一种纳米位移台扫描运动控制系统及其实现方法技术方案

本发明专利技术公开了一种纳米位移台扫描运动控制系统及其实现方法，属于微纳米操控领域。所述系统包括DSP主控制板、X轴信号合成器、Y轴信号合成器以及位置信号反馈单元，所述的DSP主控制板包括DSP芯片和DSP总线接口等，所述的X轴信号合成器和Y轴信号合成器分别包括主DA单元、增益DA单元、平移DA单元、旋转DA单元以及求和运放单元；所述DSP主控制板通过DSP总线接口，为X轴信号合成器发送X轴信号，为Y轴信号合成器发送Y轴信号；同时接收来自所述位置信号反馈单元的X轴反馈信号和Y轴反馈信号。利用本发明专利技术可以准确的调整扫描区域平移量，又确保了扫描区域始终使用16位DA输出能力，有效提高了扫描运动分辨力。

【技术实现步骤摘要】
一种纳米位移台扫描运动控制系统及其实现方法
本专利技术属于微纳米操控
，具体涉及一种应用于高分辨力成像过程的纳米位移台扫描运动控制系统及其实现方法。
技术介绍
纳米位移台作为微纳米操控领域的运动和定位装置，被广泛应用在材料分析、生物学等领域的扫描成像仪器中，如利用柔性铰链原理的纳米位移台制作的扫描探针显微镜等。这种由压电陶瓷堆驱动的纳米位移台，最小的移动步距可以达到亚纳米精度。通常的纳米位移台的控制电路采用单一16位DA芯片驱动X轴或者Y轴方向的运动。以驱动一个全行程范围是500um即500000nm的纳米位移台为例，纳米位移台能够实现的最小步距是固定的，如下式所示：(500000nm/65536)＝7.6nm在这种单一16位DA芯片驱动方式下，在该纳米位移台全行程范围内，不管具体的扫描范围是多小，它的最小步距不会小于7.6nm，因此不能充分发挥纳米位移台的亚纳米精度的潜力。当利用此纳米位移台对扫描成像范围小于全行程500um的区域进行扫描成像时，比如10um范围，则能利用的DA码值只有(10/500)*65536＝1310个码值，不能充分发挥16位DA芯片全部码值的作用。而且在10um的扫描范围内，由于没有发挥DA的全部码值，每一行的扫描点数极限就是1310，不能更密。在实际应用中，使用者希望当扫描范围越小的时候，要求最小步距也越小，这样才能实现高分辨成像。上述的普通纳米位移台的这种固定最小步距的硬件系统限制了高分辨成像的应用。而如果采用过小行程的纳米位移台虽然提高了分辨力，但又会导致整体扫描范围不满足工作需要。由于测试样品被安放在纳米位移台上时，会出现角度误差，导致该样品上的图形，如线条、矩形等规则形状的方向与纳米位移台的XY轴运动方向不一致，存在夹角。这会在扫描成像结束后，进行样品中微结构尺寸测量时带来测量困难。同时，纳米位移台在扫描运动时，扫描区域经常需要在XY平面上进行整体调整。通常的单一DA芯片驱动方式，只能使用单一16位DA芯片的一部分码值进行局部扫描运动。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术提供一种纳米位移台扫描运动控制系统及其实现方法，克服现有技术中的纳米位移台运动控制技术不能满足高分辨扫描成像需求的缺点。本专利技术首先提供一种纳米位移台扫描运动控制系统，所述控制系统包括DSP主控制板、X轴信号合成器、Y轴信号合成器以及位置信号反馈单元，利用所述纳米位移台扫描运动控制系统实现对纳米位移台的运动控制。所述DSP主控制板通过DSP总线接口，为X轴信号合成器发送X轴信号，为Y轴信号合成器发送Y轴信号；同时接收所述位置信号反馈单元输出的X轴反馈信号和Y轴反馈信号，并将所述X轴反馈信号和Y轴反馈信号输出到上位机。所述X轴信号合成器接收所述DSP主控制板输出的X轴信号，并对所述X轴信号进行处理，生成X轴位置数据，将所述X轴位置数据输出到纳米位移台。所述Y轴信号合成器接收所述DSP主控制板输出的Y轴信号，并对所述Y轴信号进行处理，生成Y轴位置数据，将所述Y轴位置数据输出到纳米位移台。所述纳米位移台具有X轴位置信号输出接口和Y轴位置信号输出接口，所述X轴位置信号输出接口输出X轴位置信号给所述位置信号反馈单元，所述Y轴位置信号输出接口输出Y轴位置信号给所述位置信号反馈单元；所述位置信号反馈单元对X轴位置信号和Y轴位置信号分别生成的X轴反馈信号和Y轴反馈信号，输入到DSP主控制板。所述纳米位移台具有X轴模拟量接口和Y轴模拟量接口，所述X轴模拟量接口接收由X轴信号合成器输出的X轴位置数据，所述Y轴模拟量接口接收由Y轴信号合成器输出的Y轴位置数据，所述纳米位移台根据所述X轴位置数据和所述Y轴位置数据进行扫描运动，同时纳米位移台生成X轴位置信号和Y轴位置信号，将X轴位置信号和Y轴位置信号分别通过X轴位置信号输出接口和Y轴位置信号输出接口传输给位置信号反馈单元。所述的DSP主控制板包括DSP芯片、CPLD芯片、EEPROM芯片、两个DDR2芯片、FLASH存储器、DSP总线接口以及网络接口芯片，所述EEPROM芯片、两个DDR2芯片以及网络接口芯片分别与所述DSP芯片连接，所述CPLD芯片与FLASH存储器分别通过EMIF接口与所述DSP芯片连接。所述的CPLD芯片与DSP总线接口之间通过16位数据线和20位地址总线连接，DSP总线接口与X轴信号合成器、Y轴信号合成器以及位置信号反馈单元分别连接。所述的X轴信号合成器包括四个DA单元和X轴求和运放单元，所述的四个DA单元分别为X轴主DA单元、X轴增益DA单元、X轴平移DA单元、X轴旋转DA单元；所述的Y轴信号合成器包括四个DA单元和Y轴求和运放单元，所述的四个DA单元分别为Y轴主DA单元、Y轴增益DA单元、Y轴平移DA单元、Y轴旋转DA单元，X轴信号合成器的四个DA单元和Y轴信号合成器的四个DA单元都是采用16位的数模转换芯片。本专利技术还提供一种纳米位移台扫描运动控制系统实现方法，所述方法具体包括步骤：步骤一、DSP主控制板接收由上位机传输的驱动纳米位移台移动所需的旋转角度、缩放比例以及平移距离。步骤二、DSP主控制板对所述旋转角度、缩放比例和平移距离进行处理，获取X轴方向数据和Y轴方向数据，将X轴方向数据分解成X轴方向的X轴主DA单元数据、X轴增益DA单元数据、X轴平移DA单元数据和X轴旋转DA单元数据，再作为X轴信号传输到X轴信号合成器内部相应的各个DA单元；同时将Y轴方向数据分解成Y轴方向的Y轴主DA单元数据、Y轴增益DA单元数据、Y轴平移DA单元数据和Y轴旋转DA单元数据，将Y轴主DA单元数据、Y轴增益DA单元数据、Y轴平移DA单元数据和Y轴旋转DA单元数据作为Y轴信号传输到Y轴信号合成器内部相应的各个DA单元。步骤三、DSP主控制板启动扫描过程，X轴信号合成器和Y轴信号合成器进行全16位码值输出操作；把X轴信号合成器对X轴信号处理后输出的X轴位置数据和Y轴信号合成器对Y轴信号处理后输出的Y轴位置数据输出到纳米位移台；步骤四、DSP主控制板接收由位置信号反馈单元反馈的X轴反馈信号和Y轴反馈信号；所述位置信号反馈单元接收纳米位移台输出的X轴位置信号和Y轴位置信号，并进行处理生成X轴反馈信号和Y轴反馈信号，输出给DSP主控制板；步骤五、DSP主控制板将接收的X轴反馈信号和Y轴反馈信号反馈到上位机。本专利技术的优点：(1)采用本专利技术中的可变增益方式控制扫描范围的方法可以实现在行程内的各个尺寸的扫描范围都保持16位分辨力的最小步距运动。(2)采用本专利技术中的X轴信号合成器和Y轴信号合成器，可以有效实现X轴、Y轴的联动控制调整扫描运动的角度，节约了芯片运算时间，提高了动态响应能力。(3)采用本专利技术中的X轴信号合成器和Y轴信号合成器，既可以准确的调整扫描区域平移量，又确保了扫描区域始终使用16位DA输出能力，有效提高了扫描运动分辨力。附图说明图1为扫描区域旋转前后对比示意图；图2为经旋转后扫描区域放大示意图；图3为经放大后扫描区域平移示意图；图4为本专利技术提供的纳米位移台的控制系统结构组成示意图；图5为DSP主控制板结构组成示意图；图6为X轴信号合成器的结构组成示意图；图7为Y轴信号合成器的结构组成示意图；图8为位置信号反馈单元结构组成示意图。具体实施方式以下结本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种纳米位移台扫描运动控制系统，其特征在于，所述控制系统包括DSP主控制板、X轴信号合成器、Y轴信号合成器以及位置信号反馈单元，利用所述纳米位移台扫描运动控制系统实现对纳米位移台的扫描运动控制；所述DSP主控制板通过DSP总线接口，为X轴信号合成器发送X轴信号，为Y轴信号合成器发送Y轴信号；同时接收所述位置信号反馈单元输出的X轴反馈信号和Y轴反馈信号；所述X轴信号合成器接收所述DSP主控制板输出的X轴信号，并对所述X轴信号进行处理，生成X轴位置数据，将所述X轴位置数据输出到纳米位移台；所述Y轴信号合成器接收所述DSP主控制板输出的Y轴信号，并对所述Y轴信号进行处理，生成Y轴位置数据，将所述Y轴位置数据输出到纳米位移台；所述纳米位移台具有X轴位置信号输出接口和Y轴位置信号输出接口，所述X轴位置信号输出接口输出X轴位置信号给所述位置信号反馈单元，所述Y轴位置信号输出接口输出Y轴位置信号给所述位置信号反馈单元；所述位置信号反馈单元对X轴位置信号和Y轴位置信号分别生成的X轴反馈信号和Y轴反馈信号，输入到DSP主控制板；所述纳米位移台具有X轴模拟量接口和Y轴模拟量接口，所述X轴模拟量接口接收由X轴信号合成器输出的X轴位置数据，所述Y轴模拟量接口接收由Y轴信号合成器输出的Y轴位置数据，所述纳米位移台根据所述X轴位置数据和所述Y轴位置数据进行扫描运动，同时纳米位移台生成X轴位置信号和Y轴位置信号，将X轴位置信号和Y轴位置信号分别通过X轴位置信号输出接口和Y轴位置信号输出接口传输给位置信号反馈单元。...

【技术特征摘要】
1.一种纳米位移台扫描运动控制系统，其特征在于，所述控制系统包括DSP主控制板、X轴信号合成器、Y轴信号合成器以及位置信号反馈单元，利用所述纳米位移台扫描运动控制系统实现对纳米位移台的扫描运动控制；所述DSP主控制板通过DSP总线接口，为X轴信号合成器发送X轴信号，为Y轴信号合成器发送Y轴信号；同时接收所述位置信号反馈单元输出的X轴反馈信号和Y轴反馈信号；所述X轴信号合成器接收所述DSP主控制板输出的X轴信号，并对所述X轴信号进行处理，生成X轴位置数据，将所述X轴位置数据输出到纳米位移台；所述Y轴信号合成器接收所述DSP主控制板输出的Y轴信号，并对所述Y轴信号进行处理，生成Y轴位置数据，将所述Y轴位置数据输出到纳米位移台；所述纳米位移台具有X轴位置信号输出接口和Y轴位置信号输出接口，所述X轴位置信号输出接口输出X轴位置信号给所述位置信号反馈单元，所述Y轴位置信号输出接口输出Y轴位置信号给所述位置信号反馈单元；所述位置信号反馈单元对X轴位置信号和Y轴位置信号分别生成的X轴反馈信号和Y轴反馈信号，输入到DSP主控制板；所述纳米位移台具有X轴模拟量接口和Y轴模拟量接口，所述X轴模拟量接口接收由X轴信号合成器输出的X轴位置数据，所述Y轴模拟量接口接收由Y轴信号合成器输出的Y轴位置数据，所述纳米位移台根据所述X轴位置数据和所述Y轴位置数据进行扫描运动，同时纳米位移台生成X轴位置信号和Y轴位置信号，将X轴位置信号和Y轴位置信号分别通过X轴位置信号输出接口和Y轴位置信号输出接口传输给位置信号反馈单元。2.如权利要求1所述的纳米位移台扫描运动控制系统，其特征在于，所述的DSP主控制板包括DSP芯片、CPLD芯片、EEPROM芯片、两个DDR2芯片、FLASH存储器、DSP总线接口以及网络接口芯片，所述EEPROM芯片、两个DDR2芯片以及网络接口芯片分别与所述DSP芯片连接，所述CPLD芯片与FLASH存储器分别通过EMIF接口与所述DSP芯片连接；所述的CPLD芯片与DSP总线接口之间通过16位数据线和20位地址总线连接，DSP总线接口与X轴信号合成器、Y轴信号合成器以及位置信号反馈单元分别连接。3.如权利要求2所述的纳米位移台扫描运动控制系统，其特征在于，所述DSP芯片采用TMS320C6455ZTZ7芯片；CPLD芯片采用EPM3256AQC208-10芯片；EEPROM芯片采用AT24C256BN芯片，两个DDR2芯片均采用MT47H128M16BT芯片，网络接口芯片采用PHYDJLXT971ALE芯片。4.如权利要求1所述的纳米位移台扫描运动控制系统，其特征在于，所述的X轴信号合成器包括四个DA单元和X轴求和运放单元，所述的四个DA单元分别为X轴主DA单元、X轴增益DA单元、X轴平移DA单元、X轴旋转DA单元；所述的Y轴信号合成器包括四个DA单元和Y轴求和运放单元，所述的四个DA单元分别为Y轴主DA单元、Y轴增益DA单元、Y轴平移DA单元、Y轴旋转DA单元，X轴信号合成器的四个DA单元和Y轴信号合成器的四个DA单元均采用16位的数模转换芯片。5.如权利要求4所述的纳米位移台扫描运动控制系统，其特征在于，X轴信号合成器的输入与DSP总线接口的输出连接，X轴主DA单元采用AD768芯片，X轴增益DA单元、X轴平移DA单元和X轴旋转DA单元分别采用LTC1597芯片...

【专利技术属性】
技术研发人员：殷伯华，许广鹿，李雪，刘俊标，初明璋，王岩，赵伟霞，
申请(专利权)人：中国科学院电工研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11