[发明专利]基于FPGA和DSP的原子力显微镜硬件控制系统

摘要

一种基于现场可编程门阵列和数字信号处理器的原子力显微镜硬件控制系统。针对原子力显微镜扫描时，因硬件控制系统运行速度过慢导致的扫描速度过慢的问题。本发明首先提出了全新的原子力显微镜控制方案，并提出了以现场可编程门阵列（FPGA）和数字信号处理器（DSP）为核心的硬件控制系统架构，然后根据该方案设计了相关的硬件电路系统，包括模数和数模转换模块、FPGA核心控制模块和DSP核心控制模块。与现有控制系统相比，该发明更好地利用了数字逻辑器件各自的优点，并设计了相应的高速高精度转换电路，弥补了传统方案扫描速度过慢、外围电路精度不高的缺点。实验结果表明，该发明可以更快速且更高精度地完成扫描。

主权项

一种基于现场可编程门阵列和数字信号处理器的原子力显微镜硬件控制系统，其特征在于该硬件控制系统包括：模拟数字转换电路模块，共有8路，其中4路与原子力显微镜的激光检测及信号处理部分连接，用于采集原子力显微镜的激光光斑位置信号；1路与原子力显微镜的外置传感器连接，采集传感器输出信号；3路与压电陶瓷的三维传感器连接，采集三维传感器输出信号；该8路模拟数字转换电路将以上单元采集到的模拟信号转换为数字信号输出给现场可编程门阵列电路模块；现场可编程门阵列电路模块，通过外设接口与模拟数字转换电路连接，用于采集模拟数字转换电路输出的数字信息，并通过DSP接口与数字信号处理器电路连接，将以上采集到的数字信息传输给数字信号处理器，同时采集数字信号处理器输出的控制量信息，通过外设接口与数字模拟转换电路连接，将以上采集到的控制量信息通过现场可编程门阵列电路传输给数字模拟转换电路；数字信号处理器电路模块，与现场可编程门阵列电路连接，用于采集现场可编程门阵列电路输出的数字信息，并将该数字信息进行算法计算得到控制量信息，再将控制量信息通过现场可编程门阵列电路传输给数字模拟转换电路；数字模拟转换电路模块，与现场可编程门阵列电路连接，用于采集现场可编程门阵列电路输出的控制量信息，并转换为模拟电压信号输出，其中1路信号与驱动第一压电陶瓷的第一功率放大器连接，3路与驱动第二压电陶瓷的第二功率放大器连接，3路与第三压电陶瓷连接，数字模拟转换电路输出的模拟电压信号均作为压电陶瓷驱动电压。