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《中国计量科学研究院》 2011年
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激光干涉仪信号处理系统及纳米测量机控制系统的研究

来展  
【摘要】:随着我国整体经济能力与自主创新能力的增强,纳米材料、集成电路、超精加工、MEMS(微机电系统)等快速发展的高新技术产业都涉及到纳米技术,迫切需要通过纳米计量来实现纳米尺度的标准和量值溯源。课题组研制的大范围纳米几何结构计量基准装置(又称纳米测量机)将作为我国大范围纳米量值传递体系的溯源基准,保证我国纳米量值的统一。 本论文主要内容是为大范围纳米几何结构计量基准装置,设计并实现测量控制系统,分为激光干涉仪信号处理系统与纳米测量控制系统。概括全文的主要内容和成果,有如下几个方面: 1.分析大范围纳米几何结构计量基准装置的组成部分,设计出计算机加双DSP(数字信号处理器)处理机的测量控制系统,分别为用于激光干涉仪信号处理的I-DSP处理机和用于控制纳米测量机测头和位移系统的Z-DSP处理机。创新设计以DSP作为数据处理与控制核心,堆栈式总线传输信号,CPLD(复杂可编程逻辑器件)作为逻辑控制核心的基础架构。 2.阐述激光偏振干涉仪原理,及可提高测量分辨力的多倍程光路和相位电子细分法。分析干涉仪误差来源和误差修正技术,设计并实现了基于谐波分离算法的误差修正和相位细分架构。创新的设计了基于CPLD的移位相除算法来实现硬件查表,来完成激光干涉仪信号误差修正和相位细分。 3.设计并实现了干涉仪信号处理电路,包括:光电转换电路,干涉仪信号调理电路,基于CPLD的干涉仪信号采集电路,基于CPLD的干涉仪误差修正与相位细分电路。 4.设计并实现了纳米测量机控制系统。采用轮流查询的方式对纳米测量机的多台驱动器和测头进行控制。采用板选-片选-低位配置,由高位地址空间至低位地址空间顺序扩展的分配方法为双DSP处理机的每个接口分配地址空间。设计并实现以CPLD为通信逻辑控制核心的数据通信板,完成了DSP与上位机高速IO板卡通信、与CPLD的通信、与PIO(并行输入输出口)的通信、与RS232的通信、与GIO(通用输入输出口)的通信,为数据和命令提供高速、可靠、稳定的传输通道。 5.通过实验验证了干涉仪光电转换、信号调理、数据采集的可靠性与精度,同时验证基于CPLD的滑动滤波对降低噪音影响的良好效果。通过测试,验证了DSP与上位机高速IO板卡通信、与CPLD通信的稳定与可靠。
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