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1、基于DSP的数字扫描探针显微镜的硬件解决方案研究微镜的硬件解决方案•访方案和毗往基于Pci的spM的系统相比,无论是在数据处理速度，述是在扫描精度或性能上都有明显提高•其发展空间和应用前景十分广阔.关键词:DSP技术澈字扫描探针显微镜:TMS320VC5416李小飞杨特育李亚兰李超纯华中师范大学数字扫描探针显微镜(scanningprobemicroscope,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
2、材料和纳米材料等研究领域具有重大的意义与此同时,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束实现这一设想！sPM系统方素A其缺陷现有的SPM系统主要基于PC1彤式.该方案屮，计算机通过PC1卡和SPM控翩板保持通信.整个电了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
3、陶瓷管的三维仲缩来实现扫描探针对样品表而的扫描;控制处理软件是屮央控制部分，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屮间部分，担负着在扫描过程屮将控制软件下达的指令实时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S1M来说至关重要虽然基于PCI形式的系统在一般控翩，传输速度及成象效果上都能达到基本要求，但做为精密仪器，其效果还远远不够主妥
4、缺点如下：（1）PC机的开关电源对高精度的A/D.D/A;〜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.90电手元嚣件主用21106.91咖.ChinaECD~net卩玄插｝卜.一.｛皿讯按u卜SPM控扳｝SPM-X部圈1基于PCI形式的SPM系统框图APPLICATIONS(4)存储器管理及握手方式不够理想.系统设计思想为了解决上述缺点，笔者给出了种基于DSP的新型数字式SPM系统的设计方案，新方案的系
5、统框图如图2所示.图2基于DSP的SPM系统方框图该方案和图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做相应处理，然后再送至对方.DSP和计算机的通信采用全双工RS一232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，吋序要求，扫描方式，反馈模型和实时性进行全面分析，并对儿种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T
6、I公司的16位定点DSP,其时钟频率为160MHz,能够实现高速运算(160M1PS)和大容量存储,片上有128KX16位的SRAM和16Kxl6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SRAM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.为了提高程序运行速度，设计采用FlashBootloader方式，即先将程序下载到片外Flash中，在DSP±电后,系统将自动将Fla
7、sh中的程序读入到片上RAM中运行•所以本设计也在dsp~t部扩展一片256KX16位的Flash.设计吋选用的是AMD公司的AM29F800B型号Flash,容量为8Mbit,可操作在128Mxl6bit和512Kxl6bit数据存储形式，本设计采用512Kxl6bit.其硬件连接如图3所示.MSTRB—・口一-OERY/BYRAV—J.WERESETUDSP—・CEBYTEAO〜A19A0〜A19D()〜D15DO〜D15TM$320VC5416FLASHAM29F800图3DSP和FLASH连接框图DSP和计算机的串口通信
8、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/
