基于DSP的數字掃描探針顯微鏡的硬件解決方案研究

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探測表面或界面在納米尺度上表現出的物理性質和化學性質，它的問世對表面科學、物理學、微電子學、電子材料學、先進材料和納米材料等研究領域技術重要的意義，與此同時，數字信號處理技術已經發展得相當成熟，dsp技術也已經廣泛地應用于通信、測量、多媒體、消費電子產品等領域，由于把dsp和spm結合在一起是spm儀器發展的必然方向，它能使spm性能更趨于完善，為此，本文介紹如何用tms320c5416來實現這一設想！

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pci卡和spm控制板保持通信，整個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，它通過步進馬達和壓電陶瓷管的三維伸縮來實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，通過控制軟件可設置掃描參數、對掃描過程實行實時調節和監控（再線掃描控制）以及對掃描圖像進行分析處理（離線數據分析），電子控制板則是連接控制軟件和掃描器的中間部分，擔負著在掃描過程中的將控制軟件下達的指令時實的轉化為對掃描器的具體操作任務，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成像的效果，設計好的電子控制系統對整個stm來說至關重要。

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，主要缺點如下：

（1）pc機的開關電源對高精度的a/d，d/a芯片干擾太大。

（2）pci卡每次只能對一路信號尋址，系統的實時性較低。

（3）由于需要較大的計算資源開銷并要運行一個復雜的非線性校正算法，該控制板需要一個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，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

經過對spm儀器的控制流程、時序要求、掃描方式、反饋模型和實時性進行全面分析，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、功耗都能滿足spm應用系統的反饋要求。

tms320vc5416是ti公司的16位定點dsp，其時鐘頻率為160mhz，能夠實現高速運算（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的容量應該能夠滿足數據存儲要求，因此，為了減小系統的復雜性，就不再進行片外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器和一片多協議收發器，異步收發器選用tl16c52b，該器件的發送接收各帶有64字節fifo和modem接口信號，并分a、b兩路收發，最高傳輸速率可達1.5mbps波特率。采用3.3v電源供電，而且接口簡單，可以與dsp直接連接，每個通道的18個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，經采用a0-a2尋址。多協議收發器使用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）來實現各個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控制邏輯以及讀寫信號等）。系統的控制邏輯清晰有序，而且采用vhdl語言編寫程序并不復雜，系統調試采用ti公司的ccs2.2開發環境，該平臺包括代碼編輯和調試并可執行代碼生成工具，能支持設計和開發的整個流程。

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向步進電機供電，其余的均為數字電路供電，由于整個電路電源種類多，大量芯片同時開啟和關閉會造成電源和地線上的電壓和電流的較大波動，影響芯片的正常工作，所以，除了在地線和電源之間并聯電容、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、通過控制軟件上的掃描控制面板、用戶可以調整掃描發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，然后通過反饋控制面板，用戶可以實時調整z向反饋電子學的工作狀態，如比例增益、積分增益，反饋環路和偏壓。最后通過步進馬達控制面板來設定前進、后退或者停止，并設定步數給馬達驅動器相應的驅動脈沖。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，再經過高壓運放來驅動馬達產生位移。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，轉換時間為30ns。

tms320vc5416片內有一個16位的定時器，定時器的輸出能啟動12bita/d轉換，并可采樣z信號（調整掃描探針跟樣品表面距離），可屏蔽的定時中斷服務程序安裝著xy掃描算法和掃描器的非線性校正算法，xy掃描算法用來進行x向和y向的掃描位移計算，非線性校正算法則根據掃描點上的隧道電流的大小進行相應的調整，然后啟動3路d/a轉換，對反饋的x、y、z三路信號進行放大，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，但在進行掃描時，vb不再是一恒定的值，而是要控制軟件設定的變化關系來變化，vset是通過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進行比較，其輸出經過比例運放器和積分器可決定經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行調試和改進后，筆者得到了如圖6所示的金膜表面圖像。

結束語

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，同時設計時要特別意識到信號完整性問題的重要性，所以設計當中要對阻抗控制，反射和信號終端進行匹配，并對dsp、a/d、d/a器件進行物理隔離，同時要考慮串擾、電源退耦等問題，盡量避免信號完整性對設計性能的影響。

實驗證明，利用dsp實現spm的反饋系統設計與基于pci系統相比，具有接口簡單，穩定性好和精度高等優點，筆者今后還將進一步設計新的dsp算法，并增強圖像特征，同時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。