DSP的數字掃描探針顯微鏡的硬件解決方案

數字掃描探針顯微鏡（scanning probe microscope，SPM）是研究納米的重要工具，它利用探針和樣品的不同互相作用來(lái)探測表面或界面在納米尺度上表現出的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)，它的問(wèn)世對表面科學(xué)、物理學(xué)、微電子學(xué)、電子材料學(xué)、先進(jìn)材料和納米材料等研究領(lǐng)域技術(shù)重要的意義，與此同時(shí)，數字信號處理技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得相當成熟，DSP技術(shù)也已經(jīng)廣泛地應用于通信、測量、多媒體、消費電子產(chǎn)品等領(lǐng)域，由于把DSP和SPM結合在一起是SPM儀器發(fā)展的必然方向，它能使SPM性能更趨于完善，為此，本文介紹如何用TMS320C5416來(lái)實(shí)現這一設想！
　　
SPM系統方案及其缺陷
　　
現有的SPM系統主要基于PCI形式，該方案中，計算機通過(guò)PCI卡和SPM控制板保持通信，整個(gè)電子控制系統的流程圖如圖1所示。


　　
此系統由掃描器、電子控制板和控制處理軟件三部分組成，其中掃描器是執行部分，它通過(guò)步進(jìn)馬達和壓電陶瓷管的三維伸縮來(lái)實(shí)現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(guò)控制軟件可設置掃描參數、對掃描過(guò)程實(shí)行實(shí)時(shí)調節和監控（再線(xiàn)掃描控制）以及對掃描圖像進(jìn)行分析

處理（離線(xiàn)數據分析），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(zhù)在掃描過(guò)程中的將控制軟件下達的指令時(shí)實(shí)的轉化為對掃描器的具體操作任務(wù)，因此，電子控制系統的精確程度和對指令的反應速度直接影響著(zhù)成像的效果，設計好的電子控制系統對整個(gè)STM來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。
　　
雖然基于PCI形式的系統在一般控制、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(diǎn)如下：
　　
（1）PC機的開(kāi)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，系統的實(shí)時(shí)性較低。
　　
（3）由于需要較大的計算資源開(kāi)銷(xiāo)并要運行一個(gè)復雜的非線(xiàn)性校正算法，該控制板需要一個(gè)處理能力強的處理器。
　　
（4）存儲器及握手方式不夠理想。
　　
系統設計思想
　　
為了解決上述缺點(diǎn)，筆者給出了一種基于DSP的新型數字式SPM系統的設計方案，新方案的系統框圖如圖2所示。


　　
該方案和圖1的明顯區別的是，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(guò)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控制板的結構和功能
　　
經(jīng)過(guò)對SPM儀器的控制流程、時(shí)序要求、掃描方式、反饋模型和實(shí)時(shí)性進(jìn)行全面分析，并對幾種DSP芯片的性能的比較，本設計決定采用TI公司的54X系列DSP芯片，該系統的DSP的運算處理速度、處理精度、功耗都能滿(mǎn)足SPM應用系統的反饋要求。
　　
TMS320VC5416是TI公司的16位定點(diǎn)DSP，其時(shí)鐘頻率為160MHz，能夠實(shí)現高速運算（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(mǎn)足數據存儲要求，因此，為了減小系統的復雜性，就不再進(jìn)行片外SRAM的擴展，這也就局限了系統以后的完善和升級，為了提出程序運行速度，設計采用Flash Bootloader方式，即先將程序下降到片外Flash中，在DSP上電后，系統將自動(dòng)將Flash中的程序讀入到片上RAM中運行，所以本設計也在 DSP外部擴展一片256×16位的Flash。設計時(shí)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數據存儲形式，本設計采用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(jiǎn)單，可以與DSP直接連接，每個(gè)通道的18個(gè)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，本系統選擇RS232，并采用四線(xiàn)制（RXD、TXD、RTS、CTS）。其硬件連接如圖4所示。



另外，本系統可選用了一片CSC公司的CPLD芯片（型號為CY37032）來(lái)實(shí)現各個(gè)接口間的數字邏輯操作（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(xiě)信號等）。系統的控制邏輯清晰有序，而且采用VHDL語(yǔ)言編寫(xiě)程序并不復雜，系統調試采用TI公司的CCS2.2開(kāi)發(fā)環(huán)境，該平臺包括代碼編輯和調試并可執行代碼生成工具，能支持設計和開(kāi)發(fā)的整個(gè)流程。
　　
系統電源系統主要有±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(jìn)電機供電，其余的均為數字電路供電，由于整個(gè)電路電源種類(lèi)多，大量芯片同時(shí)開(kāi)啟和關(guān)閉會(huì )造成電源和地線(xiàn)上的電壓和電流的較大波動(dòng)，影響芯片的正常工作，所以，除了在地線(xiàn)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字電路，高速電路和低速電路進(jìn)行分區布局，以盡量提高系統的抗干擾能力。
　　
基于DSP的SPM系統體系結構與功能
　　
SPM系統在運行之前、通過(guò)控制軟件上的掃描控制面板、用戶(hù)可以調整掃描發(fā)生器電路的工作參數，如掃描范圍、X偏移、Y偏移、掃描速率等，然后通過(guò)反饋控制面板，用戶(hù)可以實(shí)時(shí)調整Z向反饋電子學(xué)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(guò)步進(jìn)馬達控制面板來(lái)設定前進(jìn)、后退或者停止，并設定步數給馬達驅動(dòng)器相應的驅動(dòng)脈沖。圖

5所示是SPM控制板的結構框圖。


　　
控制板上使用的是一片A/D轉換器，型號是MAX120，它能將納安量級電流信號轉換成VZin數字信號。MAX120是12bitA/D轉換器，采用5V供電，轉換速率可達1.6μs，采樣率達500KHz，它有五種轉換模式，全控制模式，獨立控制模式、慢存儲器模式、ROM模式和連續轉換模式，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，本設計選擇的是連續轉換模式，其FIFO讀周期可達15ns，故可減少中斷等待時(shí)間，能適合于系統速度要求，四片D/A轉換器選用一片12bit的AD565和三片14bit的AD7840，AD565用于轉換Z向控制信息以得到電流信號 VZout，再經(jīng)過(guò)高壓運放來(lái)驅動(dòng)馬達產(chǎn)生位移。三片AD7840分別轉化Vb、Vx和Vy三方向的控制信息，AD7840采用±5V的雙電源供電，轉換時(shí)間為21ns，其片內輸入鎖存器和DAC鎖存器，可有效保證轉換數據不丟失，而AD565則采用±12V雙電源供電，轉換時(shí)間為30ns。
　　
TMS320VC5416片內有一個(gè)16位的定時(shí)器，定時(shí)器的輸出能啟動(dòng)12bitA/D轉換，并可采樣Z信號（調整掃描探針跟樣品表面距離），可屏蔽的定時(shí)中斷服務(wù)程序安裝著(zhù)XY掃描算法和掃描器的非線(xiàn)性校正算法，XY掃描算法用來(lái)進(jìn)行X向和Y向的掃描位移計算，非線(xiàn)性校正算法則根據掃描點(diǎn)上的隧道電流的大小進(jìn)行相應的調整，然后啟動(dòng)3路D/A轉換，對反饋的X、Y、Z三路信號進(jìn)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(jìn)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(shí)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(jìn)行掃描時(shí)，Vb不再是一恒定的值，而是要控制軟件設定的變化關(guān)系來(lái)變化，Vset是通過(guò)控制軟件設置的標準電壓，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(jìn)行比較，其輸出經(jīng)過(guò)比例運放器和積分器可決定經(jīng)D/A轉換器的電壓是否作用于SPM頭部。
　　
在對SPM電子控制系統和控制軟件進(jìn)行調試和改進(jìn)后，筆者得到了如圖6所示的金膜表面圖像。


　　
結束語(yǔ)
　　
由于DSP是高速處理器，所以本設計比基于DSP的設計方案要復雜很多，同時(shí)設計時(shí)要特別意識到信號完整性問(wèn)題的重要性，所以設計當中要對阻抗控制，反射和信號終端進(jìn)行匹配，并對DSP、A/D、D/A器件進(jìn)行物理隔離，同時(shí)要考慮串擾、電源退耦等問(wèn)題，盡量避免信號完整性對設計性能的影響。
　　
實(shí)驗證明，利用DSP實(shí)現SPM的反饋系統設計與基于PCI系統相比，具有接口簡(jiǎn)單，穩定性好和精度高等優(yōu)點(diǎn)，筆者今后還將進(jìn)一步設計新的DSP算法，并增強圖像特征，同時(shí)在硬件上還需提高系統的擴展性，降低反饋系統的噪聲，增強操作系統的穩定性。