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>> 商情公告>>基于DSP的数字扫描探针显微镜的硬件解决方案
数字扫描探针显微镜（scanning probe microscope，SPM）是研究纳米的重要工具，它利用探针和样品的不同互相作用来探测表面或界面在纳米尺度上表现出的物理性质和化学性质，它的问世对表面科学、物理学、微电子学、电子材料学、先进材料和纳米材料等研究领域技术重要的意义，与此同时，数字信号处理技术已经发展得相当成熟，DSP技术也已经广泛地应用于通信、测量、多媒体、消费电子产品等领域，由于把DSP和SPM结合在一起是SPM仪器发展的必然方向，它能使SPM性能更趋于完善，为此，本文介绍如何用TMS320C5416来实现这一设想！
SPM系统方案及其缺陷
现有的SPM系统主要基于PCI形式，该方案中，计算机通过PCI卡和SPM控制板保持通信，整个电子控制系统的流程图如图1所示。
此系统由扫描器、电子控制板和控制处理软件三部分组成，其中扫描器是执行部分，它通过步进马达和压电陶瓷管的三维伸缩来实现扫描探针对样品表面的扫描；控制处理软件是中央控制部分，通过控制软件可设置扫描参数、对扫描过程实行实时调节和监控（再线扫描控制）以及对扫描图像进行分析处理（离线数据分析），电子控制板则是连接控制软件和扫描器的中间部分，担负着在扫描过程中的将控制软件下达的指令时实的转化为对扫描器的具体操作任务，因此，电子控制系统的精确程度和对指令的反应速度直接影响着成像的效果，设计好的电子控制系统对整个STM来说至关重要。
虽然基于PCI形式的系统在一般控制、传输速度及成像效果上都能达到基本要求，但作为精密仪器，其效果还远不够，主要缺点如下：
（1）PC机的开关电源对高精度的A/D，D/A芯片干扰太大。
（2）PCI卡每次只能对一路信号寻址，系统的实时性较低。
（3）由于需要较大的计算资源开销并要运行一个复杂的非线性校正算法，该控制板需要一个处理能力强的处理器。
（4）存储器及握手方式不够理想。
系统设计思想
为了解决上述缺点，笔者给出了一种基于DSP的新型数字式SPM系统的设计方案，新方案的系统框图如图2所示。
该方案和图1的明显区别的是，图2方案在SPM控制板上添加了一块DSP芯片，SPM控制板和计算机信息交换将先通过DSP作相应处理，然后再送至对方，DSP和计算机的通信采用全双工RS-232串口通信方式。
DSP控制板的结构和功能
经过对SPM仪器的控制流程、时序要求、扫描方式、反馈模型和实时性进行全面分析，并对几种DSP芯片的性能的比较，本设计决定采用TI公司的54X系列DSP芯片，该系统的DSP的运算处理速度、处理精度、功耗都能满足SPM应用系统的反馈要求。
TMS320VC5416是TI公司的16位定点DSP，其时钟频率为160MHz，能够实现高速运算（160MIPS）和大容量存储，片上有128×16位的SRAM和16K×16位ROM。TMS320VC5416芯片内核和I/O口分别采用1.5V和3.3V供电，故可有效降低功耗。
理论上，该DSP片上SDRAM的容量应该能够满足数据存储要求，因此，为了减小系统的复杂性，就不再进行片外SRAM的扩展，这也就局限了系统以后的完善和升级，为了提出程序运行速度，设计采用Flash Bootloader方式，即先将程序下降到片外Flash中，在DSP上电后，系统将自动将Flash中的程序读入到片上RAM中运行，所以本设计也在DSP外部扩展一片256×16位的Flash。设计时选用的是AMD公司的AM29F800B型号Flash，容量为8Mbit，可操作在128×16bit和512K×16bit数据存储形式，本设计采用512K×16bit，其硬件连接如图3所示。
DSP和计算机的串口通信采用一片异步收发器和一片多协议收发器，异步收发器选用TL16C52B，该器件的发送接收各带有64字节FIFO和Modem接口信号，并分A、B两路收发，最高传输速率可达1.5Mbps波特率。采用3.3V电源供电，而且接口简单，可以与DSP直接连接，每个通道的18个寄存器均可用于控制串行异步通信的工作方式及反馈状态，经采用A0-A2寻址。多协议收发器使用MAX3160芯片，它的异步串口电平可配置成RS323/RS485/RS422多种接口电平标准，本系统选择RS232，并采用四线制（RXD、TXD、RTS、CTS）。其硬件连接如图4所示。
另外，本系统可选用了一片CSC公司的CPLD芯片（型号为CY37032）来实现各个接口间的数字逻辑操作（比如Flash控制逻辑、串口控制逻辑、SPM控制板上A/D和D/A控制逻辑以及读写信号等）。系统的控制逻辑清晰有序，而且采用VHDL语言编写程序并不复杂，系统调试采用TI公司的CCS2.2开发环境，该平台包括代码编辑和调试并可执行代码生成工具，能支持设计和开发的整个流程。
系统电源系统主要有±12V、±150V、±15V、±5V、3.3V、1.5V几部分，其中±12V向模拟电路供电，±150V是压电陶瓷扫描高压运放电路的电源，±15V向步进电机供电，其余的均为数字电路供电，由于整个电路电源种类多，大量芯片同时开启和关闭会造成电源和地线上的电压和电流的较大波动，影响芯片的正常工作，所以，除了在地线和电源之间并联电容、增加π型滤波外、还要对模拟电路和数字电路，高速电路和低速电路进行分区布局，以尽量提高系统的抗干扰能力。
基于DSP的SPM系统体系结构与功能
SPM系统在运行之前、通过控制软件上的扫描控制面板、用户可以调整扫描发生器电路的工作参数，如扫描范围、X偏移、Y偏移、扫描速率等，然后通过反馈控制面板，用户可以实时调整Z向反馈电子学的工作状态，如比例增益、积分增益，反馈环路和偏压。最后通过步进马达控制面板来设定前进、后退或者停止，并设定步数给马达驱动器相应的驱动脉冲。图
5所示是SPM控制板的结构框图。
控制板上使用的是一片A/D转换器，型号是MAX120，它能将纳安量级电流信号转换成VZin数字信号。MAX120是12bitA/D转换器，采用5V供电，转换速率可达1.6μs，采样率达500KHz，它有五种转换模式，全控制模式，独立控制模式、慢存储器模式、ROM模式和连续转换模式，模式控制引脚和其他引脚的组合逻辑可以选择五种模式之一，本设计选择的是连续转换模式，其FIFO读周期可达15ns，故可减少中断等待时间，能适合于系统速度要求，四片D/A转换器选用一片12bit的AD565和三片14bit的AD7840，AD565用于转换Z向控制信息以得到电流信号VZout，再经过高压运放来驱动马达产生位移。三片AD7840分别转化Vb、Vx和Vy三方向的控制信息，AD7840采用±5V的双电源供电，转换时间为21ns，其片内输入锁存器和DAC锁存器，可有效保证转换数据不丢失，而AD565则采用±12V双电源供电，转换时间为30ns。
TMS320VC5416片内有一个16位的定时器，定时器的输出能启动12bitA/D转换，并可采样Z信号（调整扫描探针跟样品表面距离），可屏蔽的定时中断服务程序安装着XY扫描算法和扫描器的非线性校正算法，XY扫描算法用来进行X向和Y向的扫描位移计算，非线性校正算法则根据扫描点上的隧道电流的大小进行相应的调整，然后启动3路D/A转换，对反馈的X、Y、Z三路信号进行放大，都作用于SPM头部。由于其隧道电流信号只有纳安量级，不容易被直接测量，故应将其放大为相应的电压信号，再进行相应的处理，对扫描探针和样品之间的偏置电压Vb，可在扫描图像时使其大小恒定，由于要求的噪音很小。因此可以用标准电压供电，以保证低噪音，但在进行扫描时，Vb不再是一恒定的值，而是要控制软件设定的变化关系来变化，Vset是通过控制软件设置的标准电压，它可控制Z向电压值的范围，每次采集到的Z向电压值和Vset进行比较，其输出经过比例运放器和积分器可决定经D/A转换器的电压是否作用于SPM头部。
在对SPM电子控制系统和控制软件进行调试和改进后，笔者得到了如图6所示的金膜表面图像。
结束语
由于DSP是高速处理器，所以本设计比基于DSP的设计方案要复杂很多，同时设计时要特别意识到信号完整性问题的重要性，所以设计当中要对阻抗控制，反射和信号终端进行匹配，并对DSP、A/D、D/A器件进行物理隔离，同时要考虑串扰、电源退耦等问题，尽量避免信号完整性对设计性能的影响。
实验证明，利用DSP实现SPM的反馈系统设计与基于PCI系统相比，具有接口简单，稳定性好和精度高等优点，笔者今后还将进一步设计新的DSP算法，并增强图像特征，同时在硬件上还需提高系统的扩展性，降低反馈系统的噪声，增强操作系统的稳定性。
SPM系统方案及其缺陷
现有的SPM系统主要基于PCI形式，该方案中，计算机通过PCI卡和SPM控制板保持通信，整个电子控制系统的流程图如图1所示。
此系统由扫描器、电子控制板和控制处理软件三部分组成，其中扫描器是执行部分，它通过步进马达和压电陶瓷管的三维伸缩来实现扫描探针对样品表面的扫描；控制处理软件是中央控制部分，通过控制软件可设置扫描参数、对扫描过程实行实时调节和监控（再线扫描控制）以及对扫描图像进行分析处理（离线数据分析），电子控制板则是连接控制软件和扫描器的中间部分，担负着在扫描过程中的将控制软件下达的指令时实的转化为对扫描器的具体操作任务，因此，电子控制系统的精确程度和对指令的反应速度直接影响着成像的效果，设计好的电子控制系统对整个STM来说至关重要。
虽然基于PCI形式的系统在一般控制、传输速度及成像效果上都能达到基本要求，但作为精密仪器，其效果还远不够，主要缺点如下：
（1）PC机的开关电源对高精度的A/D，D/A芯片干扰太大。
（2）PCI卡每次只能对一路信号寻址，系统的实时性较低。
（3）由于需要较大的计算资源开销并要运行一个复杂的非线性校正算法，该控制板需要一个处理能力强的处理器。
（4）存储器及握手方式不够理想。
系统设计思想
为了解决上述缺点，笔者给出了一种基于DSP的新型数字式SPM系统的设计方案，新方案的系统框图如图2所示。
该方案和图1的明显区别的是，图2方案在SPM控制板上添加了一块DSP芯片，SPM控制板和计算机信息交换将先通过DSP作相应处理，然后再送至对方，DSP和计算机的通信采用全双工RS-232串口通信方式。
DSP控制板的结构和功能
经过对SPM仪器的控制流程、时序要求、扫描方式、反馈模型和实时性进行全面分析，并对几种DSP芯片的性能的比较，本设计决定采用TI公司的54X系列DSP芯片，该系统的DSP的运算处理速度、处理精度、功耗都能满足SPM应用系统的反馈要求。
TMS320VC5416是TI公司的16位定点DSP，其时钟频率为160MHz，能够实现高速运算（160MIPS）和大容量存储，片上有128×16位的SRAM和16K×16位ROM。TMS320VC5416芯片内核和I/O口分别采用1.5V和3.3V供电，故可有效降低功耗。
理论上，该DSP片上SDRAM的容量应该能够满足数据存储要求，因此，为了减小系统的复杂性，就不再进行片外SRAM的扩展，这也就局限了系统以后的完善和升级，为了提出程序运行速度，设计采用Flash Bootloader方式，即先将程序下降到片外Flash中，在DSP上电后，系统将自动将Flash中的程序读入到片上RAM中运行，所以本设计也在DSP外部扩展一片256×16位的Flash。设计时选用的是AMD公司的AM29F800B型号Flash，容量为8Mbit，可操作在128×16bit和512K×16bit数据存储形式，本设计采用512K×16bit，其硬件连接如图3所示。
DSP和计算机的串口通信采用一片异步收发器和一片多协议收发器，异步收发器选用TL16C52B，该器件的发送接收各带有64字节FIFO和Modem接口信号，并分A、B两路收发，最高传输速率可达1.5Mbps波特率。采用3.3V电源供电，而且接口简单，可以与DSP直接连接，每个通道的18个寄存器均可用于控制串行异步通信的工作方式及反馈状态，经采用A0-A2寻址。多协议收发器使用MAX3160芯片，它的异步串口电平可配置成RS323/RS485/RS422多种接口电平标准，本系统选择RS232，并采用四线制（RXD、TXD、RTS、CTS）。其硬件连接如图4所示。
另外，本系统可选用了一片CSC公司的CPLD芯片（型号为CY37032）来实现各个接口间的数字逻辑操作（比如Flash控制逻辑、串口控制逻辑、SPM控制板上A/D和D/A控制逻辑以及读写信号等）。系统的控制逻辑清晰有序，而且采用VHDL语言编写程序并不复杂，系统调试采用TI公司的CCS2.2开发环境，该平台包括代码编辑和调试并可执行代码生成工具，能支持设计和开发的整个流程。
系统电源系统主要有±12V、±150V、±15V、±5V、3.3V、1.5V几部分，其中±12V向模拟电路供电，±150V是压电陶瓷扫描高压运放电路的电源，±15V向步进电机供电，其余的均为数字电路供电，由于整个电路电源种类多，大量芯片同时开启和关闭会造成电源和地线上的电压和电流的较大波动，影响芯片的正常工作，所以，除了在地线和电源之间并联电容、增加π型滤波外、还要对模拟电路和数字电路，高速电路和低速电路进行分区布局，以尽量提高系统的抗干扰能力。
基于DSP的SPM系统体系结构与功能
SPM系统在运行之前、通过控制软件上的扫描控制面板、用户可以调整扫描发生器电路的工作参数，如扫描范围、X偏移、Y偏移、扫描速率等，然后通过反馈控制面板，用户可以实时调整Z向反馈电子学的工作状态，如比例增益、积分增益，反馈环路和偏压。最后通过步进马达控制面板来设定前进、后退或者停止，并设定步数给马达驱动器相应的驱动脉冲。图
5所示是SPM控制板的结构框图。
控制板上使用的是一片A/D转换器，型号是MAX120，它能将纳安量级电流信号转换成VZin数字信号。MAX120是12bitA/D转换器，采用5V供电，转换速率可达1.6μs，采样率达500KHz，它有五种转换模式，全控制模式，独立控制模式、慢存储器模式、ROM模式和连续转换模式，模式控制引脚和其他引脚的组合逻辑可以选择五种模式之一，本设计选择的是连续转换模式，其FIFO读周期可达15ns，故可减少中断等待时间，能适合于系统速度要求，四片D/A转换器选用一片12bit的AD565和三片14bit的AD7840，AD565用于转换Z向控制信息以得到电流信号VZout，再经过高压运放来驱动马达产生位移。三片AD7840分别转化Vb、Vx和Vy三方向的控制信息，AD7840采用±5V的双电源供电，转换时间为21ns，其片内输入锁存器和DAC锁存器，可有效保证转换数据不丢失，而AD565则采用±12V双电源供电，转换时间为30ns。
TMS320VC5416片内有一个16位的定时器，定时器的输出能启动12bitA/D转换，并可采样Z信号（调整扫描探针跟样品表面距离），可屏蔽的定时中断服务程序安装着XY扫描算法和扫描器的非线性校正算法，XY扫描算法用来进行X向和Y向的扫描位移计算，非线性校正算法则根据扫描点上的隧道电流的大小进行相应的调整，然后启动3路D/A转换，对反馈的X、Y、Z三路信号进行放大，都作用于SPM头部。由于其隧道电流信号只有纳安量级，不容易被直接测量，故应将其放大为相应的电压信号，再进行相应的处理，对扫描探针和样品之间的偏置电压Vb，可在扫描图像时使其大小恒定，由于要求的噪音很小。因此可以用标准电压供电，以保证低噪音，但在进行扫描时，Vb不再是一恒定的值，而是要控制软件设定的变化关系来变化，Vset是通过控制软件设置的标准电压，它可控制Z向电压值的范围，每次采集到的Z向电压值和Vset进行比较，其输出经过比例运放器和积分器可决定经D/A转换器的电压是否作用于SPM头部。
在对SPM电子控制系统和控制软件进行调试和改进后，笔者得到了如图6所示的金膜表面图像。
结束语
由于DSP是高速处理器，所以本设计比基于DSP的设计方案要复杂很多，同时设计时要特别意识到信号完整性问题的重要性，所以设计当中要对阻抗控制，反射和信号终端进行匹配，并对DSP、A/D、D/A器件进行物理隔离，同时要考虑串扰、电源退耦等问题，尽量避免信号完整性对设计性能的影响。
实验证明，利用DSP实现SPM的反馈系统设计与基于PCI系统相比，具有接口简单，稳定性好和精度高等优点，笔者今后还将进一步设计新的DSP算法，并增强图像特征，同时在硬件上还需提高系统的扩展性，降低反馈系统的噪声，增强操作系统的稳定性。
发布日期：[2007-12-11]
