A板由XY两个方向的扫描信号输出电路、Z向控制信号输出电路组成。X方向和Y方向扫描信号输出电路、Z向控制信号输出电路均是一片AD669的数模转换芯片，X方向和Y方向扫描信号输出电路、Z向控制信号输出电路的信号输入端连接到总线接口中的数据线(D00～D15)部分，输出端连接到总线接口的模拟信号线部分，通过总线接口接受DSP主控板发出的控制信号，分别对所得信号进行数模转换，并将得到的XYZ三向模拟信号通过总线接口送入高压放大板进行信号放大。

如图6所示的多功能信号板由四象限光电检测器输出信号的运算处理电路组成。运算处理电路包括两片加法器芯片和一片除法器芯片，两片加法器的输入端均连接到总线接口处表征ABCD四像限光电信号的接口端，其输出端连接到除法器的输入端，除法器的输出端则连接到总线接口的模拟信号引脚，将运算所得的输出信号送入AD板。探针在扫描时，微悬梁的形变引起激光光斑移动，光电检测器上四个象限因受到光照面积不同而输出不同的光电流ABCD，通过加法器芯片可得到各像限信号的差值(C+D)-(A+B)，它与微悬梁的形变有着简单的正比例关系，该值再通过除法器与另一加法器芯片所得到的各像限信号的和值-(A+B+C+D)相除，这时除法器的输出便表征了微悬梁的实际形变量。

如图7所示，高压放大板由XYZ三路高压放大电路单元组成，电路单元采用高压运放AD171芯片，它们的输入信号端分别与总线接口电路端的X_IN、Y_IN、Z_IN连接，接收来自D/A的信号，分别将D/A产生的XY方向的扫描波形进行高压放大以驱动压电陶瓷管进行XY向扫描，对闭环PID控制器的输出进行高压放大以驱动压电陶瓷管的Z向伸缩。

如图8所示，探头部分包括激光器，四像限光电检测器，微悬臂探针，压电陶瓷扫描管以及电机推进平台。一方面，激光器发出的激光打在微悬臂的镜面上，通过反射进入四像限光电检测器，探针感应样本表面的起伏，造成微悬臂的形变，相应打在光电检测器上的激光光斑会产生位移，从而造成检测器接收的激光强度值发生变化，这一信号值进入多功能信号板进行处理，便能够表征微悬臂的形变值。另一方面，通过电子学部分发出的控制信号控制压电陶瓷扫描管的动作，便能完成Z向闭环控制和XY向扫描。

图9所示为DSP中所运行的PID控制流程。如图9所示，DSP数字信号处理器首先完成数据的初始化，定义初始PID参数，定义参考值，然后按照所设定的参数对接收到的偏差信号进行数据调节，其间的数据调节包括偏差处理，PID计算和控制量处理三部分程序。完成数据调节后，运算得到的数字控制增量从DSP发出，通过D/A模块转化为模拟量，对控制对象压电陶瓷管进行实时控制，即通过控制压电陶瓷管的伸缩，让样本趋近或远离探针，从而使发生形变的探针逐渐恢复无形变状态。每次通过PID程序运算得到的控制增量都会使压电陶瓷的状态发生改变，从而使重新得到的偏差的信号发生改变，因此，需要根据新的系统状态下的偏差信号，更新参数，进行新一轮闭环(PID)控制程序的运算和控制量的输出，直到偏差信号为零，探针恢复到无形变状态。接下来便能平移样本，进行下一个点位置的扫描，同时根据下一个点位置对探针造成的形变量进行数字闭环(PID)控制。

下面进一步对本发明的工作过程进行描述：

以光盘盘片表面为样本，使用本发明对它进行接触模式(Contact Mode)的数字闭环扫描。

1.如图8所示，通过调节微悬臂位置，使激光器光点移至探针微悬臂上，保证激光经反射后进入四象限光电检测器，调节四象限光电检测器作XY方向平移，控制激光光斑在光电检测器的正中位置。此时，光电检测器上ABCD四象限各相当于一个光电管。驱动步进电机，使探针逐步趋近样本。当探针与表面轻轻接触时，因为原子间相互斥力的作用，微悬臂发生弹性形变，根据光杠杆作用，反射在光电检测器上的光点斑位置同时产生向上的偏移，当偏移到参考值时，DSP停止对步进电机的驱动，开始扫描。在进行样本扫描时，样本的起伏引起微悬臂的形变，微悬臂在形变过程中引起光斑移动，则四个像限会因为光照面积不同而输出不同的光电流。将光电流信号转化为ABCD四个电压值，经信号放大后进入多功能信号板。

2.如图6所示，多功能信号板的信号处理电路通过加法器和除法器对ABCD四个电压值进行运算处理，得到表征微悬臂形变量的电压值，即图中除法器的输出值AFM-CNI，将该值送入A/D板。

3.如图4所示，该电压值经模拟开关选通后，进入模数转换芯片，转化为数字量，经总线送入DSP主控板中的数字信号处理器TMS320C5402进行数字PID调节。

4.如图9所示，DSP运算流程中，首先进行参数的初始化，初始化比例，积分和微分等参数，即为Kp，Ki，Kd变量赋值；然后进行误差的初始化，即将实时检测到的反映微悬臂形变量的数字值与设定好的参考值进行比较，得到其差值，作为误差信号，并对误差信号进行限值处理，以保证其合理性；接下来，根据所设定的比例，积分和微分参数，对误差信号分别进行三个校正环节的计算，将各校正环节所得到的值相加，从而构成了针对压电陶瓷扫描管的控制量，因为采用的是增量式算法，参与校正的是相邻两次误差信号之差，因此得到的控制信号是控制增量；最后，将该控制增量输出，更新参数，进行下一轮PID计算。

5.从DSP输出的控制增量经总线进入D/A板，如图5所示。该数字控制量经数模转换芯片后转换为模拟量电压信号，送入高压放大板。

6.如图7所示，模拟控制量经Z向高压放大芯片后，该值已足够驱动压电陶瓷扫描管进行Z向的调节。将该值送入SPM探头部分，控制压电陶瓷扫描管的动作。

7.如图8所示，在微悬臂发生弹性形变的情况下，压电陶瓷管根据控制量即时调节Z向伸缩量，以保证探针恢复到无形变状态，即让探针与样本间距保持恒高状态，从而保证每一个点位置的扫描工作；同时，压电陶瓷管在每一个点位置上的Z向调节量也被记载下来，作为所扫描样本的表面形貌数据保存到主控板存储器中并在需要的情况下将所存数据通过USB口，即时上传到计算机中，生成图像。

8.整个SPM系统的PID控制过程如图10所示，各个硬件模块与软件PID控制程序协同工作，构成一个闭环回路。

9.如图11所示，为利用SPM数字闭环控制系统扫描所得到的光盘样本表面形貌图的部分截图。

本发明改变了以往SPM系统进行模拟PID控制的传统控制方法，将繁杂的电路转化为软件程序，提高了系统的可控性，同时也为系统的可扩展性，可升级性，提供了基础和保障。

Claims (4)

1、一种扫描探针显微镜的数字闭环扫描控制系统，包括电子学部分、SPM探头部分组成的硬件系统和数字PID控制程序，其特征在于，电子学部分由总线接口电路板、DSP主控制板、A/D转换卡、D/A转换卡、高压放大板、多功能信号板组成；总线接口电路板上均为自定义的总线，包括了地址线(A00～A10)、数据线(D00～D15)、读写控制(RD、WD)、外部I/O操作控制，以及电源线、地线和一些需要通过总线传送的模拟信号，总线定义为96根，总线接口电路板上设计有六个相同的96芯母接口，并把六个母接口连在一起，其余的每块功能板上的一端都有一个96芯的公接口；依次定义总线接口电路板上的六个96芯母接口为接口1，接口2，接口3，接口4，接口5，接口6，DSP主控板插入接口1，A/D板插入接口2，D/A板插入接口3，多功能信号板插入接口4，高压放大板插入接口5，电源系统接入接口6；DSP主控制板通过总线接口电路板分别与电源系统、A/D转换卡、D/A转换卡、高压放大及步进电机驱动模块、多功能信号板相连接，SPM探头分别与高压放大板、多功能信号板相连接。

2、根据权利要求1所述的扫描探针显微镜的数字闭环扫描控制系统，其特征在于所述的DSP主控板由数字信号处理器、存储器芯片、USB接口芯片组成，存储器的数据/地址总线与DSP的数据/地址总线相连接，USB接口芯片的数据/地址总线与DSP的数据/地址总线相连接，并通过USB串行总线与上位机实现通讯；所述的A/D板由模数转换电路和信号选择电路组成，模数转换电路采用16位AD7671模数转换芯片，信号选择电路采用模拟开关芯片；模拟开关芯片的输入信号端与总线接口中的模拟信号引脚相连接，模拟开关芯片的输出信号端连接至A/D模数转换芯片模拟信号输入脚，A/D模数转换芯片的数字信号输出端连接到总线接口中的数据线(D00～D15)部分；所述的D/A板由XY两个方向的扫描信号输出电路、Z向控制信号输出电路组成；X方向和Y方向扫描信号输出电路、Z向控制信号输出电路均为数模转换芯片，X方向和Y方向扫描信号输出电路、Z向控制信号输出电路的信号输入端连接到总线接口中的数据线(D00～D15)部分，输出端连接到总线接口的模拟信号线部分；所述的多功能信号板由四象限光电检测器输出信号的运算处理电路组成。运算处理电路包括两片加法器芯片和一片除法器芯片，两片加法器的输入端均连接到总线接口处表征ABCD四像限光电信号的接口端，其输出端连接到除法器的输入端，除法器的输出端则连接到总线接口的模拟信号引脚，将运算所得的输出信号送入AD板；所述的高压放大板由XYZ三路高压放大电路单元组成，电路单元采用高压运放AD171芯片，它们的输入信号端分别与总线接口电路端的X_IN、Y_IN、Z_IN连接。

3、按照权利要求1所述的扫描探针显微镜的数字闭环扫描控制系统，其特征在于所述的数字PID控制由DSP主控制板的DSP数字信号处理器完成，步骤如下：

首先完成数据的初始化，定义初始PID参数，定义参考值，然后按照所设定的参数对接收到的偏差信号进行数据调节；完成数据调节后，运算得到的数字控制增量从DSP发出，通过D/A板转化为模拟量，对控制对象压电陶瓷管进行实时控制，即通过控制压电陶瓷管的伸缩，让样本趋近或远离探针，从而使发生形变的探针逐渐恢复无形变状态；然后再根据新的系统状态下的偏差信号，更新参数，进行新一轮闭环控制程序的运算和控制量的输出，直到偏差信号为零，探针恢复到无形变状态，接下来便能平移样本，进行下一个点位置的扫描，同时根据下一个点位置对探针造成的形变量进行闭环控制。

4、按照权利要求3所述的扫描探针显微镜的数字闭环扫描控制系统，其特征在于所述的对接收到的偏差信号进行的数据调节包括偏差处理，PID计算和控制量处理三部分程序；偏差处理是把采集到的已通过A/D板转化为数字量的激光信号与设定值进行比较，得到的差值作为误差信号，若该误差信号超过正负向的最大偏差值，则令该误差信号与其相对应的正负向的最大偏差值相等；PID计算主要负责对偏差处理所得到的误差信号进行线性校正，包括比例(P)、积分(I)和微分(D)三个校正环节，其中比例环节负责成比例的反映控制系统误差信号，误差一旦产生，立即产生控制作用，以减小误差；积分环节用于消除静差，提高系统的无差度；微分环节反映信号的变化趋势，以便能在误差信号变太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系的动作速度，减少调节时间；三个环节对于误差信号的影响，通过设定比例系数Kp，积分系数Ki和微分系数Kd的大小来决定，误差信号在分别经过三个校正环节的运算后，将各校正环节所得到的值相加，便构成了针对压电陶瓷扫描管的控制量；控制量处理是当得出的控制增量结果超出正负最大控制量范围时，进行限值处理，使之与相对应的限定最大正负幅值相等，避免压电陶瓷扫描管的伸缩量超出正常工作范围；经过这三步程序校正和处理后得到的控制增量，便可通过D/A板转化成模拟量，经高压放大后，及时调整压电陶瓷扫描管的Z向状态，以保证针尖与样本间的作用力恒定，从而保证与针尖相连的微悬臂在形变后及时恢复正常状态以进行下一个点位置的扫描。

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