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基于数字PID的SPM控制系统

作　者: 夏清文
导　师: 韩立
学　校: 中国科学院研究生院（电工研究所）
专　业: 电工理论与新技术
关键词: 扫描探针显微镜数字信号处理器数字PID控制
分类号: TP273.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

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。

全文目录

第一章引言  9-22
  1.1 纳米技术与SPM  9-10
  1.2 SPM 的工作原理及优点  10-14
    1.2.1 接触式原子力显微镜  10-13
    1.2.2 SPM 的优点  13-14
  1.3 SPM 控制系统的研究和发展现状  14
  1.4 实验室的SPM 控制系统研发现状  14-15
  1.5 有关系统DSP 芯片的选择  15-20
    1.5.1 目前DSP 芯片的应用背景  15-16
    1.5.2 DSP 的基本结构及特点  16-20
      1.5.2.1 DSP 的分类  17-18
      1.5.2.2 DSP 的结构特点  18-19
      1.5.2.3 TMS320C6713 的性能指标与体系结构  19-20
    1.5.3 DSP 在新型SPM 系统中承担的任务  20
  1.6 本课题的主要研究目的、内容和意义  20-22
第二章 SPM 数字控制系统的研究  22-50
  2.1 PID 控制原理及实现算法  22-24
  2.2 模拟PID 控制在SPM 中的应用  24-26
  2.3 数字PID 控制在SPM 中的应用  26-35
    2.3.1 数字PID 控制  26-29
    2.3.2 SPM 控制系统的硬件架构  29-30
    2.3.3 SPM 控制系统的数字PID 控制模型建立  30-31
    2.3.4 SPM 数字控制系统各模块的介绍及作用  31-35
      2.3.4.1 测量部分(反馈环节)  31-32
      2.3.4.2 数据采集部分  32-33
      2.3.4.3 控制执行部分  33-34
      2.3.4.4 PID 控制器部分  34-35
  2.4 系统软件设计  35-43
    2.4.1 TMS320C6000 的软件开发环境及开发工具  35-36
    2.4.2 数字式SPM 的C 程序基本结构  36-37
    2.4.3 主程序设计与分析  37-41
    2.4.4 PID 控制器程序设计与分析  41-42
    2.4.5 USB 中断服务程序  42-43
  2.5 上位机软件设计  43-50
    2.5.1 设备固件程序设计  43-44
    2.5.2 PC 端的客户驱动程序应用  44
    2.5.3 PC 端的客户应用程序设计  44-50
      2.5.3.1 通讯协议的整定  44-47
      2.5.3.2 客户应用软件的分析与设计  47-50
第三章 DSP-SPM 系统的软硬件调试  50-75
  3.1 针对SPM 系统的硬件测试和完善  50-64
    3.1.1 电源模块测试  50-52
    3.1.2 高压板测试  52-56
    3.1.3 D/A 板测试  56-60
    3.1.4 A/D 板测试  60-62
    3.1.5 多功能信号板测试  62-64
  3.2 针对DSP-SPM 系统的软硬件联调  64-75
    3.2.1 数字PID 控制开环跟踪效果测试  64-72
    3.2.2 上下位机联调  72-75
第四章实验结果及分析  75-81
  4.1 在数字PID 控制下光盘的扫描结果  75-77
  4.2 在数字PID 控制下标准光栅的扫描结果与分析  77-79
  4.3 实验结果分析  79-81
第五章课题总结  81-83
附录 SPM 系统及主要电路板照片  83-86
参考文献  86-88
课题研究成果  88-89
致谢  89-90
论文答辩说明  90
关于论文使用授权的说明  90

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