大范圍快速AFM的高速高精度控制系統(tǒng)

鄧衛(wèi)梅，薛 虹，陳代謝，殷伯華，韓 立

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

?

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(guó)科學(xué)院電工研究所，北京 100190；2．中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

針對(duì)原子力顯微鏡難以同時(shí)實(shí)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(jí)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(jí)掃描器)，為其設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)，然后嵌入PI控制器，最后用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(yīng)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(guò)控制針尖與樣品表面分子之間的作用力或距離恒定來(lái)獲得樣品的表面形貌。普通的原子力顯微鏡在掃描過(guò)程中僅使用單級(jí)掃描器來(lái)實(shí)現(xiàn)探針的X、Y、Z方向定位，可實(shí)現(xiàn)較高速度的掃描速度。例如，F(xiàn)antner實(shí)現(xiàn)了2μm2范圍內(nèi)13s/幅的快速掃描成像[1]。Ando用快速AFM實(shí)現(xiàn)了對(duì)ATP的動(dòng)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(jìn)一步應(yīng)用。為此，研究人員在普通AFM上進(jìn)行改進(jìn)形成了雙掃描器[3-5]，以期實(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示這些掃描器并不能實(shí)現(xiàn)無(wú)損式的掃描成像。因此，為大范圍原子力顯微鏡設(shè)計(jì)一個(gè)高速高精度的控制系統(tǒng)則顯得尤為重要。

對(duì)普通原子力顯微鏡進(jìn)行改進(jìn)，形成的包含兩級(jí)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(tái)帶動(dòng)樣品進(jìn)行X、Y、Z方向大范圍慢速運(yùn)動(dòng)；上掃描器實(shí)現(xiàn)Z向小范圍內(nèi)的高速定位；上、下掃描器協(xié)同動(dòng)作就可實(shí)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(shè)計(jì)

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(tái)。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(shí)現(xiàn)高達(dá)10 Gbit的帶寬。如圖2所示，整個(gè)控制系統(tǒng)包括上位機(jī)人機(jī)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(duì)象，上位機(jī)VC界面主要負(fù)責(zé)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(shí)現(xiàn)下掃描器X、Z向信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換。一片工作頻率為160 MHz的DAC(AD9777)則實(shí)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(fù)責(zé)下掃描器的X向驅(qū)動(dòng)。DSP用于配置FPGA及大數(shù)據(jù)量掃描信號(hào)的實(shí)時(shí)處理；FPGA則負(fù)責(zé)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(jìn)的控制策略及不同的控制算法也可方便的在其上實(shí)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(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)

為了得到高精度實(shí)時(shí)的樣品表面成像，DSP和FPGA之間需要足夠的帶寬來(lái)傳輸大量反應(yīng)樣品表面形貌的數(shù)據(jù)。因而，為DSP、FPGA設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)。以下針對(duì)各設(shè)計(jì)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(chǔ)。例如，在AFM掃描圖像過(guò)程中，假設(shè)一行采集1 024個(gè)點(diǎn)，每點(diǎn)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(lái)代替RAM的通訊方式。FIFO在設(shè)計(jì)中有以下特點(diǎn)：

(1)多個(gè)FIFO實(shí)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(shí)，F(xiàn)PGA接收DSP指令存儲(chǔ)在FIFO1中，之后再取值譯碼。

(2)考慮到數(shù)字信號(hào)存在競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)的問(wèn)題，在不同時(shí)鐘域之間選擇異步FIFO的讀寫方式。以存儲(chǔ)數(shù)據(jù)上傳到DSP的FIFO為例，寫時(shí)鐘是FPGA端控制，而讀取時(shí)鐘則來(lái)自DSP.這種設(shè)計(jì)不僅避開了信號(hào)競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)的問(wèn)題，還簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

(3)DSP和FPGA間通過(guò)64位工作在160 MHz的EMIFA(外部存儲(chǔ)器接口)通訊。EMIFA的寬度是EA[0：6]，根據(jù)EMIFA的相關(guān)文檔，當(dāng)采用64位數(shù)據(jù)總線時(shí)，內(nèi)部地址和外部地址有3bit的偏移，也就是EA[0：6]實(shí)際上是Addr[3：9]。為方便數(shù)據(jù)上傳，整個(gè)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(guò)程中，DSP接收到上位機(jī)VC的指令后，首先根據(jù)指令命令配置FPGA，F(xiàn)PGA則響應(yīng)此指令并做相應(yīng)操作，以上位機(jī)發(fā)送PI控制器的P、I參數(shù)為例，DSP根據(jù)上位機(jī)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(shí)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(yīng)用的PI控制器為例來(lái)證明此控制系統(tǒng)的有效性。PI控制器響應(yīng)下掃描器的Z向誤差信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而驅(qū)動(dòng)上掃描器實(shí)現(xiàn)跟蹤響應(yīng)。

3 實(shí)驗(yàn)及討論

3．1 系統(tǒng)背景噪聲

在原子力顯微鏡掃描過(guò)程中，系統(tǒng)電子學(xué)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(xué)噪聲，約150 mV；圖4是以DSP_FPGA為核心的控制系統(tǒng)電子學(xué)噪聲，約10 mV.對(duì)比可見，DSP_FPGA控制系統(tǒng)具有更高的精度，對(duì)大范圍快速原子力顯微鏡實(shí)現(xiàn)無(wú)損式的圖像掃描鑒定了基礎(chǔ)。

圖3 基于PC104系統(tǒng)的電子學(xué)噪聲(Ch1)

圖4 基于DSP_FPGA系統(tǒng)的電子學(xué)噪聲(Ch4)

3．2 系統(tǒng)測(cè)試

為了驗(yàn)證掃描系統(tǒng)的快速性，模擬掃描光柵樣品表面的工作過(guò)程，對(duì)大范圍快速原子力顯微鏡做實(shí)驗(yàn)測(cè)試。測(cè)試方法為：信號(hào)發(fā)生器輸出不同頻率、不同幅值的方波信號(hào)(此方波信號(hào)用來(lái)模擬光柵樣品表面)激勵(lì)下掃描器，輸出的誤差信號(hào)經(jīng)過(guò)控制系統(tǒng)的閉環(huán)反饋控制輸出，從而驅(qū)動(dòng)上掃描器跟蹤此方波信號(hào)。

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

(2)圖6是系統(tǒng)對(duì)頻率為50 Hz的方波信號(hào)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(hào)發(fā)生突變時(shí)，跟蹤波形會(huì)產(chǎn)生小幅畸變。

(3)圖7是系統(tǒng)對(duì)頻率為100 Hz的方波信號(hào)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(hào)的變化，但是在信號(hào)發(fā)生突變時(shí)，會(huì)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(hào)?？梢灶A(yù)見，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)光柵樣品的圖像掃描速度亦可設(shè)置的較高。

4 結(jié)論

文中為大范圍快速原子力顯微鏡設(shè)計(jì)了基于DSP_FPGA的高速高精度控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)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(xué)噪聲大大減??；且通過(guò)對(duì)大范圍原子力顯微鏡的跟蹤實(shí)驗(yàn)測(cè)試，進(jìn)一步驗(yàn)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(shí)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(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

[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(dòng)調(diào)平控制技術(shù)．儀器儀表學(xué)報(bào)，2011，32(1)：225 -229．

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

《管道技術(shù)與設(shè)備》編輯部啟用稿件采編系統(tǒng)

為適應(yīng)期刊發(fā)展現(xiàn)代化的需要，更好地為作者、讀者提供高質(zhì)量的服務(wù)，本刊已于2013年9月啟用網(wǎng)上稿件采編系統(tǒng)。作者可在注冊(cè)后登錄系統(tǒng)進(jìn)行投稿、查詢等操作。

《管道技術(shù)與設(shè)備》網(wǎng)址為：http://www.52gdw.com。歡迎作者踴躍投稿！

《管道技術(shù)與設(shè)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?yàn)閭鞲衅骷夹g(shù)與儀器儀表。E-mail：qiuhe1980@126．com 段永紅(1963—)，研究員，主要研究方向?yàn)榈厍騼?nèi)部結(jié)構(gòu)及動(dòng)力學(xué)．

國(guó)家863計(jì)劃資助項(xiàng)目(2012AA041204)；國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(201BAK15B00)。

2013-10-28 收修改稿日期：2014-11-10

TM93

A

1002-1841(2015)01-0053-03