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【6h】

基于FPGA的原子力显微镜快速控制嵌入式系统设计与实现

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摘要

随着纳米科技领域研究的不断深入和发展，研究对象的尺度在不断缩小；同时在与其他学科相结合的过程中，研究环境也从静态逐渐扩展为动态，这些都对纳米研究工具的精度和速度提出了更高的要求。
　　 原子力显微镜(Atomic Force Microscope，AFM)作为纳米研究与操作的重要工具，因其广泛的适用性受到了更多的关注。但是，受工作原理及机械结构等限制，也非尽善尽美，同样存在着诸多问题。为了改进它的各方面性能，科研工作者从不同的角度提出了多种解决方案，其中基于算法的改进是最多的，也相对成熟。但是，在利用硬件验证或实现这些算法的过程中，原有PC单机处理或是传统的数字信号处理设备因计算速度达不到期望的要求而造成了新的瓶颈。因此，论文提出了基于现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)的解决方案，替代传统设备实现控制算法，并充分利用其在时序逻辑和并行计算方面的优势，改善原子力显微镜扫描过程中控制的实时性和精度的问题。
　　 首先，本文给出了基于FPGA的原子力显微镜快速控制嵌入式系统整体架构及硬件组成，并就其各部分功能、性能要求进行简要的介绍。
　　 其次，本文针对原子力显微镜用户扩展接口与核心FPGA数字控制之间需要的特定的信号处理和转换等任务，设计了独立的PCB电路，从而实现模数信号间的良好过渡和传递。该PCB电路中包含了负责电压幅值调整的运放电路和数模/模数转换电路，并制定了合理的稳压电源供给方案。
　　 再次，本文对利用FPGA实现嵌入式系统设计的方法和具体实现进行详细的介绍。一方面，基于FPGA的嵌入式开发方法简单灵活且易于更新优化，增强了该控制系统研发的通用性和可读性；同时通过例化、调用等方式，使得研发工作能够把更多的精力用于不同控制算法的实现，而不是各硬件模块底层驱动或数据流管理，从而体现了基于FPGA进行快速控制系统设计的便利和优势。
　　 最后，充分利用软、硬结合的方法，给出硬件配置步骤。基于系统需求，利用Quartus软件在SOPC Builder环境下构建Nios系统架构，根据控制的精度和速度要求，定制相应的系统I/O及其他硬件外设模型，并最终在顶层文件中完成系统全部逻辑的模块化搭建工作。在完成硬件搭建的基础上，利用Nios IDE实现控制任务、数据流管理及底层驱动，并以PID算法的实现为例，说明控制算法的实现过程及思路。

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