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探測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)，它的問世對表面科學(xué)、物理學(xué)、微電子學(xué)、電子材料學(xué)、先進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，數(shù)字信號處理技術(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、測量、多媒體、消費電子產(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來實現(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，計算機通過pci卡和spm控制板保持通信，整個電子控制系統(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，它通過步進馬達(dá)和壓電陶瓷管的三維伸縮來實現(xiàn)掃描探針對樣品表面的掃描；控制處理軟件是中央控制部分，通過控制軟件可設(shè)置掃描參數(shù)、對掃描過程實行實時調(diào)節(jié)和監(jiān)控（再線掃描控制）以及對掃描圖像進行分析
處理（離線數(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)著在掃描過程中的將控制軟件下達(dá)的指令時實的轉(zhuǎn)化為對掃描器的具體操作任務(wù)，因此，電子控制系統(tǒng)的精確程度和對指令的反應(yīng)速度直接影響著成像的效果，設(shè)計好的電子控制系統(tǒng)對整個stm來說至關(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，主要缺點如下：

（1）pc機的開關(guān)電源對高精度的a/d，d/a芯片干擾太大。

（2）pci卡每次只能對一路信號尋址，系統(tǒng)的實時性較低。

（3）由于需要較大的計算資源開銷并要運行一個復(fù)雜的非線性校正算法，該控制板需要一個處理能力強的處理器。

（4）存儲器及握手方式不夠理想。

系統(tǒng)設(shè)計思想

為了解決上述缺點，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控制板和計算機信息交換將先通過dsp作相應(yīng)處理，然后再送至對方，dsp和計算機的通信采用全雙工rs-232串口通信方式。

dsp控制板的結(jié)構(gòu)和功能

經(jīng)過對spm儀器的控制流程、時序要求、掃描方式、反饋模型和實時性進行全面分析，并對幾種dsp芯片的性能的比較，本設(shè)計決定采用ti公司的54x系列dsp芯片，該系統(tǒng)的dsp的運算處理速度、處理精度、功耗都能滿足spm應(yīng)用系統(tǒng)的反饋要求。

tms320vc5416是ti公司的16位定點dsp，其時鐘頻率為160mhz，能夠?qū)崿F(xiàn)高速運算（160mips）和大容量存儲，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)該能夠滿足數(shù)據(jù)存儲要求，因此，為了減小系統(tǒng)的復(fù)雜性，就不再進行片外sram的擴展，這也就局限了系統(tǒng)以后的完善和升級，為了提出程序運行速度，設(shè)計采用flash bootloader方式，即先將程序下降到片外flash中，在dsp上電后，系統(tǒng)將自動將flash中的程序讀入到片上ram中運行，所以本設(shè)計也在dsp外部擴展一片256×16位的flash。設(shè)計時選用的是amd公司的am29f800b型號flash，容量為8mbit，可操作在128×16bit和512k×16bit數(shù)據(jù)存儲形式，本設(shè)計采用512k×16bit，其硬件連接如圖3所示。

　　 dsp和計算機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，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，而且接口簡單，可以與dsp直接連接，每個通道的18個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（型號為cy37032）來實現(xiàn)各個接口間的數(shù)字邏輯操作（比如fla