基于光栅检测的显微镜闭环扫描控制系统的设计

　　1　引　言

　　无论是生物工程中的细胞操作、集成电路或光电子器件的加工,还是采用电子显微镜进行纳米操作,尽管精度量级要求各不相同,但在硬件装备中均有一项共性的关键技术,那就是要解决载物台或其相应设备的高精度自动测量和精确定位技术[1]。要实现这项关键技术,高精度的控制系统是非常重要的。

　　本文搭建了一种闭环控制系统用于控制某特性显微镜工作台。在该系统中,步进电机作为驱动元件,采用高分辨率的光栅作为检测元件,并控制步进电机进行误差补偿。本文主要介绍了该系统的控制原理、设计方案与实现过程。

　　2　基本组成及原理

　　如图1所示为显微镜工作台控制系统的原理框图。整个系统采用上位PC机和下位单片机主从控制。步进电机作为驱动元件,可以以4种不同细分的步距s0、s1、s2、s3来驱动工作台移动,步距的选择可以通过上位机控制。光栅传感器作为检测元件,通过光栅传感器动尺和静尺相互移动产生莫尔条纹来测量位移[2-3]。光栅传感器产生的A0、A1两路脉冲经过辨向与细分模块后由82C53的计数器t0和t1来采集。单片机AT89C52作为控制元件,从82C53中读取脉冲个数,通过计算得出工作台移动的实际位移值L。工作台理论位移L′可以由送给步进电机的脉冲个数来计算,工作台移动位移与单片机给步进电机的脉冲个数成比例关系,比例系数为系统的传动比。工作台的实际位移与理论位移相比较,若大于光栅细分后的分辨率0.001 mm,单片机控制步进电机切换到步距s0进行误差补偿,直至误差小于光栅的分辨率为止.

　　3　实现方法

　　3.1　机械结构的设计

　　工作台是由步进电机驱动,通过精密丝杠传动,精密丝杠的导程为4 mm。在显微工作台基本机械结构不变的情况下,将光栅传感器的动尺安装在工作的底座上,具体安装尺寸应符合光栅传感器的安装要求。本系统选用的是长春光机所的SGC系列光栅线位移传感器。

　　3.2　电路控制部分的设计

　　电路控制部分的设计包括硬件电路的设计和上、下位机控制程序的编写。硬件电路的主要功能: 1)光栅的辨向和细分; 2)光栅移动产生脉冲的计数; 3)步进电机的硬件细分驱动; 4)上、下位机的串口通讯; 5)对上、下位机发送指令的有效传递。上、下位机控制程序主要实现主从控制、显微镜工作台的位移控制及误差补偿。

　　3.2.1　硬件电路

　　1)光栅的辨向和细分

　　硬件电路的主要功能之一是实现光栅辨向和细分。在硬件电路的设计中,这一功能是通过4D触发器74LS175和数据选择器74LS153组成的时序逻辑电路来实现的,如图2所示。