Микроконтроллерная система управления сканирующим зондовым микроскопом НаноСкан

• Автор: Круглов, Евгений Владимирович
• Шифр специальности: 05.13.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 159 с. : ил.

Содержание
Введение

Обзор методов и описание объекта управления

Описание современных методик построения систем управления

Асинхронные СУ

Синхронные СУ

СУ на базе микроконтроллеров

СУ на базе программируемых логических интегральных схем СУ на базе цифровых сигнальных процессоров Принципы сканирующей зондовой микроскопии СЗМ

Общие принципы, используемые СЗМ НаноСкан

Режимы измерения НаноСкан

Измерение топографии

Измерение карт механических свойств
Измерение твердости
Модификации приборов серии НаноСкан
Назначения микроскопов семейства НаноСкан
Предшествующий вариант СУ
Конструкция приборов серии НаноСкан
Формирование требований к СУ
Методика построения СУ для СЗМ НаноСкан
Аппаратная архитектура СУ
Программная архитектура СУ
Реализация СУ i
Аппаратная реализация СУ i
рограммная реализация СУ i
Файл конфигурации микроконтроллера
Программа загрузочного сектора
Рабочая часть программы ядра
Идентификатор устройства i
iфайл инсталляции драйвера
библиотека функций СУ i
Служебное ПО i
Реализация СУ
Аппаратная реализация СУ
Реализация СУ 1
Реализация СУ 1 ii
Реализация СУ 2 ii
Сравнение СУ семейства
Программная реализация СУ
i алгоритмы СУ 1 и
Алгоритмы загрузчика ядра СУ 1 и
i алгоритмы моста СУ
Алгоритмы загрузчика моста СУ
Драйвер моста СУ
библиотека функций СУ
Служебное ПО
Обсуждение результатов
римеры практической реализации
Новые качества приборов НаноСкан
Заключение
Список использованных источников


К задачам построения СУ на базе программируемых интегральных схем (ПЛИС) приводят варианты систем, где требуется обеспечить достаточно жесткий режим реального времени и параллельной обработки потоков данных. ПЛИС представляет собой матрицу из дискретных логических элементов, реализующих определенные логические функции. Создание алгоритма работы ПЛИС отличается от классического программирования контроллера и напоминает собой создание СУ на дискретных логических элементах, однако в последнее время появилась возможность конфигурировать ПЛИС таким образом, чтобы она имитировала работу микроконтроллера. Как правило в паре с ПЛИС используется микроконтроллер, на ПЛИС выносятся алгоритмы, требующие быстрой или параллельной обработки, а микроконтроллер отвечает за процесс управления их выполнением. Такое разделение задач обусловлено тем, что ПЛИС - это скорее аппаратное средство реализации алгоритмов, и се конфигурирование - достаточно трудоемкий процесс, в то время как программное обеспечение микроконтроллера достаточно легко модифицируется, однако на нем значительно сложнее реализовать параллельную обработку данных. К задачам построения асинхронных СУ на базе цифровых сигнальных процессоров (ДСП) приводят варианты систем, где требуется быстрая обработка потока данных, причем на ядро системы управления ложится большой объем вычислений. Для ускорения вычислений ДСП имеют специальные аппаратные вычислительные модули, такие как умножители, модули БПФ. Однако применять данные процессоры для решения задач, не связанных с обработкой потоковых данных, в рамках одной СУ не целесообразно, поэтому их используют в паре с обычными микроконтроллерами. Разработка программного обеспечения для ЦСП осуществляется в специальных средах разработки, которые предоставляются фирмой - производителем процессоров (реже -сторонними разработчиками). Интерфейсы ЦСП весьма специфичны вследствие матости напряжения питания, которое как правило составляет 1. В, 2. В, 2. В, поэтому для подключения не DSP ориентированной периферии необходимо применять микросхемы преобразователей уровней. Проанализировав все вышесказанное, можно провести сравнительный анализ методов построения систем управления. Таблица 1. Таблица 1. Напряжения питания, В 3. ПРИМЕЧАНИЕ — сравнение параметров синхронных и асинхронных СУ производится с учетом того, что эти системы обычно используются для разных задач с существенно отличающимися скоростями регистрации данных. Принципы сканирующей зондовой микроскопии. Само название сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) указывает на основной принцип ее функционирования. Сканирование, то есть получение карты рельефа поверхности, осуществляется благодаря чувствительному и острому зонду, позволяющему, находясь в атомарном контакте с поверхностью, получать карту ее высот. При этом перемещение зонда но осям X, У и Ъ осуществляется пьезокерамическим нанопозиционером с анг-стремной точностью. Поддержание заданной силы контакта зонда с поверхностью осуществляется системой регулирования положения зонда по высоте. В качестве сигнала, используемого для индикации контакта с поверхностью, используют туннельный ток или силу межатомного взаимодействия зонда и поверхности. Говоря о принципах СЗМ, можно разделить их на несколько групп по критерию характера процессов. Это принципы сканирования, принципы аналоговой обработки информации, принципы цифровой обработки информации [1. Детальное рассмотрение данных принципов не входит в задачи данной диссертации, однако их понимание позволяет четче сформулировать требования к СУ. В основе измерений, производимых при помощи СЗМ НаноСкан, лежит контроль параметров колебательного процесса пьезорезонансного датчика. Колебательная система — датчик выполнена в виде камертона, ветви которого совершают изгибные колебания по первой резонансной моде (на эпюре перемещений присутствует только один узел — в месте закрепления ветви и одна пучность — на свободном крае, промежуточные узлы отсутствуют). Частота колебаний, при прочих равных, зависит от длины, а жесткость — от толщины ветвей камертона. В настоящий момент разработано около двадцати, а используются четыре конструкции зондов - рисунок 1. Рисунок 1.