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基于AFM的纳米操作系统主控器及其反馈模块的开发

作　者: 鄢志丹
导　师: 李艳宁
学　校: 天津大学
专　业: 测试计量技术及仪器
关键词: AFM纳米操作 ARM主控制器 H~∞反馈控制器嵌入式系统
分类号: TP316
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
下　载: 156次
引　用: 2次
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内容摘要

1986年,为了观察绝缘材料表面的原子图像,IBM的G.Binning和斯坦福大学的C.F.Quate, C.Gerber合作,发明了原子力显微镜(Atomic Force Microscope:AFM)。目前,通过控制并检测针尖——样品之间的相互作用力,原子力显微镜不仅可以以高分辨率表征样品表面形貌,分析研究与作用力相对应的各种表面性质,而且还可以利用探针尖锐的针尖,操纵原子和进行纳米加工。本课题受国家自然科学基金项目(50305025)和(50675152)的资助,通过对AFM的成像原理和AFM原子力作用机理的研究,以建立AFM数学模型,依据基于AFM纳米操作系统的高速和实时性要求,研究并设计原子力显微镜纳米操作系统主控制电子系统和反馈控制电子系统,运用当前先进的微处理器芯片(ARM<Advanced RISC Machine>、DSP<Digital Signal Processor>),引入嵌入式操作系统uCLinux,采用多线程编程技术,以实现纳米操作的实时性,高效性。本文的主要内容包括:1.总结了扫描探针显微术的发展历程,阐述了AFM纳米操作现状;2.在分析AFM系统中针尖——样品作用力,微悬臂梁动态方程的基础之上,提出AFM系统辨识,建立AFM系统数学模型的可行性方案。3.运用现代鲁棒控制理论中的H∞原理,提出了一种新的基于模型的高速AFM成像反馈系统设计方案;4.采用嵌有ARM7TDMI-S内核的LPC2214芯片为微控制器,设计了基于AFM的纳米操作系统主控制电路;5.以TI公司高性能、低成本浮点DSP TMS320C6701作为微处理器,采用AD公司的超高速16位数模转换器AD768作为压电陶瓷向驱动电压输出芯片,设计了基于模型控制的高速AFM反馈硬件系统;6.针对AFM纳米操作系统的实时性,高效性要求,引入嵌入式操作系统uCLinux,采用多线程编程技术,分析了uCLinux系统下的设备驱动程序开发方法,并对DSP的FLASH程序自引导实现进行了讨论;7.对系统的A/D、D/A、I2C键盘电路及USB数据通信接口进行了相应的电路调试,并且实验分析了AFM在接触模式下针尖——样品力、扫描速度、反馈控制中积分增益、比例增益和在轻敲模式下的驱动振幅、积分增益、比例增益对样品成像质量的影响。

全文目录

中文摘要  3-4
英文摘要  4-10
第一章绪论  10-19
  1.1 本文的研究目的和意义  10-11
  1.2 扫描探针显微术  11-15
    1.2.1 扫描隧道显微镜  11-13
    1.2.2 原子力显微镜  13
    1.2.3 原子力显微镜发展现状及其应用  13-15
      1.2.3.1 AFM发展现状  13-14
      1.2.3.2 AFM主要应用研究  14-15
  1.3 AFM纳米操作的现状  15-16
  1.4 本文的主要研究工作  16-19
第二章原子力作用机理及原子力显微镜系统辨识  19-27
  2.1 原子间力作用机理  19-21
    2.1.1 远场作用力  19-20
    2.1.2 近场作用力  20-21
  2.2 原子力显微镜系统辨识  21-27
    2.2.1 AFM系统辨识  21-25
      2.2.1.1 针尖——样品作用力  21-23
      2.2.1.2 微悬臂梁的动态特性  23
      2.2.1.3 接触模式仿真  23-24
      2.2.1.4 压电驱动器系统辨识  24-25
    2.2.2 AFM数学模型的建立  25-27
第三章原子力显微镜反馈系统工作原理及控制方法  27-44
  3.1 反馈系统概述  27-30
    3.1.1 典型反馈系统  27-28
    3.1.2 反馈控制原理  28-30
      3.1.2.1 干扰的抑制  28-29
      3.1.2.2 跟踪  29
      3.1.2.3 对象不确定性的灵敏度  29-30
  3.2 原子力显微镜反馈系统概述  30-31
  3.3 原子力显微镜PID控制器  31-35
    3.3.1 模拟PID控制器  31-33
    3.3.2 数字PID控制算法  33-35
      3.3.2.1 位置式PID控制算法  34
      3.3.2.2 增量式PID控制算法  34-35
  3.4 基于模型的新型原子力显微镜反馈系统  35-44
    3.4.1 设定值前馈校正系统设计  36-37
    3.4.2 H~∞控制器设计  37-41
      3.4.2.1 鲁棒控制问题  37-38
      3.4.2.2 H~∞控制原理  38-39
      3.4.2.3 H~∞控制标准问题  39-40
      3.4.2.4 跟踪问题的标准化  40-41
    3.4.3 双自由度（2DOF）控制器设计  41-44
      3.4.3.1 基于模型的AFM 反馈系统  41-42
      3.4.3.2 双自由度（2DOF）控制器  42-44
第四章 AFM 纳米操作主控制器硬件设计  44-64
  4.1 AFM 纳米操作主控制器硬件系统综述  44-45
  4.2 AFM 纳米操作主控制器电路体系结构  45-47
  4.3 AFM 纳米操作主控制器模型硬件设计  47-64
    4.3.1 ARM 处理器及其外围电路设计  47-53
      4.3.1.1 Boot 选择电路  51
      4.3.1.2 Bank0/1 分配电路  51-52
      4.3.1.3 JTAG 调试电路  52-53
    4.3.2 PSD 输出信号前端处理及四路高速高精度数据采集  53-56
    4.3.3 USB2.0 通信电路  56-57
    4.3.4 Ethernet 通信接口  57-60
    4.3.5 ARM-DSP 间的HPI 通信接口  60-62
    4.3.6 其他接口电路  62-64
第五章基于模型控制的高速 AFM 反馈系统硬件设计  64-74
  5.1 高速AFM 反馈系统硬件系统综述  64-66
  5.2 反馈控制器硬件主要组成  66-74
    5.2.1 TMS320C6701 简介  66-68
      5.2.1.1 处理单元  66
      5.2.1.2 总线结构  66-67
      5.2.1.3 多级流水结构  67
      5.2.1.4 硬件乘法器  67
      5.2.1.5 丰富的外围设备  67-68
    5.2.2 存储器接口  68-69
      5.2.2.1 EMIF 与SRAM 的接口  68
      5.2.2.2 EMIF 与FlASH 的接口  68-69
    5.2.3 DA 转换电路  69-71
    5.2.4 McBSP-R5232 通信接口  71-74
      5.2.4.1 TMS320C6701 的McBSP 模块的主要特点  71-72
      5.2.4.2 MAX3111E 简介  72
      5.2.4.3 McBSP-RS232 通信硬件连接  72-74
第六章纳米操作主控制器软件模块设计  74-84
  6.1 软件层次结构  74-78
    6.1.1 软件层次  74-76
    6.1.2 uCLinux 操作系统简介  76-77
      6.1.2.1 内存管理  76
      6.1.2.2 文件系统  76-77
      6.1.2.3 多进程管理  77
    6.1.3 多线程技术  77-78
  6.2 设备驱动程序开发  78-83
    6.2.1 uCLinux 设备驱动程序开发概述  78-80
      6.2.1.1 uCLinux 对外围设备的管理  79
      6.2.1.2 设备驱动程序接口  79
      6.2.1.3 设备驱动程序结构  79-80
    6.2.2 ADC 采集设备驱动程序设计  80
    6.2.3 USB 传输设备驱动程序设计  80-81
    6.2.4 SPI 传输设备驱动程序设计  81-82
    6.2.5 HPI 传输设备驱动程序设计  82-83
  6.3 DSP（TM5320C6701）的FLASH 程序自引导实现  83-84
第七章硬件调试与实验结果分析  84-101
  7.1 系统硬件调试  84-92
    7.1.1 A/D 调试  84-86
    7.1.2 D/A 调试  86-87
    7.1.3 I~2C 键盘接口实验  87-89
    7.1.4 USB 数据通信调试  89-92
  7.2 AFM 上样品成像质量影响因素分析  92-101
    7.2.1 接触模式下样品形貌质量的主要影响因素及其分析  92-97
      7.2.1.1 针尖——样品力值的影响  93-94
      7.2.1.2 扫描速度  94-96
      7.2.1.3 积分增益和比例增益的影响  96-97
    7.2.2 轻敲模式下样品形貌质量的主要影响因素及其分析  97-101
      7.2.2.1 驱动振幅的影响  98-99
      7.2.2.2 积分增益和比例增益的影响  99-101
第八章总结与展望  101-103
参考文献  103-108
发表论文和科研情况说明  108-109
致谢  109

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