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《中国科学院研究生院(电工研究所)》 2006年
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基于数字PID的SPM控制系统

夏清文  
【摘要】:扫描探针显微镜(Scanning Probe Microscope,SPM)是扫描隧道显微镜及在扫描隧道显微镜的基础上发展起来的各种新型探针显微镜(原子力显微镜AFM,横向力显微镜LFM,磁力显微镜MFM等等)的统称,是国际上近年发展起来的表面分析仪器,是综合运用光电子技术、激光技术、微弱信号检测技术、精密机械设计和加工、自动控制技术、数字信号处理技术、应用光学技术、计算机高速采集和控制及高分辨图形处理技术等现代科技成果的光、机、电一体化的高科技产品。 自八十年代初其诞生以来,随着SPM产品的多次创新和发展,其应用更是覆盖了纳米科技、材料科学、物理、化学和生命科学等领域。但是发展至今,其扫描控制系统仍大多采用模拟PID控制技术,这种模拟PID控制系统采用搭接常规电子线路的方式设计PID控制器,其缺点在于,对于模拟处理系统,当需要改变系统性能时,不得不修改硬件设计,或调整硬件参数。一套模拟控制系统只能对应它已经实现的功能,升级意味着新系统的研制,随之带来的是开发周期的延长。 本研究工作是对我们现有的SPM技术进行更新,发展一套新的SPM控制系统。它以数字信号处理器DSP为核心搭建扫描探针显微镜的硬件平台,在此硬件平台基础上通过软件程序实现数字PID控制器的设计,使得整个扫描探针显微镜在扫描过程中完全通过数字闭环控制来进行信号跟踪和反馈,从而能够避免现有模拟量PID控制系统灵活性差、不易维护和升级等缺陷。 这套系统是以德州仪器公司的TMS320C6713 DSP为核心。工作的重心一方面是通过编写下位机测试及工作程序,对硬件系统进行调试以及完善,以实现硬件方面的准备;另一方面通过将DSP与位置式PID算法相结合,实现SPM数字PID控制器的设计。 该系统的上下位机通讯通过USB2.0接口完成,USB接口芯片采用CYPRESS公司的CY7C68013。在其工作时,DSP一方面作为PID控制器,对反映探针微形变的光偏转信号进行PID调节;一方面将反馈控制量信号通过USB接口芯片送往上位机,从而产生样本的表面形貌图。 本文中还使用了VB和VC混合编程技术,针对这套系统开发了上位机测试软件。在文章最后,给出了该套SPM控制系统工作时得到的样本扫描波形和图像。 本文的研究工作得到了国家自然基金项目“纳米分辨率活细胞扫描探针原位实时显微观测系统的研究”的支持。
【学位授予单位】:中国科学院研究生院(电工研究所)
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2006
【分类号】:TH742;TP273.5

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