PI参数自整定扫描探针显微镜控制器的设计

　　1　引言

　　以原子力显微镜(atomic force microscope,AFM)和扫描隧道显微镜(scanning tunnelingmicroscope, STM)[1]为代表的扫描探针显微镜(scanning probe microscope,SPM)[2]是纳米技术发展的重要基础,SPM是一系列利用特殊探针和样品之间不同相互作用来成像的仪器,由于探针本身测量相互作用的范围有限,在测量表面相互作用变化幅度较大的样品时,SPM需要一套高度反馈控制技术。传统SPM中的扫描控制系统大多仍采用PID控制技术,但反馈控制系统的PID参数是由操作者根据自己的经验和对于图像好坏的判断来设定的,这就要求操作者具有相当的经验。这里提出一种新型的PI参数(比例系数KP、积分系数KI)自整定SPM控制器,可避开上述传统SPM控制器PID参数整定存在的问题。

　　2　工作原理

　　在PID控制中,由于微分项敏感于噪声,PID反馈控制系统往往忽略微分项,实际上是PI控制,只是习惯上称之为PID控制。PI参数自整定SPM控制器包含两个关键模块:一个是PI参数自寻优模块,另一个是PI控制模块。两个模块在闭环上的连接是通过软开关来切换,即系统正常工作前,开关打向自寻优模块,由自寻优模块进行PI参数寻优,并将选优的结果KP和KI传递给后者;系统正常工作时,开关打向PI控制模块,由PI控制模块执行控制功能。PI参数自整定SPM控制器结构如图1所示

　　PI参数自整定SPM控制器的实现得益于扫描式参数优化算法(scanning parameters optimization,SPO)的引入,该算法不需要知道系统模型,且自动化程度高,是PI参数自整定SPM控制器反馈控制算法的核心。其中PI参数自寻优模块的工作流程具体分为以下几个步骤:(1)确定采样周期;(2)确定PI参数扫描范围;(3)对每组PI参数作性能扫描;(4)进行满意度映射,并计算价格函数;(5)基于层截面颗粒度分析的PI参数选优。

　　3　硬件结构

　　实验室现有SPM系统[3-5]主要由三大部分组成:PC机、SPM控制器及SPM探头。以DSP为核心的SPM控制器由六个模块组成,它们分别是DSP主控模块、多功能信号模块、高压放大与步进电机驱动模块、数模转换模块、模数转换模块和电源模块,如图2所示。六个模块通过一条自定义的模数混合的总线连接起来,除电源模块外,每个模块都有一片CPLD芯片完成组合逻辑功能,DSP对各个模块的控制就是通过这些CPLD来实现的。

　　SPM控制器的硬件系统采用的是TMS320C6713芯片[6],它是目前最先进、性价比最优的DSP芯片之一。该芯片通过EMIF接口控制着芯片与外界所有的数据交换,包括DSP主控模块上所扩展的SDRAM和FLASH、与PC通讯所必需的USB接口、以及与所有其他功能模块通信所用的外部I/O空间。表1详细地列出了DSP外部地址空间的分配情况。