專利名稱：基于dsp和fpga的原子力顯微鏡控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及ー種用于原子力顯微鏡的新型采集控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
原子力顯微鏡的核心工作是控制探針和樣品的移動并根據(jù)探針位置變化描繪出樣品表面的圖像，所以大數(shù)據(jù)量的信號采集與計(jì)算和高精度的控制是系統(tǒng)的核心。現(xiàn)有的原子力顯微鏡多采用單一的ARM或DSP作為采集控制的核心處理器，性能無法滿足逐漸提升的對檢測分辨率的要求。
發(fā)明內(nèi)容為了解決上述存在的技術(shù)問題，本實(shí)用新型提供ー種速度更快，數(shù)據(jù)處理能力更強(qiáng)的用于原子力顯微鏡控制系統(tǒng)。本實(shí)用新型的目的是通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的基于DSP和FPGA的原子力顯微鏡控制系統(tǒng)，其特征在于包括四路模數(shù)轉(zhuǎn)換器、FPGA芯片、DSP芯片和三路數(shù)模轉(zhuǎn)換器；所述的四路數(shù)模轉(zhuǎn)換器將原子力顯微鏡的四象限位置傳感器信號轉(zhuǎn)換后輸入到FPGA芯片輸入端；FPGA芯片通過數(shù)據(jù)總線與DSP芯片連接，DSP芯片將數(shù)據(jù)處理結(jié)果回傳給FPGA芯片，F(xiàn)PGA芯片的輸出端經(jīng)由三路數(shù)模轉(zhuǎn)換器與掃描臺壓電陶瓷連接。所述的FPGA芯片的輸出端還分別與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器及Tapping驅(qū)動器連接。本實(shí)用新型的有益效果本實(shí)用新型采用上述結(jié)構(gòu)，由于將FPGA作為信號采集端，解決了 ARM和DSP不能并行處理多路信號的瓶頸，更能保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，提高采集速度。并且利用DSP在信號處理上的優(yōu)勢，提高系統(tǒng)性能，進(jìn)而提高檢測分辨率。

圖I是本實(shí)用新型所述的系統(tǒng)框圖。圖2是本實(shí)用新型所述的系統(tǒng)原理圖。
具體實(shí)施方式
參照圖I系統(tǒng)框圖，本實(shí)用新型的核心處理器包括一片XILINX公司的Spartan3系列FPGA芯片和一片TI公司的C6000系列DSP芯片。其中FPGA負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和控制信號輸出，利用其并行處理性能提高采集和控制靈敏度。FPGA和DSP之間通過高速總線通信，利用DSP超強(qiáng)的運(yùn)算性能對來自FPGA的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理并給出控制方式。圖2是系統(tǒng)的原理圖，其中四象限位置傳感器的的作用是獲取探針的高度信息。位置傳感器每個(gè)象限輸出一路位置信號并通過運(yùn)放放大。放大后的信號DAIXTDAT4信號線送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器廣4進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的信號即為數(shù)字信號。模數(shù)轉(zhuǎn)換器和FPGA之間的連接包括數(shù)據(jù)線D(TD15、控制信號RDY和0TR，F(xiàn)PGA對四路信號進(jìn)行并行處理計(jì)算后送入DSP0 DSP和FPGA之間采用高速數(shù)據(jù)總線進(jìn)行通信，包括數(shù)據(jù)線DA(TDA15、地址線AD3 AD9、控制信號線CE、CS、WE和DR，總線速度完全可以滿足處理器之間高數(shù)速據(jù)傳輸?shù)男枨?。DSP對探針位置信號進(jìn)行分析處理，通過精密算法得出樣品的移動軌跡，并將命令傳給FPGA。FPGA通過3個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器對掃描臺壓電陶瓷進(jìn)行控制，以控制樣品在X、Y和Z方向上的精確移動。FPGA和數(shù)模轉(zhuǎn)換器之間通過CLK、LOAD、CS和SDI串行通信。上述過程反復(fù)運(yùn)行，形成ー個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。以上掃描和控制過程為此系統(tǒng)的核心，通過增加FPGA處理器，DSP可以把更多資源放在運(yùn)算處理上，而FPGA也可以發(fā)揮其在并行采集和控制上的優(yōu)勢。并且隨著處理器性能的提升，整個(gè)掃描控制能力也將會有明顯提高。除此之外，系統(tǒng)還可以完成其他輔助功能并可以根據(jù)需求進(jìn)行擴(kuò)展。FPGA可以通過CP和CW信號控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，進(jìn)而控制步進(jìn)電機(jī)動作，以便快速使樣品逼近探針；FPGA還可以通過數(shù)據(jù)信號DD0 DD7，控制信號CLK、RST和FD控制Tapping驅(qū)動器以使探針產(chǎn)生周期性振動，以實(shí)現(xiàn)不同的掃描方式。DSP還可以通過信號線HD16 HD31、CLK和DIO擴(kuò) 展以太網(wǎng)物理芯片以實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信功能。
權(quán)利要求1.基于DSP和FPGA的原子力顯微鏡控制系統(tǒng)，其特征在干包括四路模數(shù)轉(zhuǎn)換器、FPGA芯片、DSP芯片和三路數(shù)模轉(zhuǎn)換器； 所述的四路數(shù)模轉(zhuǎn)換器將原子力顯微鏡的四象限位置傳感器信號轉(zhuǎn)換后輸入到FPGA芯片輸入端；FPGA芯片通過數(shù)據(jù)總線與DSP芯片連接，DSP芯片將數(shù)據(jù)處理結(jié)果回傳給FPGA芯片，F(xiàn)PGA芯片的輸出端經(jīng)由三路數(shù)模轉(zhuǎn)換器與掃描臺壓電陶瓷連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于DSP和FPGA的原子力顯微鏡控制系統(tǒng)，其特征在于所述的FPGA芯片的輸出端還分別與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器及Tapping驅(qū)動器連接。
專利摘要基于DSP和FPGA的原子力顯微鏡控制系統(tǒng)，包括四路模數(shù)轉(zhuǎn)換器、FPGA芯片、DSP芯片和三路數(shù)模轉(zhuǎn)換器；所述的四路數(shù)模轉(zhuǎn)換器將原子力顯微鏡的四象限位置傳感器信號轉(zhuǎn)換后輸入到FPGA芯片輸入端；FPGA芯片通過數(shù)據(jù)總線與DSP芯片連接，DSP芯片將數(shù)據(jù)處理結(jié)果回傳給FPGA芯片，F(xiàn)PGA芯片的輸出端經(jīng)由三路數(shù)模轉(zhuǎn)換器與掃描臺壓電陶瓷連接。本實(shí)用新型采用上述結(jié)構(gòu)，由于將FPGA作為信號采集端，解決了ARM和DSP不能并行處理多路信號的瓶頸，更能保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，提高采集速度。并且利用DSP在信號處理上的優(yōu)勢，提高系統(tǒng)性能，進(jìn)而提高檢測分辨率。
文檔編號G05B19/042GK202661819SQ201220275120
公開日2013年1月9日 申請日期2012年6月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月12日
發(fā)明者董文博, 劉富忠, 陳少純, 劉少來, 劉慶功, 王闖, 柳全樂, 趙志平 申請人:沈陽尚賢科技股份有限公司