基于DSP的數(shù)字掃描探針顯微鏡的硬件解決方案研究

數(shù)字掃描探針顯微鏡（scanning probe microscope，spm）是研究納米的重要工具，它利用探針和樣品的不同互相作用來(lái)探測(cè)表面或界面在納米尺度上表現(xiàn)出的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)，它的問(wèn)世對(duì)表面科學(xué)、物理學(xué)、微電子學(xué)、電子材料學(xué)、先進(jìn)材料和納米材料等研究領(lǐng)域技術(shù)重要的意義，與此同時(shí)，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得相當(dāng)成熟，dsp技術(shù)也已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于通信、測(cè)量、多媒體、消費(fèi)電子產(chǎn)品等領(lǐng)域，由于把dsp和spm結(jié)合在一起是spm儀器發(fā)展的必然方向，它能使spm性能更趨于完善，為此，本文介紹如何用tms320c5416來(lái)實(shí)現(xiàn)這一設(shè)想。
spm系統(tǒng)方案及其缺陷

　現(xiàn)有的spm系統(tǒng)主要基于pci形式，該方案中，計(jì)算機(jī)通過(guò)pci卡和spm控制板保持通信，整個(gè)電子控制系統(tǒng)的流程圖如圖1所示。

　　 此系統(tǒng)由掃描器、電子控制板和控制處理軟件三部分組成，其中掃描器是執(zhí)行部分，它通過(guò)步進(jìn)馬達(dá)和壓電陶瓷管的三維伸縮來(lái)實(shí)現(xiàn)掃描探針對(duì)樣品表面的掃描；控制處理軟件是中央控制部分，通過(guò)控制軟件可設(shè)置掃描參數(shù)、對(duì)掃描過(guò)程實(shí)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)和監(jiān)控（再線(xiàn)掃描控制）以及對(duì)掃描圖像進(jìn)行分析
處理（離線(xiàn)數(shù)據(jù)分析），電子控制板則是連接控制軟件和掃描器的中間部分，擔(dān)負(fù)著在掃描過(guò)程中的將控制軟件下達(dá)的指令時(shí)實(shí)的轉(zhuǎn)化為對(duì)掃描器的具體操作任務(wù)，因此，電子控制系統(tǒng)的精確程度和對(duì)指令的反應(yīng)速度直接影響著成像的效果，設(shè)計(jì)好的電子控制系統(tǒng)對(duì)整個(gè)stm來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。

雖然基于pci形式的系統(tǒng)在一般控制、傳輸速度及成像效果上都能達(dá)到基本要求，但作為精密儀器，其效果還遠(yuǎn)不夠，主要缺點(diǎn)如下：

（1）pc機(jī)的開(kāi)關(guān)電源對(duì)高精度的a/d，d/a芯片干擾太大。

（2）pci卡每次只能對(duì)一路信號(hào)尋址，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性較低。

（3）由于需要較大的計(jì)算資源開(kāi)銷(xiāo)并要運(yùn)行一個(gè)復(fù)雜的非線(xiàn)性校正算法，該控制板需要一個(gè)處理能力強(qiáng)的處理器。

（4）存儲(chǔ)器及握手方式不夠理想。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想

為了解決上述缺點(diǎn)，筆者給出了一種基于dsp的新型數(shù)字式spm系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，新方案的系統(tǒng)框圖如圖2所示。
該方案和圖1的明顯區(qū)別的是，圖2方案在spm控制板上添加了一塊dsp芯片，spm控制板和計(jì)算機(jī)信息交換將先通過(guò)dsp作相應(yīng)處理，然后再送至對(duì)方，dsp和計(jì)算機(jī)的通信采用全雙工rs-232串口通信方式。

dsp控制板的結(jié)構(gòu)和功能

經(jīng)過(guò)對(duì)spm儀器的控制流程、時(shí)序要求、掃描方式、反饋模型和實(shí)時(shí)性進(jìn)行全面分析，并對(duì)幾種dsp芯片的性能的比較，本設(shè)計(jì)決定采用ti公司的54x系列dsp芯片，該系統(tǒng)的dsp的運(yùn)算處理速度、處理精度、功耗都能滿(mǎn)足spm應(yīng)用系統(tǒng)的反饋要求。

tms320vc5416是ti公司的16位定點(diǎn)dsp，其時(shí)鐘頻率為160mhz，能夠?qū)崿F(xiàn)高速運(yùn)算（160mips）和大容量存儲(chǔ)，片上有128×16位的sram和16k×16位rom。tms320vc5416芯片內(nèi)核和i/o口分別采用1.5v和3.3v供電，故可有效降低功耗。

理論上，該dsp片上sdram的容量應(yīng)該能夠滿(mǎn)足數(shù)據(jù)存儲(chǔ)要求，因此，為了減小系統(tǒng)的復(fù)雜性，就不再進(jìn)行片外sram的擴(kuò)展，這也就局限了系統(tǒng)以后的完善和升級(jí)，為了提出程序運(yùn)行速度，設(shè)計(jì)采用flash bootloader方式，即先將程序下降到片外flash中，在dsp上電后，系統(tǒng)將自動(dòng)將flash中的程序讀入到片上ram中運(yùn)行，所以本設(shè)計(jì)也在dsp外部擴(kuò)展一片256×16位的flash。設(shè)計(jì)時(shí)選用的是amd公司的am29f800b型號(hào)flash，容量為8mbit，可操作在128×16bit和512k×16bit數(shù)據(jù)存儲(chǔ)形式，本設(shè)計(jì)采用512k×16bit，其硬件連接如圖3所示。

　　 dsp和計(jì)算機(jī)的串口通信采用一片異步收發(fā)器和一片多協(xié)議收發(fā)器，異步收發(fā)器選用tl16c52b，該器件的發(fā)送接收各帶有64字節(jié)fifo和modem接口信號(hào)，并分a、b兩路收發(fā)，最高傳輸速率可達(dá)1.5mbps波特率。采用3.3v電源供電，而且接口簡(jiǎn)單，可以與dsp直接連接，每個(gè)通道的18個(gè)寄存器均可用于控制串行異步通信的工作方式及反饋狀態(tài)，經(jīng)采用a0-a2尋址。多協(xié)議收發(fā)器使用max3160芯片，它的異步串口電平可配置成rs323/rs485/rs422多種接口電平標(biāo)準(zhǔn)，本系統(tǒng)選擇rs232，并采用四線(xiàn)制（rxd、txd、rts、cts）。其硬件連接如圖4所示。
另外，本系統(tǒng)可選用了一片csc公司的cpld芯片（型號(hào)為cy37032）來(lái)實(shí)現(xiàn)各個(gè)接口間的數(shù)字邏輯操作（比如fla