[發明專利]基于FPGA和DSP的原子力顯微鏡硬件控制系統

有效

• 申請號: 201410241737.2
• 申請日: 2014-05-30
• 公開（公告）號: CN104035365B
• 公開（公告）日: 2017-01-25
• 發明（設計）人: 方勇純;吳桐;張雪波;張一淳
• 申請（專利權）人: 南開大學
• 主分類號: G05B19/042
• 分類號: G05B19/042
• 代理公司: 天津佳盟知識產權代理有限公司12002
• 代理人: 侯力

1.一種基于現場可編程門陣列和數字信號處理器的原子力顯微鏡硬件控制系統，其特征在于該硬件控制系統包括：

模擬數字轉換電路模塊，共有8路，其中4路與原子力顯微鏡的激光檢測及信號處理部分連接，用于采集原子力顯微鏡的激光光斑位置信號；1路與原子力顯微鏡的外置傳感器連接，采集傳感器輸出信號；3路與壓電陶瓷的三維傳感器連接，采集三維傳感器輸出信號；該8路模擬數字轉換電路將以上單元采集到的模擬信號轉換為數字信號輸出給現場可編程門陣列電路模塊；

現場可編程門陣列電路模塊，通過外設接口與模擬數字轉換電路連接，用于采集模擬數字轉換電路輸出的數字信息，并通過DSP接口與數字信號處理器電路連接，將以上采集到的數字信息傳輸給數字信號處理器，同時采集數字信號處理器輸出的控制量信息，通過外設接口與數字模擬轉換電路連接，將以上采集到的控制量信息通過現場可編程門陣列電路傳輸給數字模擬轉換電路；

數字信號處理器電路模塊，與現場可編程門陣列電路連接，用于采集現場可編程門陣列電路輸出的數字信息，并將該數字信息進行算法計算得到控制量信息，再將控制量信息通過給現場可編程門陣列電路傳輸給數字模擬轉換電路；

數字模擬轉換電路模塊，與現場可編程門陣列電路連接，用于采集現場可編程門陣列電路輸出的控制量信息，并轉換為模擬電壓信號輸出，其中1路信號與驅動第一壓電陶瓷的第一功率放大器連接，3路與驅動第二壓電陶瓷的第二功率放大器連接，3路與第三壓電陶瓷連接，數字模擬轉換電路輸出的模擬電壓信號均作為壓電陶瓷驅動電壓。

2.根據權利要求1所述的原子力顯微鏡硬件控制系統，其特征在于，所述的模擬數字轉換電路模塊，包括與原子力顯微鏡的激光檢測部分連接的接口、4路模擬數字轉換（ADC）電路、與原子力顯微鏡的外置電容傳感器連接的外設接口、1路模擬數字轉換（ADC）電路、與第三壓電陶瓷的三維傳感器連接的外設接口、3路模擬數字轉換（ADC）電路以及與現場可編程門陣列電路連接的外設接口：其中，與原子力顯微鏡的激光檢測連接的接口和4路模數轉換電路相連，與原子力顯微鏡的外置電容傳感器連接的外設接口和1路模數轉換電路相連，與第三壓電陶瓷的三維傳感器連接的外設接口與3路模數轉換電路相連，以上8路模數轉換電路均與現場可編程門陣列電路模塊通過接口連接。

3.根據權利要求2所述的原子力顯微鏡硬件控制系統，其特征在于，與原子力顯微鏡的激光檢測連接的接口為5X2、2.54mm插針；與原子力顯微鏡的外置電容傳感器連接的外設接口為1個2X1、2.54mm插針；與第三壓電陶瓷的三維傳感器連接的外設接口為3個2X1、2.54mm插針；模擬數字轉換采用芯片AD7690實現；模數轉換電路與現場可編程門陣列電路模塊連接的電路板接口采用12X2、2.54mm插針。

4.根據權利要求1所述的原子力顯微鏡硬件控制系統，其特征在于，所述的數字模擬轉換電路模塊，包括與現場可編程門陣列電路模塊相連的外設接口、1路數字模擬轉換（DAC）電路、與第一功率放大器連接的接口、兩個3路數字模擬轉換（DAC）電路、與第二功率放大器連接的接口以及與第三壓電陶瓷連接的接口：其中，1路數字模擬轉換（DAC）電路連接與第一功率放大器連接的接口，一個3路數字模擬轉換（DAC）電路連接與第二功率放大器連接的接口，另一個3路數字模擬轉換（DAC）電路與第三壓電陶瓷連接，以上所有數模轉換電路均與現場可編程門陣列電路模塊的外設接口連接。

5.根據權利要求4所述的原子力顯微鏡硬件控制系統，其特征在于，與現場可編程門陣列電路模塊相連的外設接口采用12X2、2.54mm插針，與第一功率放大器連接的接口、與第二功率放大器連接的接口以及與第三壓電陶瓷連接的接口均采用2X1、2.54mm插針，數模轉換芯片采用AD5781實現，數模轉換電路與現場可編程門陣列電路模塊連接的電路板接口采用12X2、2.54mm插針。

6.根據權利要求1所述的原子力顯微鏡硬件控制系統，其特征在于，所述的現場可編程門陣列電路模塊包含與模擬數字轉換電路模塊相連的外設接口、與數字信號處理電路模塊相連的DSP接口、與數字模擬轉換電路模塊相連的外設接口以及現場可編程門陣列芯片電路：其中，與模擬數字轉換電路模塊相連的外設接口、與數字信號處理電路模塊相連的DSP接口以及與模擬數字轉換電路板相連的外設接口均與現場可編程門陣列芯片電路連接。