基于DSP的数字扫描探针显微镜的硬件解决方案研究

SPM系统方案及其缺陷

现有的SPM系统主要基于PCI形式，该方案中，计算机通过PCI卡和SPM控制板保持通信，整个电子控制系统的流程图如图1所示。

此系统由扫描器、电子控制板和控制处理软件三部分组成，其中扫描器是执行部分，它通过步进马达和压电陶瓷管的三维伸缩来实现扫描探针对样品表面的扫描；控制处理软件是中央控制部分，通过控制软件可设置扫描参数、对扫描过程实行实时调节和监控（再线扫描控制）以及对扫描图像进行分析

虽然基于PCI形式的系统在一般控制、传输速度及成像效果上都能达到基本要求，但作为精密仪器，其效果还远不够，主要缺点如下：

（1）PC机的开关电源对高精度的A/D，D/A芯片干扰太大。

（2）PCI卡每次只能对一路信号寻址，系统的实时性较低。

（3）由于需要较大的计算资源开销并要运行一个复杂的非线性校正算法，该控制板需要一个处理能力强的处理器。

（4）存储器及握手方式不够理想。

系统设计思想

为了解决上述缺点，笔者给出了一种基于DSP的新型数字式SPM系统的设计方案，新方案的系统框图如图2所示。

该方案和图1的明显区别的是，图2方案在SPM控制板上添加了一块DSP芯片，SPM控制板和计算机信息交换将先通过DSP作相应处理，然后再送至对方，DSP和计算机的通信采用全双工RS-232串口通信方式。

DSP控制板的结构和功能

经过对SPM仪器的控制流程、时序要求、扫描方式、反馈模型和实时性进行全面分析，并对几种DSP芯片的性能的比较，本设计决定采用TI公司的54X系列DSP芯片，该系统的DSP的运算处理速度、处理精度、功耗都能满足SPM应用系统的反馈要求。

TMS320VC5416是TI公司的16位定点DSP，其时钟频率为160MHz，能够实现高速运算（160MIPS）和大容量存储，片上有128