大范围快速AFM的高速高精度控制系统.pdf

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1、2015伍仪表技术与传感器2015第1期InstrumentTechniqueandSensorNo．1大范围快速AFM的高速高精度控制系统邓卫梅一，薛虹，陈代谢，殷伯华，韩立(1．中国科学院电工研究所，北京100190；2．中国科学院大学，北京100049)摘要：针对原子力显微镜难以同时实现快速、高精度、大范围扫描成像的不足，逐渐出现了带两级扫描器的原子力显微镜。基于自行研制的大范围快速原子力显微镜(含两级扫描器)，为其设计了一种以DSP—FPGA为核心的高速高精度控制系统。包括DSP和FPGA间数据传输模式和相互配置等关键技术的设计，然后嵌入PI控制器，最后

2、用实验验证了控制系统的有效性。关键词：原子力显微镜；DSP；FPGA；FIFO；PID；噪声中图分类号：TM93文献标志码：A文章编号：1002—1841(2015)01-0053-03gh-spccdHigh-precisionControlSystemDesignforLarge-rangeI噩gh-speedAFMDENGWei—mei一，XUEHong，CHENDai—xie，YINBo．hua，HANLi(1．InstituteofElectricalEngineering，ChineseAcademyofSciences，Beijing100190，

3、China；2．UniversityofChineseAcademyofSciences，Beijing100049，China)Abstract：Astheatomicforcemicroscopyisdifficulttoachievehigh—speed，high-precisionandlarge—rangescanningsimuha—neously，someatomicforcemicroscopeswithtwo—stagescannerappeargradually．Basedonthelarge·rangeandhigh—speedatomic

4、forcemicroscopy(includingtwoscanners)developedbyourlaboratory，ahigh—speedhigh-precisioncontrolsystemusingDSP—FP—GAasthecorewasdesigned．Forcrucialdesigns，thedatatransfermodeandmutualconfigurationbetweenDSPandFPGAwerepresentedindetails．ThenPIcontrollerwasimplementedtovalidatetheefficie

5、ncyofthiscontrolsystem．Theimprovedperformanceofthenewcontrolsystemwasexperimentallydemonstratedfinally．Keywords：AFM；DSP；FPGA；FIFO；PID；noise0引言作为被广泛应用于表面分析领域的重要仪器，原子力显微镜(AtomicForceMicroscopy，AFM)通过控制针尖与样品表面分子之间的作用力或距离恒定来获得样品的表面形貌。普通的原子力显微镜在扫描过程中仅使用单级扫描器来实现探针的、y、z方向定位，可实现较高速度的扫描速度。例如，

6、Fantner实现了2m范围内13s／幅的快速扫描成像11。Ando用快速AFM实现了对ATP的动态扫描。然而，虽然原子力显微镜的扫描速度很快，但是扫描范围却限制在很小的范围内，抑制了AFM的进一步应用。为此，研究人员在普通AFM上进行改进形成了双扫描器，以期实现大范围快速的扫描成像。然图1大扫描范围、快速AFM系统结构图而，受原子力显微镜控制系统带宽等的限制，实验结果显示这1大范围快速AFM控制系统设计些扫描器并不能实现无损式的扫描成像。因此，为大范围原子鉴于DSP的高速数据处理能力和FPGA的并行处理能力，力显微镜设计一个高速高精度的控制系统则显得尤为重要。

7、控制系统选用基于DSP_FPGA的数字处理平台。其中，DSP处理对普通原子力显微镜进行改进，形成的包含两级扫描器的器使用TMS320C6455BZTZ，主频1GHz；FPGA选用XC5VSX50T，大范围快速原子力显微镜如图1所示J。下扫描台带动样品FFG1136封装；DSP与FPGA之间使用64位160MHz的总线连进行X、Y、z方向大范围慢速运动；上扫描器实现Z向小范围内接，可实现高达10Gbit的带宽。如图2所示，整个控制系统包的高速定位；上、下扫描器协同动作就可实现较大范围内的扫括上位机人机交互界面、大范围快速原子力显微镜、DSP—FPGA描成像。模块和

8、DAC／ADC(数模转换