基于數(shù)字PID的SPM控制系統(tǒng).pdf

1、掃描探針顯微鏡（Scanning Probe Microscope，SPM）是掃描隧道顯微鏡及在掃描隧道顯微鏡的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的各種新型探針顯微鏡（原子力顯微鏡AFM,橫向力顯微鏡LFM，磁力顯微鏡MFM等等）的統(tǒng)稱，是國(guó)際上近年發(fā)展起來(lái)的表面分析儀器，是綜合運(yùn)用光電子技術(shù)、激光技術(shù)、微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)、精密機(jī)械設(shè)計(jì)和加工、自動(dòng)控制技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、應(yīng)用光學(xué)技術(shù)、計(jì)算機(jī)高速采集和控制及高分辨圖形處理技術(shù)等現(xiàn)代科技成果的光、機(jī)、電一體

2、化的高科技產(chǎn)品。 自八十年代初其誕生以來(lái)，隨著SPM產(chǎn)品的多次創(chuàng)新和發(fā)展，其應(yīng)用更是覆蓋了納米科技、材料科學(xué)、物理、化學(xué)和生命科學(xué)等領(lǐng)域。但是發(fā)展至今，其掃描控制系統(tǒng)仍大多采用模擬PID控制技術(shù)，這種模擬PID控制系統(tǒng)采用搭接常規(guī)電子線路的方式設(shè)計(jì)PID控制器，其缺點(diǎn)在于，對(duì)于模擬處理系統(tǒng)，當(dāng)需要改變系統(tǒng)性能時(shí)，不得不修改硬件設(shè)計(jì)，或調(diào)整硬件參數(shù)。一套模擬控制系統(tǒng)只能對(duì)應(yīng)它已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的功能，升級(jí)意味著新系統(tǒng)的研制，隨之帶來(lái)的是開發(fā)

3、周期的延長(zhǎng)。 本研究工作是對(duì)我們現(xiàn)有的SPM技術(shù)進(jìn)行更新，發(fā)展一套新的SPM控制系統(tǒng)。它以數(shù)字信號(hào)處理器DSP為核心搭建掃描探針顯微鏡的硬件平臺(tái)，在此硬件平臺(tái)基礎(chǔ)上通過(guò)軟件程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)字PID控制器的設(shè)計(jì)，使得整個(gè)掃描探針顯微鏡在掃描過(guò)程中完全通過(guò)數(shù)字閉環(huán)控制來(lái)進(jìn)行信號(hào)跟蹤和反饋，從而能夠避免現(xiàn)有模擬量PID控制系統(tǒng)靈活性差、不易維護(hù)和升級(jí)等缺陷。 這套系統(tǒng)是以德州儀器公司的TMS320C6713 DSP為核心。工作的重心

4、一方面是通過(guò)編寫下位機(jī)測(cè)試及工作程序，對(duì)硬件系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試以及完善，以實(shí)現(xiàn)硬件方面的準(zhǔn)備；另一方面通過(guò)將DSP與位置式PID算法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)SPM數(shù)字PID控制器的設(shè)計(jì)。 該系統(tǒng)的上下位機(jī)通訊通過(guò)USB2.0接口完成，USB接口芯片采用CYPRESS公司的CY7C68013。在其工作時(shí)，DSP一方面作為PID控制器，對(duì)反映探針微形變的光偏轉(zhuǎn)信號(hào)進(jìn)行PID調(diào)節(jié)；一方面將反饋控制量信號(hào)通過(guò)USB接口芯片送往上位機(jī)，從而產(chǎn)生樣本的表面形