鄧衛(wèi)梅，薛 虹，陳代謝，殷伯華，韓 立

(1．中國科學院電工研究所，北京 100190；2．中國科學院大學，北京 100049)

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大范圍快速AFM的高速高精度控制系統(tǒng)

鄧衛(wèi)梅1，2，薛 虹1，陳代謝1，殷伯華1，韓 立1

(1．中國科學院電工研究所，北京 100190；2．中國科學院大學，北京 100049)

針對原子力顯微鏡難以同時實現(xiàn)快速、高精度、大范圍掃描成像的不足，逐漸出現(xiàn)了帶兩級掃描器的原子力顯微鏡?；谧孕醒兄频拇蠓秶焖僭恿︼@微鏡(含兩級掃描器)，為其設計了一種以DSP_FPGA為核心的高速高精度控制系統(tǒng)。包括DSP和FPGA間數(shù)據(jù)傳輸模式和相互配置等關(guān)鍵技術(shù)的設計，然后嵌入PI控制器，最后用實驗驗證了控制系統(tǒng)的有效性。

原子力顯微鏡；DSP；FPGA；FIFO；PID；噪聲

0 引言

作為被廣泛應用于表面分析領(lǐng)域的重要儀器，原子力顯微鏡(Atomic Force Microscopy，AFM)通過控制針尖與樣品表面分子之間的作用力或距離恒定來獲得樣品的表面形貌。普通的原子力顯微鏡在掃描過程中僅使用單級掃描器來實現(xiàn)探針的X、Y、Z方向定位，可實現(xiàn)較高速度的掃描速度。例如，F(xiàn)antner實現(xiàn)了2μm2范圍內(nèi)13s/幅的快速掃描成像[1]。Ando用快速AFM實現(xiàn)了對ATP的動態(tài)掃描[2]。然而，雖然原子力顯微鏡的掃描速度很快，但是掃描范圍卻限制在很小的范圍內(nèi)，抑制了AFM的進一步應用。為此，研究人員在普通AFM上進行改進形成了雙掃描器[3-5]，以期實現(xiàn)大范圍快速的掃描成像。然而，受原子力顯微鏡控制系統(tǒng)帶寬等的限制，實驗結(jié)果顯示這些掃描器并不能實現(xiàn)無損式的掃描成像。因此，為大范圍原子力顯微鏡設計一個高速高精度的控制系統(tǒng)則顯得尤為重要。

對普通原子力顯微鏡進行改進，形成的包含兩級掃描器的大范圍快速原子力顯微鏡如圖1所示[6]。下掃描臺帶動樣品進行X、Y、Z方向大范圍慢速運動；上掃描器實現(xiàn)Z向小范圍內(nèi)的高速定位；上、下掃描器協(xié)同動作就可實現(xiàn)較大范圍內(nèi)的掃描成像。

圖1 大掃描范圍、快速AFM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1 大范圍快速AFM控制系統(tǒng)設計

鑒于DSP的高速數(shù)據(jù)處理能力和FPGA的并行處理能力，控制系統(tǒng)選用基于DSP_FPGA的數(shù)字處理平臺。其中，DSP處理器使用TMS320C6455BZTZ，主頻1 GHz；FPGA選用XC5VSX50T，F(xiàn)FG1136封裝；DSP與FPGA之間使用64位160MHz的總線連接，可實現(xiàn)高達10 Gbit的帶寬。如圖2所示，整個控制系統(tǒng)包括上位機人機交互界面、大范圍快速原子力顯微鏡、DSP_FPGA模塊和DAC/ADC(數(shù)模轉(zhuǎn)換器/模數(shù)轉(zhuǎn)換器)。其中，大范圍快速原子力顯微鏡是控制對象，上位機VC界面主要負責掃描參數(shù)、指令的發(fā)送和掃描圖像的顯示。兩片工作頻率為105 MHz的ADC(AD6645)實現(xiàn)下掃描器X、Z向信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換。一片工作頻率為160 MHz的DAC(AD9777)則實現(xiàn)兩路16位的模擬輸出，其中一路作為上掃描器的Z向閉環(huán)控制，另一路負責下掃描器的X向驅(qū)動。DSP用于配置FPGA及大數(shù)據(jù)量掃描信號的實時處理；FPGA則負責AFM的Z向數(shù)據(jù)采集、邏輯控制。以DSP_FPGA為核心的控制系統(tǒng)除了具有較高的處理速度和控制精度外，其它先進的控制策略及不同的控制算法也可方便的在其上實現(xiàn)。

圖2 基于DSP_FPGA的AFM控制系統(tǒng)整體框架

2 控制系統(tǒng)設計關(guān)鍵點

為了得到高精度實時的樣品表面成像，DSP和FPGA之間需要足夠的帶寬來傳輸大量反應樣品表面形貌的數(shù)據(jù)。因而，為DSP、FPGA設計有效的數(shù)據(jù)傳輸模式和便捷的相互配置方式很有必要，包括DSP_FPGA間的數(shù)據(jù)通訊模式、相互配置方面，以及控制算飯的設計。以下針對各設計具體討論。

2．1 數(shù)據(jù)傳輸模式

AFM掃描中，大量的數(shù)據(jù)被獲取和存儲。例如，在AFM掃描圖像過程中，假設一行采集1 024個點，每點的數(shù)據(jù)是16位，則需要的地址范圍就是16 384 (1024×16)位。使用RAM需要較寬的地址線，而開發(fā)板上DSP和FPGA之間的連接地址有限，因而受硬件條件的制約，此處選擇FIFO的通訊方式來代替RAM的通訊方式。FIFO在設計中有以下特點：

(1)多個FIFO實現(xiàn)數(shù)據(jù)緩存。例如，F(xiàn)PGA采集數(shù)據(jù)之后先緩存在FIFO0中，然后再傳輸?shù)紻SP；同時，F(xiàn)PGA接收DSP指令存儲在FIFO1中，之后再取值譯碼。

(2)考慮到數(shù)字信號存在競爭冒險的問題，在不同時鐘域之間選擇異步FIFO的讀寫方式。以存儲數(shù)據(jù)上傳到DSP的FIFO為例，寫時鐘是FPGA端控制，而讀取時鐘則來自DSP.這種設計不僅避開了信號競爭冒險的問題，還簡化了系統(tǒng)的設計。

(3)DSP和FPGA間通過64位工作在160 MHz的EMIFA(外部存儲器接口)通訊。EMIFA的寬度是EA[0：6]，根據(jù)EMIFA的相關(guān)文檔，當采用64位數(shù)據(jù)總線時，內(nèi)部地址和外部地址有3bit的偏移，也就是EA[0：6]實際上是Addr[3：9]。為方便數(shù)據(jù)上傳，整個EMIFA的CE4區(qū)域分配給圖像數(shù)據(jù)的上傳FIFO，即選定CE4區(qū)域，就選中圖像數(shù)據(jù)FIFO.

2．2 DSP、FPGA的相互配置

在AFM掃描過程中，DSP接收到上位機VC的指令后，首先根據(jù)指令命令配置FPGA，F(xiàn)PGA則響應此指令并做相應操作，以上位機發(fā)送PI控制器的P、I參數(shù)為例，DSP根據(jù)上位機VC指令配置FPGA、FPGA解碼的代碼分別如下：

DSP中的代碼：

switch (cmd_from_pc．cmd)

{

case SET_PID_PARA：

cmd_head = 0xAAA5LL << 48;

cmd_para1=cmd_from_pc．para1;//P參數(shù)

cmd_para2 = cmd_from_pc．para2;// I參數(shù)

cmd_para3=cmd_from_pc．para3;//掃描行頻

*pSyncData = cmd_head | (cmd_para1 << 32)| (cmd_para2 << 16)|cmd_para3;

break;

}

FPGA解碼：

if ((config_data[63：48]== 16'hAAA5))

begin

Kp <= config_data[39：32];//P參數(shù)

Ki <= config_data[31：16];// I參數(shù)

LineRateData <= config_data[15：0];//掃描行頻

config_state <= config_idle;

end

2．3 控制算法

以DSP_FPGA為核心的控制系統(tǒng)中可以方便的實現(xiàn)不同的控制策略及多種控制器，如PID控制器、前饋控制器、基于模型的控制器等等。此處僅以被廣泛應用的PI控制器為例來證明此控制系統(tǒng)的有效性。PI控制器響應下掃描器的Z向誤差信號并對其進行數(shù)據(jù)處理，從而驅(qū)動上掃描器實現(xiàn)跟蹤響應。

3 實驗及討論

3．1 系統(tǒng)背景噪聲

在原子力顯微鏡掃描過程中，系統(tǒng)電子學噪聲在很大程度上影響著掃描圖像的精度。圖3是以PC104為核心的控制系統(tǒng)電子學噪聲，約150 mV；圖4是以DSP_FPGA為核心的控制系統(tǒng)電子學噪聲，約10 mV.對比可見，DSP_FPGA控制系統(tǒng)具有更高的精度，對大范圍快速原子力顯微鏡實現(xiàn)無損式的圖像掃描鑒定了基礎。

圖3 基于PC104系統(tǒng)的電子學噪聲(Ch1)

圖4 基于DSP_FPGA系統(tǒng)的電子學噪聲(Ch4)

3．2 系統(tǒng)測試

為了驗證掃描系統(tǒng)的快速性，模擬掃描光柵樣品表面的工作過程，對大范圍快速原子力顯微鏡做實驗測試。測試方法為：信號發(fā)生器輸出不同頻率、不同幅值的方波信號(此方波信號用來模擬光柵樣品表面)激勵下掃描器，輸出的誤差信號經(jīng)過控制系統(tǒng)的閉環(huán)反饋控制輸出，從而驅(qū)動上掃描器跟蹤此方波信號。

(1)圖5是系統(tǒng)對頻率為10 Hz的方波信號的跟蹤波形。從圖中可以看出，上掃描器的響應效果較好，可快速跟蹤誤差信號的變化，在信號發(fā)生突變時無明顯的失穩(wěn)情況。

(2)圖6是系統(tǒng)對頻率為50 Hz的方波信號的跟蹤波形。從圖中可以看出，上掃描器的跟蹤速度較快，但在信號發(fā)生突變時，跟蹤波形會產(chǎn)生小幅畸變。

(3)圖7是系統(tǒng)對頻率為100 Hz的方波信號的跟蹤波形。從圖中可以看出，上掃描器的可快速跟蹤誤差信號的變化，但是在信號發(fā)生突變時，會有明顯的畸變。

圖5 跟蹤波形(10 Hz)

圖6 跟蹤波形(50 Hz)

圖7 跟蹤波形(100 Hz)

由此可見，即使是在掃描速度較高的情況下，基于DSP_FPGA的高速高精度控制系統(tǒng)依然可以快速的跟蹤控制誤差信號?？梢灶A見，對于標準光柵樣品的圖像掃描速度亦可設置的較高。

4 結(jié)論

文中為大范圍快速原子力顯微鏡設計了基于DSP_FPGA的高速高精度控制系統(tǒng)。實驗結(jié)果顯示：與以PC104為核心的控制系統(tǒng)相比，以DSP_FPGA為核心的控制系統(tǒng)電子學噪聲大大減??；且通過對大范圍原子力顯微鏡的跟蹤實驗測試，進一步驗證了以DSP_FPGA為核心的控制系統(tǒng)的快速數(shù)據(jù)處理能力，且此控制系統(tǒng)在低頻時具有較高的精度。綜上所述，以DSP_FPGA為核心的控制系統(tǒng)為大范圍快速原子力顯微鏡得到更快速度，更高分辨率的掃描成像鑒定了堅實的基礎。

[1] FANTNER G E，BARBERO R J，GRAY D S，et al．Kinetics of antimicrobial peptide activity measured on individual bacterial cells using high-speed atomic force microscopy ．Nature Nanotechnology，2010(5)：280-285．

[2] UCHIHASHI T，IINO R，ANDO T，et al．High-speed atomic force microscopy reveals rotary catalysis of rotorless F1-ATPase．Science，2011，333 ：755 - 758．

[3] SCHITTER G，RIJK W F，PHAN N．Dual actuation for high-bandwidth nanopositioning ．Decision and Control，2008:5176 -5181．

[4] YAN Y，WU Y，ZOU Q Z，et al．An integrated approach to piezoactuator positioning in high-speed atomic force microscope imaging．The Review of Scientific Instruments，2008，79(7)：073704 -073713．

[5] FLEMING A J.Dual-stage vertical feedback for high-speed scanning probe microscopy.IEEE Transactions on Control Systems Technology，2011，19(1)：156 -165．

[6] 陳代謝，殷伯華，林云生，等．大范圍掃描原子力顯微鏡自動調(diào)平控制技術(shù)．儀器儀表學報，2011，32(1)：225 -229．

作者簡介：鄧衛(wèi)梅(1989—)，碩士研究生，主要從事精密儀器儀表的測試和控制系統(tǒng)的設計研究。E-mail：dengweimei@mail．iee．a(chǎn)c．cn薛虹(1956—)，高級工程師，主要從事電子束曝光機電機電氣控制和計算機控制方面的研究。E-mail：xuehong@mail．iee．a(chǎn)c．cn

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《管道技術(shù)與設備》編輯部

High-speed High-precision Control System Design for Large-range High-speed AFM

DENG Wei-mei1，2，XUE Hong1，CHEN Dai-xie1，YIN Bo-hua1，HAN Li1

(1．Institute of Electrical Engineering，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China;2．University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China)

As the atomic force microscopy is difficult to achieve high-speed, high-precision and large-range scanning simultaneously, some atomic force microscopes with two-stage scanner appear gradually.Based on the large-range and high-speed atomic force microscopy (including two scanners) developed by our laboratory,a high-speed high-precision control system using DSP_FPGA as the core was designed.For crucial designs,the data transfer mode and mutual configuration between DSP and FPGA were presented in details.Then PI controller was implemented to validate the efficiency of this control system.The improved performance of the new control system was experimentally demonstrated finally.

AFM;DSP;FPGA;FIFO;PID;noise

邱賀(1980—)，工程師，主要研究方向為傳感器技術(shù)與儀器儀表。E-mail：qiuhe1980@126．com 段永紅(1963—)，研究員，主要研究方向為地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)及動力學．

國家863計劃資助項目(2012AA041204)；國家科技支撐計劃資助項目(201BAK15B00)。

2013-10-28 收修改稿日期：2014-11-10

TM93

A

1002-1841(2015)01-0053-03