基于DSP的高速原子力显微镜系统

　　随着原子力显微镜(AFM)在物理、生物、化学及集成电路等领域的广泛使用[1],人们对其成像速度的要求越来越高。传统的以PC机为控制核心的AFM,由于功能过于集中以及通讯接口速度受限等原因,成像速度大多比较慢,典型的扫描速度为行频1 Hz~2 Hz,这种扫描速度在很大程度上限制了AFM更进一步地应用。

　　近年来DSP[2](数字信号处理器)技术得到迅猛发展,由于其在处理速度、稳定性、可编程性以及集成度方面的优势,像无线通讯、视频采集等实时信号处理系统纷纷引入DSP作为微处理器。国外很早就开始了基于DSP的扫描探针显微镜(SPM)的研究[3,4],最近几年国内也陆续展开了这方面的工作[5,6]。

　　中国科学院电工研究所微纳加工实验室多年来一直从事AFM的研制,开发出一套全新的以DSP为控制核心的AFM系统。DSP芯片选用的是TMS320C6713,它是TI公司的32位浮点DSP,时钟频率最高可到225 MHz,运算能力达1 350 MFLOPS(百万次浮点操作/秒),能够满足高速AFM系统的需求。本文重点介绍控制系统的硬件构成和控制软件的编写,最后给出实验结果。

　　1　控制系统的硬件结构

　　如图1所示,这种原子力显微镜主要由三部分组成:PC机、控制系统及探头,这里主要介绍以DSP为核心的控制系统。该控制系统由6个模块组成,分别是:DSP主控模块(DSP module)、多功能模块(multi-function module)、高压放大及步进电机控制模块(high voltage and step motor control module)、数模转换模块(A/D module)、模数转换模块(D/A module)和电源模块(power module)。6个模块通过一条自定义的模数混合的总线连接起来;除电源模块外,每个模块都有一片CPLD芯片,用于地址译码、模拟开关控制等。

　　DSP主控模块在该控制系统中处于主导地位。所有任务都由DSP控制完成,包括自动进针/退针、轻敲模式微悬臂固有频率扫描、扫描电压的产生、A/D采样及D/A输出等任务。另外,当系统处于数字闭环控制时,DSP还负责数字反馈控制算法的实现。多功能模块主要用于模拟闭环控制。它将来自PSD(光电检测器)的四象限信号经过运算变成针尖偏移信号,针尖偏移信号跟设定电压作比较得到误差信号。当采用模拟闭环控制时,误差信号进入一个由比例器和积分器构成的模拟PID控制电路,其输出通过高压放大模块放大后到压电扫描器(scanner),控制其Z向伸缩使针尖回到平衡位置。当采用数字闭环控制时,由DSP的软件算法来完成模拟PID控制电路的功能。

　　A/D模块包含3片16 bit的最高采样率800kSPS(千采样次数/每秒)的ADC(模数转换器)。每个ADC前面有个8选1的模拟开关,所以A/D模块最多可以对24路信号进行采样。输入的模拟信号主要包括PSD四象限信号,误差信号,压电扫描器的Z向控制信号(该信号表征了样品的形貌),轻敲模式的相位信号等。