基于fpga的掃描離子電導(dǎo)顯微鏡的控制器及控制方法
【專利摘要】基于FPGA的掃描離子電導(dǎo)顯微鏡的控制器及控制方法，包括分別與上位機和PID求解單元相連的通信單元；PID求解單元分別與信號采集單元、PWM輸出單元和DA單元相連；時鐘單元用于統(tǒng)一操作時序。在初始化并設(shè)定參數(shù)后，信號采集單元采集反饋信號，PID求解單元求解出控制量，當(dāng)反饋信號大于其閾值時，PWM輸出單元控制直流無刷電機帶動探針和托盤移動，當(dāng)反饋信號小于等于其閾值時，DA單元控制壓電陶瓷帶動托盤移動，同時反饋信號和控制量傳輸至上位機進行顯示，重復(fù)上述步驟至滿足控制目標(biāo)或接到結(jié)束命令為止。本發(fā)明用于對樣品掃描成像的控制，體積小，提高了魯棒性和智能性，能在保持分辨率的前提下，提高觀測成像速度。
【專利說明】基于FPGA的掃描離子電導(dǎo)顯微鏡的控制器及控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及無刷直流電機、壓電陶瓷的控制領(lǐng)域，具體涉及一種基于FPGA的掃描離子電導(dǎo)顯微鏡的控制器及控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]掃描離子電導(dǎo)顯微鏡是一種掃描探針顯微技術(shù)，其原理如圖2所示:是將一個Ag/AgCl電極置于充滿電解液的玻璃微滴管中作為掃描探針，非導(dǎo)電樣品放在一個電解液存儲池底部。當(dāng)玻璃微滴管接近樣品表面時，由于空間的減小而限制離子自由流入玻璃微滴管探針，離子電導(dǎo)也隨之減小。當(dāng)玻璃微滴管探針在貼近樣品表面掃描時，通過實時監(jiān)測玻璃微滴管內(nèi)電極和在電解池中另一 Ag/AgCl電極之間電導(dǎo)的變化，利用負(fù)反饋電路使探針上下移動來得到電導(dǎo)守恒，從而保持掃描過程中掃描探針針尖與樣品間的恒定距離。這樣，玻璃微滴管探針運動的軌跡即代表樣品表面的形貌。其具有成像分辨率高、探針易于制備和對被成像物體無損傷等特點，特別適用于研究生理條件下的活體細胞，是一種與掃描電化學(xué)顯微鏡及原子力顯微鏡互補的掃描探針顯微鏡技術(shù)，能夠?qū)浗缑婕氨砻?，如活細胞表面的顯微結(jié)構(gòu)，進行高分辨率成像；并能夠與其它技術(shù)聯(lián)用，研究細胞形貌與功能的關(guān)系；還能控制沉積特定分子，實現(xiàn)納米尺度的顯微操作與加工。
[0003]實驗控制的精確性是掃描離子電導(dǎo)顯微鏡觀測成像的重要保障因素。在掃描離子電導(dǎo)顯微鏡的實驗中要將探針尖端垂直下移到離樣品表面納米級的距離，傳統(tǒng)的控制器側(cè)重于保護電路或驅(qū)動電路的搭建，主要通過壓電陶瓷的進給量控制來進行掃描觀測實驗，表現(xiàn)出控制緩慢、實驗成像時間長等問題，并且對系統(tǒng)構(gòu)架及人機交互考慮較少。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提出一種基于FPGA的掃描離子電導(dǎo)顯微鏡的控制器及控制方法，能夠在保持實驗分辨率的前提下，提高實驗觀測成像的速度。
[0005]為達到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
[0006]基于FPGA的掃描離子電導(dǎo)顯微鏡的控制器，包括基于FPGA平臺上的時鐘單元、通信單元、PID求解單元、信號采集單元、DA單元以及PWM輸出單元；其中通信單元通過與上位機通訊得到預(yù)設(shè)的控制目標(biāo)，并將控制目標(biāo)傳送給PID求解單元；信號采集單元采集反饋信號，并將反饋信號傳送給PID求解單元；PID求解單元根據(jù)控制目標(biāo)和反饋信號求解出控制量；當(dāng)實時的反饋信號大于反饋信號的閾值時，PID求解單元將控制量傳送給PWM輸出單元，PWM輸出單元根據(jù)控制量控制直流無刷電機帶動掃描離子電導(dǎo)顯微鏡的探針和托盤在微米級尺度上進行移動；當(dāng)實時的反饋信號小于等于反饋信號的閾值時，PID求解單元將控制量傳送給DA單元，DA單元根據(jù)控制量控制壓電陶瓷帶動掃描離子電導(dǎo)顯微鏡的托盤在納米級尺度上進行移動，從而進行掃描離子電導(dǎo)顯微鏡掃描觀測實驗；時鐘單元用于統(tǒng)一 FPGA平臺上各單元的操作時序。
[0007]還包括基于FPGA平臺上的數(shù)據(jù)讀寫單元，數(shù)據(jù)讀寫單元用于將信號采集單元采集的反饋信號和PID求解單元求解出的控制量讀寫入存儲器中，并通過通信單元將反饋信號和控制量傳送給上位機進行顯示。
[0008]還包括基于FPGA平臺上的濾波單元，濾波單元接收信號采集單元采集的反饋信號，并將反饋信號進行濾波處理成測量值，再將測量值傳輸給PID求解單元。
[0009]所述的信號采集單元包括用于采集模擬反饋信號的AD單元和用于采集數(shù)字反饋信號值的I/o單元。
[0010]所述的直流無刷電機包括三個分別用于調(diào)整x、y、z方向的直流無刷電機；所述的壓電陶瓷包括一個用于調(diào)整X和y方向的壓電陶瓷和一個用于調(diào)整Z方向的壓電陶瓷。
[0011]基于FPGA的掃描離子電導(dǎo)顯微鏡的控制方法，包括以下步驟:
[0012]I)將通信單元與上位機連接，將PWM輸出單元和直流無刷電機的接口相連，DA單元和壓電陶瓷的接口相連；
[0013]2)通電后進行初始化操作，然后確定被采集的反饋信號的反饋模式，設(shè)定控制目標(biāo)和反饋信號的閾值，計算并設(shè)定PID求解單元的參數(shù)；
[0014]3)數(shù)據(jù)采集:信號采集單元采集反饋信號，通過濾波單元對采集到的反饋信號進行濾波處理，得出測量值，從而得到掃描觀測實驗的實時工作狀態(tài)；
[0015]4)同時進行以下步驟:
[0016]4.1)將測量值通過數(shù)據(jù)存儲單元進行讀寫，再通過通信單元傳遞給上位機，使掃描觀測實驗的實時工作狀態(tài)和控制目標(biāo)在上位機上進行實時顯示；
[0017]4.2) PID求解單元根據(jù)設(shè)定的控制目標(biāo)、掃描觀測實驗的實時工作狀態(tài)和計算并設(shè)定好的PID求解單元的參數(shù)求解出控制量；
[0018]5)再同時進行以下步驟:
[0019]5.1)利用數(shù)據(jù)讀寫單元記錄控制量；
[0020]5.2)利用通信單元將控制量傳輸給上位機，在上位機上進行實時顯示；
[0021]5.3)當(dāng)實時的反饋信號大于反饋信號的閾值時，進行步驟5.3.1)，當(dāng)實時的反饋信號小于等于反饋信號的閾值時，進行步驟5.3.2)；
[0022]5.3.1) PID求解單元將控制量傳送給PWM輸出單元，PWM輸出單元根據(jù)控制量控制直流無刷電機帶動掃描離子電導(dǎo)顯微鏡的探針和托盤在微米級尺度上進行移動，從而調(diào)整掃描觀測實驗的實時工作狀態(tài)，得到新的反饋信號；
[0023]5.3.2) PID求解單元將控制量傳送給DA單元，DA單元根據(jù)控制量控制壓電陶瓷帶動掃描離子電導(dǎo)顯微鏡的托盤在納米級尺度上進行移動，從而調(diào)整掃描觀測實驗的實時工作狀態(tài)，得到新的反饋信號；
[0024]6)重復(fù)進行步驟3)至步驟5)，直至滿足設(shè)定的控制目標(biāo)或接收到由上位機輸入的結(jié)束命令為止。
[0025]所述的反饋信號的掃描模式為等高度掃描模式或跳躍式掃描模式。
[0026]所述的控制目標(biāo)為被采集的反饋信號的離子電流降低至5%。
[0027]所述的反饋信號的閾值為被采集的反饋信號的離子電流降低至10%。
[0028]相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果為:
[0029]本發(fā)明提供的基于FPGA的掃描離子電導(dǎo)顯微鏡的控制器，用于掃描離子電導(dǎo)顯微鏡(SICM)掃描觀測實驗中對樣品掃描成像的控制。本發(fā)明將傳統(tǒng)的控制器集成到FPGA控制板上，減小了控制器的體積，使得控制器體積小型化，且小型化后的控制器可放入顯微鏡的屏蔽箱中，提高了其魯棒性。而且本發(fā)明提供的控制器能夠通過信號采集單源采集反饋信號(掃描觀測實驗中的閉合回路中的離子電流的大小)、PID求解單元求解出控制量，當(dāng)實時的反饋信號大于反饋信號的閾值時，PWM輸出單元控制直流無刷電機帶動探針和托盤在微米級尺度上進行移動，當(dāng)實時的反饋信號小于等于反饋信號的閾值時，DA單元控制壓電陶瓷帶動托盤在納米尺度上進行移動，從而實現(xiàn)了根據(jù)反饋信號實現(xiàn)基于FPGA的掃描離子電導(dǎo)顯微鏡的控制器的自動控制，提高了控制器對掃描觀測實驗控制的智能性。本發(fā)明能夠通過直流無刷電機在微米級尺度上大范圍調(diào)整探針和托盤的位置；而且能夠通過壓電陶瓷在納米級的尺度內(nèi)調(diào)整托盤的位置，使得對探針和托盤位置的控制更加精密準(zhǔn)確，從而提高了掃描觀測實驗的精確性，使得本發(fā)明的適用范圍大大增加。而且本發(fā)明的控制器中執(zhí)行程序的是硬件電路，可靠性強；控制器中的信號為采集、求解、輸出執(zhí)行的并行控制方式，提高了控制的快速性，能夠在保持實驗分辨率的前提下，提高實驗觀測成像的速度。
[0030]本發(fā)明提供的基于FPGA的掃描離子電導(dǎo)顯微鏡的控制方法，用于掃描離子電導(dǎo)顯微鏡(SICM)掃描觀測實驗中樣品掃描成像的控制。本發(fā)明首先選擇反饋信號的反饋模式、設(shè)定控制目標(biāo)，然后重復(fù)進行采集反饋信號、求解出控制量、利用執(zhí)行元件帶動探針和托盤移動的步驟，直至滿足設(shè)定的控制目標(biāo)或接受到結(jié)束命令為止。因此本發(fā)明能夠方便的根據(jù)掃描觀測實驗中的反饋信號確定掃描觀測實驗中執(zhí)行元件的空間位置狀態(tài)和工作情況，從而得出掃描觀測實驗的實時工作狀態(tài)。由于本發(fā)明的控制方法中執(zhí)行程序的是硬件電路，因此可靠性強，且采集、求解、執(zhí)行的控制方式帶來更快的控制速度，能夠在保持實驗分辨率的前提下，提高實驗觀測成像的速度。
[0031]進一步的，本發(fā)明還具有良好的人機交互性能，能夠通過上位機讀出掃描觀測實驗的實時工作狀態(tài)，下達掃描觀測實驗控制結(jié)束命令，也可通過存儲器讀取出整個掃描觀測實驗控制過程的全程紀(jì)錄。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0032]圖1為基于FPGA的掃描離子電導(dǎo)顯微鏡的控制器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033]圖2為掃描離子電導(dǎo)顯微鏡實驗臺的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034]圖3為基于FPGA的掃描離子電導(dǎo)顯微鏡的控制方法的流程圖；
[0035]圖4為基于FPGA的掃描離子電導(dǎo)顯微鏡的控制方法結(jié)構(gòu)示意圖；
[0036]其中:1為上位機、2為離子電流放大器、3為基于FPGA的掃描離子電導(dǎo)顯微鏡的控制器、4為X方向直流無刷電機、5為y方向直流無刷電機、6為X和y方向壓電陶瓷、7為z方向壓電陶瓷、8為z方向直流無刷電機、9為玻璃探針、IO為Ag/AgCl電極、11為電解液。
【具體實施方式】
[0037]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0038]如圖1所示，本發(fā)明提供的基于FPGA的掃描離子電導(dǎo)顯微鏡的控制器分為9個相互間并行操作的處理單元:時鐘單元、I/o單元、通信單元、DA單元、AD單元、濾波單元、數(shù)據(jù)讀寫單元、PID求解單元、PWM輸出單元，其中AD單元和I/O單元為信號采集單元，PWM輸出單元和DA單元為輸出單元。通信單元通過外圍通訊接口與上位機通訊得到預(yù)設(shè)的控制目標(biāo)，并將控制目標(biāo)傳送給PID求解單元，同時可以通過外接鍵盤完成人機交互通信，能夠通過上位機讀出掃描觀測實驗的實時工作狀態(tài)和全程記錄，或在掃描觀測實驗過程中通過上位機下達結(jié)束命令。掃描觀測實驗中的閉合回路中的離子電流的反饋信號為數(shù)字反饋信號時，用I/O單元控制I/O 口采集數(shù)字反饋信號；掃描觀測實驗中的閉合回路中的離子電流的反饋信號為模擬反饋信號時，用AD單元控制外接AD轉(zhuǎn)換芯片采集模擬反饋信號；10單元和AD單元在完成反饋信號采集后將其傳送給濾波單元。濾波單元將反饋信號進行濾波處理成測量值，再將測量值傳輸給PID求解單元。PID求解單元根據(jù)控制目標(biāo)、測量值(掃描觀測實驗的實時運行狀態(tài))和自身設(shè)定的參數(shù)求解出控制量。當(dāng)實時的反饋信號大于反饋信號的閾值時，PID求解單元將控制量傳送給PWM輸出單元，PWM輸出單元根據(jù)控制量控制用于調(diào)整z方向的直流無刷電機的運轉(zhuǎn)，從而帶動掃描離子電導(dǎo)顯微鏡的探針在微米級尺度上進行移動，同時PWM輸出單元根據(jù)控制量控制兩個分別用于調(diào)整X、I方向的直流無刷電機的運轉(zhuǎn)，從而帶動掃描離子電導(dǎo)顯微鏡的托盤在微米級尺度上進行移動；當(dāng)實時的反饋信號小于等于反饋信號的閾值時，PID求解單元將控制量傳送給DA單元，DA單元根據(jù)控制量控制兩個分別用于調(diào)整X和I方向的壓電陶瓷和z方向的壓電陶瓷的位移，從而帶動掃描離子電導(dǎo)顯微鏡的托盤在納米級尺度上進行移動，進而控制掃描觀測實驗。數(shù)據(jù)讀寫單元用于將信號采集單元采集的反饋信號和PID求解單元求解出的控制量讀寫入存儲器中，并通過通信單元將反饋信號和控制量傳送給上位機進行顯示。時鐘單元用于統(tǒng)一上述各單元操作時序。
[0039]在程序調(diào)試過程中，首先實現(xiàn)智能控制算法的片上化，采用超高速集成電路硬件描述語言——VHDL編制程序，然后將程序下載到現(xiàn)場可編程門陣列——FPGA中進行設(shè)計優(yōu)化，改進算法、參數(shù)，經(jīng)驗證后利用硬件設(shè)計圖制備專用集成電路——ASIC，即可得出基于FPGA的掃描離子電導(dǎo)顯微鏡的控制器。
[0040]圖2為掃描離子電導(dǎo)顯微鏡實驗臺的結(jié)構(gòu)示意圖，從圖中可以看出，基于FPGA的掃描離子電導(dǎo)顯微鏡的控制器3分別和上位機1、離子電流放大器2、X方向直流無刷電機
4、y方向直流無刷電機5、z方向直流無刷電機8、x和y方向壓電陶瓷6及z方向壓電陶瓷7相連；z方向直流無刷電機8上固定有玻璃探針9，玻璃探針9內(nèi)有待電解液和電極；x方向直流無刷電機4、y方向直流無刷電機5、X和y方向壓電陶瓷6及z方向壓電陶瓷7固定在一起，且z方向壓電陶瓷7上固定有托盤，托盤上放置有培養(yǎng)皿，培養(yǎng)皿內(nèi)有待檢測樣品、電解液和電極；玻璃探針9內(nèi)的電極和培養(yǎng)皿內(nèi)的電極分別與離子電流放大器2相連，構(gòu)成閉合回路，玻璃探針9內(nèi)的電極檢測到離子電流信號后傳送到離子電流放大器2中變成反饋信號。
[0041]參見圖3，基于FPGA的掃描離子電導(dǎo)顯微鏡的控制方法，包括以下步驟:
[0042]第I步為硬件安裝:將直流無刷電機和壓電陶瓷按如圖2所示組裝起來，并將直流無刷電機、壓電陶瓷分別與基于FPGA的掃描離子電導(dǎo)顯微鏡的控制器的PWM輸出單兀和DA單元的對應(yīng)接口相連，將反饋信號與基于FPGA的掃描離子電導(dǎo)顯微鏡的的AD單元或IO單元相連，將上位機與基于FPGA的掃描離子電導(dǎo)顯微鏡的通信單元相連；
[0043]第2步初始化和參數(shù)設(shè)置:待基于FPGA的掃描離子電導(dǎo)顯微鏡的控制器上電后通過FPGA上的初始化按鈕對其內(nèi)部變量進行初始化操作，然后進行參數(shù)設(shè)置:確定被采集的反饋信號的反饋模式為交流或直流模式，確定反饋信號的掃描模式為等高度掃描模式還是跳躍式掃描模式，設(shè)定控制對象為探針和托盤，設(shè)定控制目標(biāo)為掃描觀測實驗的閉合回路中反饋信號的離子電流降低至5%，設(shè)定反饋信號的閾值為被采集的反饋信號的離子電流降低至10%,計算并設(shè)定PID求解單元的參數(shù)；
[0044]第3步是掃描觀測實驗的實時工作狀態(tài)的測量(數(shù)據(jù)采集)，信號采集單元采集反饋信號，通過濾波單元對采集到的反饋信號進行濾波處理，得出測量值，從而得到掃描觀測實驗的實時工作狀態(tài)；
[0045]第4步，同時進行以下步驟:
[0046]第4.1步是將測量值通過數(shù)據(jù)存儲單元進行讀寫，再通過通信單元傳遞給上位機，使掃描觀測實驗的實時工作狀態(tài)和控制目標(biāo)在上位機上進行實時顯示；
[0047]第4.2步是PID求解單元根據(jù)設(shè)定的控制目標(biāo)、掃描觀測實驗的實時工作狀態(tài)和計算并設(shè)定好的PID求解單元的參數(shù)求解出控制量；
[0048]第5步，再同時進行以下步驟:
[0049]第5.1步是利用數(shù)據(jù)讀寫單元記錄控制量；
[0050]第5.2步是利用通信單元將控制量(直流無刷電機的位移、壓電陶瓷的位移)傳輸給上位機，在上位機上進行實時顯示；
[0051]第5.3步是當(dāng)實時的反饋信號大于反饋信號的閾值時，進行第5.3.1步，當(dāng)實時的反饋信號小于等于反饋信號的閾值時，進行第5.3.2步；
[0052]第5.3.1步是PID求解單元將控制量傳送給PWM輸出單元，PWM輸出單元根據(jù)控制量驅(qū)動X方向直流無刷電機，從而帶動掃描離子電導(dǎo)顯微鏡的探針在微米級尺度上進行移動，PWM輸出單元根據(jù)控制量驅(qū)動I方向直流無刷電機和z方向直流無刷電機，從而帶動掃描離子電導(dǎo)顯微鏡的托盤在微米級尺度上進行移動，進而調(diào)整掃描觀測實驗的實時工作狀態(tài)，得到新的反饋信號；
[0053]第5.3.2步是PID求解單元將控制量傳送給DA單元，DA單元根據(jù)控制量控制x和I方向壓電陶瓷及z方向壓電陶瓷的位移，從而帶動掃描離子電導(dǎo)顯微鏡的托盤在納米級尺度上進行移動，進而調(diào)整掃描觀測實驗的實時工作狀態(tài)，得到新的反饋信號；
[0054]第6步是重復(fù)進行第3步至第5步，直至滿足設(shè)定的控制目標(biāo)或接受到由上位機輸入的結(jié)束命令為止。
[0055]如圖4所示，本發(fā)明的基于FPGA的掃描離子電導(dǎo)顯微鏡的控制器控制直流無刷電機和壓電陶瓷，從而控制探針和托盤進行位移，并且把探針和托盤的位移反饋給本發(fā)明的控制器，從而不斷進行掃描觀測實驗控制；同時本發(fā)明的控制器與上位機相連，具有良好的人機交互性能，可通過上位機讀出實時工作狀態(tài)，也可通過存儲器讀取出整個控制過程的
全紀(jì)錄。
【權(quán)利要求】
1.基于FPGA的掃描離子電導(dǎo)顯微鏡的控制器,其特征在于:包括基于FPGA平臺上的時鐘單元、通信單元、PID求解單元、信號采集單元、DA單元以及PWM輸出單元；其中通信單元通過與上位機通訊得到預(yù)設(shè)的控制目標(biāo)，并將控制目標(biāo)傳送給PID求解單元；信號采集單元采集反饋信號，并將反饋信號傳送給PID求解單元；PID求解單元根據(jù)控制目標(biāo)和反饋信號求解出控制量；當(dāng)實時的反饋信號大于反饋信號的閾值時，PID求解單元將控制量傳送給PWM輸出單元，PWM輸出單元根據(jù)控制量控制直流無刷電機帶動掃描離子電導(dǎo)顯微鏡的探針和托盤在微米級尺度上進行移動；當(dāng)實時的反饋信號小于等于反饋信號的閾值時，PID求解單元將控制量傳送給DA單元，DA單元根據(jù)控制量控制壓電陶瓷帶動掃描離子電導(dǎo)顯微鏡的托盤在納米級尺度上進行移動，從而進行掃描離子電導(dǎo)顯微鏡掃描觀測實驗；時鐘單元用于統(tǒng)一 FPGA平臺上各單元的操作時序。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于FPGA的掃描離子電導(dǎo)顯微鏡的控制器，其特征在于:還包括基于FPGA平臺上的數(shù)據(jù)讀寫單元，數(shù)據(jù)讀寫單元用于將信號采集單元采集的反饋信號和PID求解單元求解出的控制量讀寫入存儲器中，并通過通信單元將反饋信號和控制量傳送給上位機進行顯示。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于FPGA的掃描離子電導(dǎo)顯微鏡的控制器，其特征在于:還包括基于FPGA平臺上的濾波單元，濾波單元接收信號采集單元采集的反饋信號，并將反饋信號進行濾波處理成測量值，再將測量值傳輸給PID求解單元。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任意一項所述的基于FPGA的掃描離子電導(dǎo)顯微鏡的控制器,其特征在于:所述的信號采集單元包括用于采集模擬反饋信號的AD單元和用于采集數(shù)字反饋信號值的I/O單元。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任意一項所述的基于FPGA的掃描離子電導(dǎo)顯微鏡的控制器,其特征在于:所述的直流無刷電機包括三個分別用于調(diào)整X、1、Z方向的直流無刷電機；所述的壓電陶瓷包括一個用于調(diào)整X和y方向的壓電陶瓷和一個用于調(diào)整Z方向的壓電陶瓷。.
6.基于FPGA的掃描離子電導(dǎo)顯微鏡的控制方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)將通信單元與上位機連接，將PWM輸出單元和直流無刷電機的接口相連，DA單元和壓電陶瓷的接口相連； 2)通電后進行初始化操作，然后確定被采集的反饋信號的反饋模式，設(shè)定控制目標(biāo)和反饋信號的閾值，計算并設(shè)定PID求解單元的參數(shù)； 3)數(shù)據(jù)采集:信號采集單元采集反饋信號，通過濾波單元對采集到的反饋信號進行濾波處理，得出測量值，從而得到掃描觀測實驗的實時工作狀態(tài)； .4)同時進行以下步驟: . 4.1)將測量值通過數(shù)據(jù)存儲單元進行讀寫，再通過通信單元傳遞給上位機，使掃描觀測實驗的實時工作狀態(tài)和控制目標(biāo)在上位機上進行實時顯示； .4.2) PID求解單元根據(jù)設(shè)定的控制目標(biāo)、掃描觀測實驗的實時工作狀態(tài)和計算并設(shè)定好的PID求解單元的參數(shù)求解出控制量； .5.)再同時進行以下步驟: .5.1)利用數(shù)據(jù)讀寫單元記錄控制量； .5.2)利用通信單元將控制量傳輸給上位機，在上位機上進行實時顯示； .5.3)當(dāng)實時的反饋信號大于反饋信號的閾值時，進行步驟5.3.1),當(dāng)實時的反饋信號小于等于反饋信號的閾值時，進行步驟5.3.2)； .5.3.1) PID求解單元將控制量傳送給PWM輸出單元，PWM輸出單元根據(jù)控制量控制直流無刷電機帶動掃描離子電導(dǎo)顯微鏡的探針和托盤在微米級尺度上進行移動，從而調(diào)整掃描觀測實驗的實時工作狀態(tài)，得到新的反饋信號； .5.3.2) PID求解單元將控制量傳送給DA單元，DA單元根據(jù)控制量控制壓電陶瓷帶動掃描離子電導(dǎo)顯微鏡的托盤在納米級尺度上進行移動，從而調(diào)整掃描觀測實驗的實時工作狀態(tài)，得到新的反饋信號； .6)重復(fù)進行步驟3)至步驟5)，直至滿足設(shè)定的控制目標(biāo)或接收到由上位機輸入的結(jié)束命令為止。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于FPGA的掃描離子電導(dǎo)顯微鏡的控制方法,其特征在于:所述的反饋信號的掃描模式為等高度掃描模式或跳躍式掃描模式。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于FPGA的掃描離子電導(dǎo)顯微鏡的控制方法,其特征在于:所述的控制目標(biāo)為被采集的反饋信號的離子電流降低至5%。
9.根據(jù)權(quán)利要求 6-8中任意一項所述的基于FPGA的掃描離子電導(dǎo)顯微鏡的控制方法，其特征在于:所述的反饋信號 的閾值為被采集的反饋信號的離子電流降低至10%。
【文檔編號】G05D3/12GK103472853SQ201310386169
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年8月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月29日
【發(fā)明者】莊健, 金鵬 申請人:西安交通大學(xué)