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【6h】

基于数字信号处理器的扫描探针显微镜控制系统的研制

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目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

1.1纳米技术与SPM

1.2扫描探针显微镜简介

1.3扫描探针显微镜控制系统的发展

1.4基于DSP的扫描探针显微镜发展状况

1.5本课题的目的和意义

1.6本论文内容概述

第2章扫描探针显微镜基本原理

2.1扫描隧道显微镜原理

2.2扫描隧道显微镜的基本结构

2.3扫描隧道显微镜的控制系统

第3章数字信号处理器(DSP)简介

3.1 DSP的发展

3.2 DSP的结构和特点

3.3 DSP应用在SPM控制系统中的优越性

第4章DSP-SPM控制系统的总体设计

4.1总体思路

4.2软硬件的总体设计

4.3本章小结

第5章模块的详细实现

5.1 USB通信接口的实现

5.2 A/D模块的实现

5.3 D/A模块的实现

5.4 DIO模块的实现

5.5光电隔离模块的实现

5.6电源模块的实现

5.7粗调马达的实现

5.8图像扫描的实现

5.9开放性接口和断点的实现

5.10本章小结

第6章总体调试及结果

6.1总体调试的步骤

6.2总体调试的结果

6.3存在问题

第7章结论和展望

7.1结论

7.2展望

参考文献

附录A 硬件电路图

§A-1 USB外围电路

§A-2 DSP接口电路

§A-3 A/D模块电路

§A-4 D/A模块电路

§A-5 DIO模块电路

§A-6光电隔离模块电路

§A-7电源模块电路

附录B 硬件实物图

§B-1 A/D模块实物图

§B-2 D/A模块实物图

§B-3板卡1实物图

§B-4板卡2实物图

附录C 软件定义

§C-1 DSP硬件层定义

§C-2 DSP功能层定义

§C-3 PC的USB驱动层定义

§C-4 PC的USB功能层定义

致谢

论文原创性声明

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摘要

扫描针显微镜(SPM)是一种在纳米尺度上研究物质的特性和相互作用,集多种现代技术为一体的新型表面分析仪器。数字信号处理器(DSP)是一种专用于实时数字处理的芯片,其优越的性能和低廉的价格已经成为了SPM数字化的首选。国外已把DSP技术用于数字SPM的研制并商品化,最近在国内也出现了类似的SPM产品。但在大多数产品中,DSP与计算机的通信都是基于PCI接口。这使得计算机电源对SPM模拟电路产生的周期性噪音无法隔离开来。另一方面,有少数SPM产品的DSP与计算机通信是基于串口或并口,它的最高通讯速率为1.5MB/s。随着对SPM实时性的要求日益提高,低通信速率将成为限制SPM实时性的瓶颈。 本文描述了在本研究小组自主研发的扫描探针显微镜基础上,对SPM控制系统电路和实时控制软件进行重新构造,建立了一种以DSP为控制核心的扫描探针显微镜控制系统。在控制系统电路设计和实现中,控制核心已从计算机转移到DSP上,使得计算机从采集和发送同时又要图像显示的繁重任务中释放出来,从而提高了实时性。DSP与计算机之问通信,是以LJSB2.0作为接口。其最高通信速率达到480MB/s,能够满足SPM实时性需求。在SPM的数字电路与模拟电路之间引入了光电隔离系统,使原先计算机电源对SPM的模拟电路产生的周期性噪音得以有效隔离,为建立高精度的扫描探针显微镜打下坚实的基础。在软件的设计和实现中,采用分层和模块化以及面向对象的设计方法,使得程序易于维护和理解。软件提供开放性可扩展接口,用户能够方便地添加新设备,并能方便地在此开放性接口上进行二次开发。整套仪器运行良好,有较高的可靠性和实时性。

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