Микроконтроллерная система управления сканирующим зондовым микроскопом НаноСкан

Круглов, Евгений Владимирович

Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Микроконтроллерная система управления сканирующим зондовым микроскопом НаноСкан

кандидата технических наук: Круглов, Евгений Владимирович
город: Москва
год: 2009
специальность ВАК РФ: 05.13.05

Диссертация по информатике, вычислительной технике и управлению на тему «Микроконтроллерная система управления сканирующим зондовым микроскопом НаноСкан»

Автореферат диссертации по теме "Микроконтроллерная система управления сканирующим зондовым микроскопом НаноСкан"

на правах рукописи

Круглов Евгений Владимирович

Микроконтроллерная система управления сканирующим зондовым микроскопом НаноСкан

05.13.05 — Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2009

003459875

Работа выполнена на кафедре электронных измерительных систем Московского инженерно-физического института (Национального ядерного университета)

Научный руководитель:

к.ф.-м.н. Решетов Владимир Николаевич

Официальные оппоненты:

д.ф.-м.н. Яминский Игорь Владимирович

Ведущая организация:

Государственный научно-исследовательский институт физических проблем им. Ф.В. Лукина (НИИФП)

Защита состоится «16» января 2009 г. в 15 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.130.02 в московском инженерно-физическом институте по адресу: 115409, Каширское шоссе, д. 31.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского инженерно-физического института.

Автореферат разослан «¿Г» января 2009г.

к.т.н. Хотеенков Владимир Александрович

Ученый секретарь

диссертационного совета:

Скоробогатов П.К.

Общая характеристика работы

Актуальность темы

Темой настоящей диссертационной работы является создание единой методики построения микроконтроллерных систем управления сканирующими зондовыми микроскопами (СЗМ) модельного ряда НаноСкан. В ходе выполнения работы был разработан и реализован ряд такого рода систем. Диссертация посвящена совершенствованию и созданию новых элементов и устройств для систем управления специализированными СЗМ. Эти микроскопы разрабатываются и производятся ФГУ ТИСНУМ и ЗАО НТ-МДТ. Они предназначены для решения задач, связанных с исследованием свойств материалов на нано-уровне. СЗМ сегодня используются для измерения линейных размеров, профилей поверхности, модуля упругости, твердости, электропроводности, а также получения топографических изображений формы поверхности и ее свойств. При этом они демонстрируют пространственное разрешение на несколько порядков лучше, чем оптические микроскопы, и в отличии от электронных, не требуют вакуумирования для осуществления измерений.

Развитие элементной базы цифровой электроники и приход на рынок дешевых и мощных микроконтроллеров ставит задачу совершенствования имеющегося парка СЗМ и придания им новых функциональных возможностей. Практически все современные СЗМ имеют в своем составе те или иные элементы цифрового управления, реализованные на микроконтроллерах, цифровых сигнальных процессорах или программируемой логике. Все эти элементы входят в состав радиоэлектронной аппаратуры, гарантирующей правильную работу СЗМ и обеспечивающей связь с персональным компьютером, осуществляющим глобальное управление всем процессом измерения, а также хранение результатов измерений.

Актуальность данной работы обусловлена широкой научно-исследовательской и практической деятельностью в об-

ласти нанотехнологий, которые позиционируются в России и в мире как приоритетные направления науки и техники, а также тем, что результаты диссертации имеют практическое значение для развития модельного ряда приборов НаноСкан (сканирующие зондовые микроскопы, твердомеры, наноинденторы). Работа содержит научные и технические исследования и разработки в области вторичных преобразователей информации, аналоговых и цифровых элементов и устройств используемых в современных измерительных комплексах.

Выбор приборов семейства НаноСкан в качестве основного потребителя разработанной системы управления обусловлен традиционным научно-техническим сотрудничеством между МИФИ и ТИСНУМ и активном участием студентов, аспирантов и сотрудников кафедры «Электронных измерительных систем» в совершенствовании СЗМ НаноСкан.

Переход на микроконтроллерное управление существенно повышает гибкость и адаптируемость этого прибора, расширяет возможности для постановки новых исследовательских задач, позволяет использовать цифровую обработку сигналов и реализовать сложные алгоритмы управления, повышает точность и достоверность производимых измерений. Новое поколение СЗМ НаноСкан, возникшее благодаря переходу на микроконтроллерное управление, обеспечит ускорение научно-технического прогресса в области нанотехнологий и имеет важное народно-хозяйственное значение.

Цель и задачи

Целью выполнения диссертационной работы является создание методики построения системы управления СЗМ НаноСкан. Исходя из которой предстояло разработать и реализовать в виде электронных блоков универсальную систему сбора данных и управления СЗМ модельного ряда НаноСкан. Слово «универсальная» здесь и далее следует понимать только относительно модельного ряда устройств НаноСкан, производимых ФГУ ТИСНУМ (г. Троицк, МО) и ЗАО НТ-МДТ (г. Зеленоград).

СЗМ НаноСкан на момент начала работы обладали уникальными метрологическими и эксплуатационными показателями, однако использование устаревшей элементной базы и специализированного интерфейса взаимодействия с персональным кмпью-тером сдерживало их широкое применение.

Для создания методики было необходимо решить следующие задачи:

- выделить типы устройств модельного ряда НаноСкан по критерию их практического назначения;

- сформулировать необходимые и достаточные метрологические требования для каждого типа устройств;

- решить задачи структурного синтеза разрабатываемых систем;

- решить задачи параметрического синтеза разрабатываемых систем, учитывая особенности элементной базы;

- разработать унифицированные алгоритмы управления и сбора данных.

Также необходимо было решить несколько задач, связанных с практическим применением приборов модельного ряда НаноСкан:

- перейти на 16 разрядные АЦП при измерении контролируемых физических величин;

- разработать систему контроля и сбора данных для адаптации ранее созданных приборов к новым условиям эксплуатации;

- разработать систему контроля и сбора данных для интеграции измерительных модулей НаноСкан в системы сторонних производителей;

- разработать систему контроля и сбора данных для обеспечения измерительного процесса, присутствующего в полнофункциональных устройствах НаноСкан.

Разрабатываемые системы должны не только удовлетворять предъявляемым к ним требованиям, но и обеспечивать дополнительные аппаратно-программные возможности в целях проведения исследовательских работ, как научного содержания, так и практического характера.

Отметим, что стоимость систем контроля и сбора данных является существенным параметром, так как приборы модельного ряда НаноСкан выпускаются серийно. В связи с этим особое внимание было уделено выбору средств разработки и элементной базы таким образом, чтобы получить максимум возможностей при минимуме затрат.

Научная новизна

- Был проведен теоретический анализ и экспериментальное исследование функционирования аналого-цифровых элементов и системы управления СЗМ НаноСкан в целом, позволившей сформулировать предложения по улучшению технико-экономических и эксплуатационных характеристик серийно выпускаемых приборов.

- Разработана методика построения систем контроля и сбора данных для управления сканирующими зондовыми микроскопами модельного рядя НаноСкан, воплощающих в жизнь новые алгоритмы измерения и сканирования.

- Предложен вариант аппаратно-программной реализации систем НаноСкан, предназначенных для интегрирования в измерительные комплексы сторонних производителей.

- Предложен вариант аппаратно-программной реализации систем НаноСкан, предназначенных для управления полнофункциональными устройствами.

- Создана основа для перехода на цифровые системы регулирования положения зонда СЗМ.

- Обеспечена техническая возможность сложной когерентной обработки измерительных данных в режиме реального времени.

Практическая значимость

Созданные в соответствии с разработанной методикой системы придали приборам модельного ряда НаноСкан ряд новых качеств, повышающих надежность, улучшающих контроль и диагностику функционирования элементов системы

управления и сбора данных:

- Реализованы измерительные процедуры в реальном времени.

- Обеспечена многоканальность модифицирующего и зондирующего воздействия на исследуемые материалы.

- Снижено влияние помех на результаты измерений.

- Повышена разрядность используемых АЦП до 16 бит.

- Повышена технологичность сборки приборов — за счет взаимозаменяемости разработанных систем было снижено количество сборочных единиц.

- Реализована возможность использовать новые, более сложные измерительные алгоритмы.

- Добавлены алгоритмы удаленного обновления ПО.

- Заменен интерфейс с шины PCMCIA на шину USB.

- Реализована гальваническая изоляция прибора от управляющего ПК.

- Обеспечена возможность удаленного управления питанием, что облегчает установку прибора в изолированном помещении с повышенным уровнем радиации или особо чистом.

- Добавлены дополнительные порты расширения.

- Снижена себестоимость.

- Произведена интеграция сканирующего наноиндентора На-ноСкан в состав нанолаборатории ИНТЕГРА.

- Существенно расширен круг задач, решаемых приборами модельного ряда НаноСкан.

Системы управления, выполненные в соответствии с разработанной методикой, могут применяться не только для построения СЗМ, но и в ряде других устройств, условиям применения в которых они удовлетворяют по параметрам скорости и разрядности. По критерию электробезопасности разработанные системы удовлетворяют требованиям, предъявляемым к медицинскому оборудованию (ГОСТ 12.2.025-76). При помощи данных СУ можно создавать не только новые, но и адаптировать старые устройства к новым условиям эксплуатации, что было крайне затруднено при использовании прежней системы управления.

Положения выносимые на защиту

- Универсальная методика построения систем контроля и сбора данных для аппаратно-программного комплекса СЗМ, позволяющая оперативно адаптировать НаноСкан к новым измерительным задачам.

- Режимы измерения и сканирования в реальном времени с асинхронным протоколом передачи данных по шине USB.

- Реализация систем управления асинхронного и синхронного типа для различных условий эксплуатации СЗМ НаноСкан.

- Многоканальные измерения и повышение достоверности получаемых данных в приборах модельного ряда НаноСкан.

Благодаря проделанной работе была усовершенствована техническая база системы управления СЗМ НаноСкан, и повышены качественные и эксплуатационные показатели выпускаемых приборов.

Внедрение результатов работы

Результаты работы внедрены в двух организациях:

- Акт о внедрении № 08-12-18-728 от 18 декабря 2008 г. выдан ФГУ ТИСНУМ подписан директором ФГУ ТИСНУМ д.ф.-м.н. Бланком В.Д.

- Акт о внедрении № без номера от 10 декабря 2008 г. выдан ЗАО «НТ-МДТ», подписан генеральным директором ЗАО «НТ-МДТ» д.ф.-м.н. Быковым В.А.

Основные положения доложены и обсуждены на научной сессии МИФИ — 2008.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 4 работы из которых одна в реферируемом журнале, включенном в список ВАК.

Объем и структура диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения. Работа изложена на 156 страницах, содержит

60 таблиц, 125 рисунков и схем в тексте. Список литературы насчитывает 62 источника.

Обзор средств разработки

В ходе работы над диссертацией были использованы

следующие средства разработки:

- Atmel AVR Studio — среда разработки программного обеспечения для микроконтроллеров с ядром AVR;

- Microsoft DDK — среда разработки драйверов для операционных систем Windows;

- Microsoft SDK — среда разработки ПО для операционных систем Windows, была использована для создания dll библиотек;

- Borland Turbo С++ — среда разработки ПО для операционных систем Windows, была использована для разработки служебного ПО;

- FTDI MPROG - утилита конфигурирования EEPROM, хранящей данные инициализации для мостов FT232BM и FT2232C;

- FTDI Driver Set - набор драйверов и библиотек управляющих функций для моста FT232BM и FT2232C;

- DipTrace — программа создания электрических схем и разводки печатных плат;

- ProgeCAD — среда для работы с конструкторской документацией;

- Nuance PDF Converter - среда для работы с файлами формата PDF, применялась для оформления электронных документов;

- OpenOffice — пакет программ для работы с текстовыми файлами и файлами таблиц был использован для создания текста диссертации;

- Windows ХР Pro — операционная система.

Краткое изложение диссертационной работы

Введение

Введение к диссертационной работе содержит тему диссертации, краткий перечень требований предъявляемых к разрабатываемой системе управления, обосновывает актуальность поставленной задачи и обозначает основные пути ее решения (см. раздел «Общая характеристика работы» настоящего автореферата).

1 Обзор методов и описание объекта управления

В первой части главы формулируется определение системы управления (СУ) с функцией сбора данных (СД), которое наиболее точно отражает суть рассматриваемых систем: система управления — это аппаратно-программное устройство, входящее в состав какого-либо комплекса на основе прибора НаноСкан, предназначенное для реализации процессов настройки, контроля и сбора данных. Рассматривается общая структура разрабатываемой СУ и назначение ее основных подсистем (системы ввода и вывода данных, интерфейсы взаимодействия с окружающим оборудованием и устройствами).

Для правильного позиционирования разрабатываемой методики рассматриваются две классификации СУ. В основу первой положен принцип синхронности работы элементов СУ и алгоритмов обмена данными, в основу второй — тип ядра СУ (под ядром понимается та часть СУ, которая отвечает за реализацию основных алгоритмов). Рассмотрены типы задач, приводящие к построению СУ того или иного типа внутри каждого класса. Результаты сравнительного анализа, проведенного по различным критериям для каждого класса, приведены в таблицах 1 и 2.

Вторая часть главы посвящена обзору объекта управления, а также описанию базовых принципов сканирующей зон-довой микроскопии.

Сравниваемый параметр Асинхронные СУ Синхронные СУ

Требования к вычислительным ресурсам - +

Использование мультиплексированных АЦП + -

Использование двойного буферизации - +

Таблица 2 — Сравнение ядер СУ

Сравниваемый параметр СУ на базе МК СУ на базе ПЛИС СУ на базе ЦСП

Характерные частоты, МГц до 80 300-500 150-600

Напряжения питания, В 3.3—5.5 1.8 — 3.3 1.8 — 3.3

Периферийные устройства + - -

Параллельные вычисления - + +

Самостоятельное применения + - -

Технологичность изменения ПО + + +

Скорость математических вычислений - + +

ПРИМЕЧАНАНИЕ — сравнение параметров синхронных и асинхронных СУ производится с учетом того, что эти системы обычно используются для разных классов задач с существенно отличающимися скоростями регистрации данных.

Измерения, производимые СЗМ НаноСкан, возможны благодаря использованию высокочувствительного пьезорезо-нансного датчика, амплитуда и частота колебаний которого являются индикаторами контакта с исследуемой поверхностью.

Колебательная система — датчик выполнена в виде камертона, ветви которого совершают изгибные колебания на первой резонансной моде. К одной из ветвей камертона прикреплен алмазный индентор. При контакте индентора с поверхностью изменяются граничные условия колебательной системы, что приводит к отклонению контролируемых параметров от значений, соответствующих свободным колебаниям [диссерта-

ционная работа Гоголинского К.В. «Разработка методов сканирующей зондовой микроскопии для изучения механических и топологических характеристик поверхности». Москва, 2000 г.]. Отслеживая эти изменения можно проводить следующие типы измерений:

- измерение топографии — производится путем построчного сканирования с записью сигнала обратной связи. Обратная связь по амплитуде позволяет получить профиль вязкой границы поверхности, обратная связь по частоте — профиль упругой границы поверхности;

- измерение локальной твердости и модуля упругости первого рода (модуля Юнга) несколькими методиками, включая метод динамического наноиндентирования. При таких измерениях контролируется не только изменение динамических характеристик камертона, но и измеряется статический изгиб всего камертона.

В настоящее время в ФГУ ТИСНУМ создано несколько вариантов сканирующих зондовых твердомеров и микроскопов. Их можно разделить по критерию выполняемых задач на два вида: автономные микроскопы и модули, интегрируемые в измерительные комплексы сторонних производителей. Данное деление предполагает различные требования к СУ:

- в случае автономного микроскопа или твердомера на СУ ложится нагрузка по проведению измерительной процедуры, первичной обработке снимаемых данных и процессу передачи данных из СУ в ПК. Это приводит к построению синхронной системы контроля и сбора данных, получившей название СУ NanoScan Full;

- при интеграции сканирующего модуля НаноСкан в полнофункциональный измерительный комплекс (например, Нано-лаборатория ИНТЕГРА) задача СУ сводится к запуску, первичной настройке модуля и текущему управлению параметрами прибора, что приводит к построению асинхронной системы контроля и сбора данных, получившей название СУ NanoScan Light.

Предыдущий вариант СУ был универсален и устанавливался на все приборы модельного ряда НаноСкан. СУ представляла собой адаптер (выполненный на ПЛИС XILINX SPARTAN XCS-10) между шиной PCMCIA и периферийными устройствами, такими как ЦАП и АЦП. Все периферийные устройства были расположены на плате, устанавливаемой в разъем PCMCIA. Обмен данными с приборами осуществлялся по аналого-цифровой 44-канальной шине длиной 1.5 м. Ядро (ПЛИС) СУ не выполняло никаких специальных функций, связанных с управлением прибором, все измерительные алгоритмы и алгоритмы контроля осуществляло ПО, работающее на ПК.

К достоинствам предыдущей СУ можно отнести легкость модернизации ПО. Так как на стороне СУ отсутствовали программируемые элементы, то любое изменение ПО сводилось к изменению программы на ПК. Одновременно это являлось и недостатком системы — реальное время выполнения команд зависело от загруженности процессора ПК, поэтому невозможно было обеспечить RealTime режим с постоянной длительностью такта измерительного процесса под управлением ОС Windows ХР. Также к недостаткам можно отнести 44-канальную шину. При длине 1.5м и разрядности АЦП и ЦАП — 15 бит на точности результатов измерения сказывается влияние паразитных емкостей, образованных экранированными кабелями аналоговых каналов шины (значение суммарной емкости экранированного кабеля превышает входную емкость устройства выборки хранения АЦП и буферных усилителей более чем в 100 раз).

По результатам анализа особенностей функционирования СЗМ НаноСкан рассмотренных в данной главе, были сформулированы технические требования к разрабатываемым системам управления — таблица 3. К системам предъявлены различные требования по скорости и разрядности. Различия объясняются тем, что СУ NanoScan Light не реализует измерительных алгоритмов, в отличие от СУ NanoScan Full, в Light версии измерительные функции переданы внешней управляющей системе, а для целей настройки достаточно 13 разрядных АЦП и

более низкой скорости — 100 кбит/с. Также СУ NanoScan Light не содержит в своем составе ЦАП, однако, ввиду аппаратной взаимозаменяемости СУ NanoScan Light и NanoScan Full, на внешнем разъеме эти линии присутствуют у СУ обоих вариантов. В случае Light версии эти выводы подключены к аналоговому общему проводу через резистор, в случае Full версии — к выходам масштабирующих дифференциальных усилителей.

Таблица 3 — Минимальные требования к СУ НаноСкан

Параметр NanoScan Light NanoScan Full

Скорость обмена данными с ПК 100 Кбит/с 2 Мбит/с

Интерфейс обмена данными USB

Обеспечение режима реального времени нет Да

Количество аналоговых входов 6x13 Бит 6x16 Бит

Параллельное измерение аналоговых сигналов нет Да

Диапазон входных аналоговых сигналов -5...+5 В

Количество аналоговых выходов - 4x16 Бит

Диапазон выходных сигналов -2.5...+2.5 В

Частота дискретизации 1 кГц 10 кГц

Количество цифровых входов 2

Количество цифровых выходов 9 7

Количество БР1 клиентов 12 13

Тип логического сигнала TTL

2 Методика построения СУ

Разрабатываемая методика должна обеспечивать единый подход к конструированию СУ двух типов: NanoScan Light и NanoScan Full. Поэтому при ее создании руководствовались следующими принципами:

- обеспечение режима реального времени с заданным числом аналоговых каналов (разрядность и число каналов указано в

таблице 3) в полосе частот до 10 кГц;

- аппаратная взаимозаменяемость СУ — для обеспечения унификации материнских плат СЗМ и как следствие повышения технологичности сборки СЗМ различных типов;

- программная взаимозаменяемость СУ — для обеспечения унификации внешнего ПО;

- гальваническая изоляция между ПК и СЗМ — для снижения уровня шумов и предотвращения нежелательных последствий аварийных ситуаций;

- удаленный контроль за состоянием питания СЗМ — прямой доступ к СЗМ может быть ограничен;

- возможность обновления встраиваемого программного обеспечения (firmware) без применения специального оборудования силами пользователя;

- элементная база, необходимая для построения СУ в соответствии с данной методикой, должна быть легко доступна на российском рынке и рекомендована фирмами-производителями для перспективных разработок;

- технологические проблемы аппаратной реализации должны быть сведены к минимуму;

- суммарная стоимость средств разработки должна быть сведена к минимуму.

Представим аппаратно-программный комплекс, выполненный в соответствии с настоящей методикой, и опишем назначение его структурных элементов и алгоритм работы. Аппаратная структура комплекса представлена на рисунке 1, программная — на рисунке 2.

Основная идея аппаратной (рисунок 1) реализации СУ заключается в наличии двух ядер: внешнего и внутреннего, гальванически изолированных друг от друга. Внешнее ядро отвечает за асинхронный обмен данными по шине USB с ПК и синхронный обмен данными по внутренней шине с внутренним ядром СУ, при этом обмен данными осуществляется в режиме двойной буферизации. Режим двойной буферизации подразумевает, что пока один из буферов заполняется в синхронном режи-

ме результатами измерений, обеспечивается гарантированная доставка содержимого другого буфера в ПК, и происходит его подготовка к заполнению данными. После того как первый буфер будет заполнен, буферы переключаются, и процесс повторяется до тех пор, пока все данные на будут переданы.

Рисунок 1 — Аппаратная структура построения СУ

Линии аппаратного протокола USB являются двунаправленными, поэтому для организации их гальванической изоляции необходимо осуществить преобразование протокола USB к любому другому протоколу, линии которого будут однонаправленными. В качестве такого протокола можно предложить USART, SPI и 8-bit Parallel. На выбор типа внутреннего протокола оказывают влияние два фактора. Первый можно сформулировать следующим образом: увеличение числа линий увеличит скорость обмена, но одновременно с этим усложнит схемную реализацию СУ и повысит ее себестоимость. Второй причиной, определяющей тип внутреннего протокола, является временной фактор, который можно сформулировать так: чем меньше времени внутреннее ядро расходует на передачу данных, тем выше частоту или тем совершеннее обработку данных при той же частоте измерительного процесса в реальном времени можно реализовать. В качестве интерфейса обмена данными между ядрами для СУ NanoScan Full 001 были выбраны два UART интерфейса, а для СУ NanoScan Full 002 интерфейс USART и 8-bit Parallel используемые совместно.

Механизм удаленного управления питанием реализован следующим образом: при подключении СЗМ к шине USB ПК (или, что равнозначно, включение ПК при подключенном ранее СЗМ к шине) происходит запитывание внешнего ядра, внешней части гальванических развязок и управляющих цепей блока реле. Далее по команде включения из набора команд API (Application Program Interface) NanoScan внешнее ядро замыкает управляющие цепи блока твердотельных реле, исполнительные цепи которых запускают блок питания СЗМ. Такой подход в отличие от классического (классический подход подразумевает наличие постоянно функционирующих сторожевых цепей в блоке питания) обеспечивает полное обесточивание прибора при штатном выключении или при выключении ПК (слово «полное» здесь следует понимать по отношению к внутренним цепям СЗМ). Так в СУ NanoScan Light обеспечивается отключение прибора от сети питания 220В 50Гц, а в СУ NanoScan Full — от внутреннего напряжения питания +5В.

Взаимозаменяемость СУ достигается путем установки одинаковых разъемов подключения с одинаковым расположением выводов к материнской плате прибора.

Основная идея программной реализации (рисунок 2) заключается в особом алгоритме инициализации программного обеспечения ядер СУ. ПО каждого ядра состоит из двух частей: загрузочной и рабочей, которые представляют собой две независимые программы, выполняемые на микроконтроллере ядра. Рабочее ПО реализует измерительные алгоритмы и рабочие функции СЗМ НаноСкан. В процессе совершенствования прибора эта часть может существенно меняться и соответственно должна обновляться для поддержания измерительного комплекса на конкурентоспособном уровне. Обновление рабочего ПО можно проводить двумя способами: при помощи внутрисхемного программатора и при помощи алгоритма самопрограммирования. Загрузочная часть ядра отвечает за процесс самопрограммирования. Она в общем случае содержит минимальный набор функций, необходимых для обновления рабочей части программы, и

может быть изменена только при помощи внутрисхемного программатора.

Файлы конфигурации микроконтроллеров

t , к

Функции ISP V- -у

программатора

/L-

Клиентское ПО NancScan

TT 71

Служебное ПО NanoScan

dll 5и5лиотека API NanoScan Системный реестр, ;: каталоги ОС Windows

-г'

WDM драйвер доступа к СЭМ inf файл инсталляции 1 WDM драйвера I

Функции внешнего ядра

Загрузочная часть программы

РаВочая часть программы

Функции внутреннего яЭра

Загрузочная часть программы

Рабочая часть программы

Рисунок 2 — Программная структура построения СУ

Процесс запуска встроенного программного обеспечения происходит по следующей схеме: первыми загружаются загрузочные части ядер, а затем после получения соответствующей команды от внешнего ПО происходит переключение на рабочую часть программы. Такой механизм инициализации позволяет избежать серьезных сбоев при обновлении рабочей части программы из-за возникновения какой-либо нештатной ситуации, например, отключения питания в процессе программирования. Таким образом конечный пользователь имеет практически неограниченное число попыток завершить обновление ПО надлежащим образом.

За подключение системы к стеку оборудования Windows отвечает inf-файл и WDM драйвер устройства На-ноСкан. При обнаружении USB устройства РпР менеджер ОС осуществляет поиск в системном реестре ссылки на нужный драйвер и загружает его. После загрузки драйвер обрабатывает запросы РпР менеджера по настройке устройства и переводит

его в состояние ожидания. Inf-файл необходим для первичной установки драйвера в систему, он содержит сведения о том, какие файлы в какие каталоги ОС должны быть переписаны, и какие константы должны быть внесены в системный реестр.

Вторая идея программной реализации заключается в наличие dll библиотеки функций API NanoScan. Функции данной библиотеки инвариантны по отношению к внешнему ПО, но при этом их структура зависит от конкретной аппаратной реализации СУ и программной версии WDM драйвера. Внешняя инвариантность функций позволяет использовать различные аппаратные варианты прибора с одним и тем же внешним программным обеспечением, что позволяет проводить работу по модернизации программных и аппаратных составляющих комплекса независимо друг от друга.

3 Реализация СУ NanoScan Light

В соответствии с вышеописанной методикой было создано три модели СУ асинхронного типа NanoScan Light: NanoScan Light 001 — опытный образец и NanoScan Light 002 — производятся серийно, NanoScan Light 003 готовится к выпуску. Различия этих систем управления заключаются только в конфигурации разъема СУ и, следовательно, программных различиях, связанных с определением назначения выводов микроконтроллера для упрощения разводки печатных плат.

С целью краткости изложения не будем в тексте реферата приводить особенности инженерных решений и выбранной элементной базы, ограничимся сводной таблицей параметров созданных СУ — таблица 4, в которой проведем сравнение достигнутых и заявленных требований.

Таблица 4 — Характеристики СУ NanoScan Light

Параметр Требуемое значение Достигнутое значение

Скорость обмена данными с ПК 100 Кбит/с 2 Мбит/с

Интерфейс обмена данными USB

Параметр Требуемое значение Достигнутое значение

Количество аналоговых входов 6x13 Бит 8x13 Бит

Диапазон входных аналоговых сигналов -5...+5 В

Частота дискретизации 1 кГц 10 кГц

Количество цифровых входов 2

Количество цифровых выходов 9

Количество БР1 клиентов 12

Тип логического сигнала TTL

4 Реализация СУ NanoScan Full

Систем управления типа NanoScan Full было создано две версии: NanoScan Full 001 и NanoScan Full 002. Эти системы управления существенно различаются элементной базой, СУ NanoScan Full 001 была пробной версией, ее реализация позволила понять и скорректировать недочеты, обнаруженные в ходе ее реализации. СУ NanoScan Full 002 сложнее схемотехнически и программно предшествующей версии, но тем не менее обе они удовлетворяют минимальным требованиям (см. таблицу 5).

Системы NanoScan Full имеют больше, чем необходимо аналоговых входов и выходов, которые могут быть использованы для решения исследовательских задач и задач совершенствования конструкции приборов модельного ряда На-ноСкан. Как было указано ранее, СУ NanoScan Full 002 отличается от NanoScan Full 001. Помимо различий ПО она обладает дополнительным SPI интерфейсом, что позволило разделить SPI клиенты СЗМ по группам: ИС, используемые только в процессе настройки, и ИС, используемые в процессе сканирования. SPI интерфейс, обслуживающий первую группу ИС, выключается сразу после завершения процесса настройки, и как следствие это уменьшает проникновение цифровых шумов в аналоговые цепи прибора. К тому же СУ NanoScan Full 002 имеет дополнительный разъем, на который выведено 28 выходов микроконтроллера внешнего ядра, что позволяет решать те научные и экспери-

ментальные задачи, где могут потребоваться дополнительные линии управления.

Таблица 5 — Характеристики СУ NanoScan Full

Параметр Требуемое значение Достигнутое значение

NanoScan Full 001 NanoScan FuII002

Скорость обмена данными с ПК 2 Мбит/с 2 Мбит/с 12 Мбит/с

Интерфейс обмена данными USB

Обеспечение режима реального времени да

Количество аналоговых входов 6x16 Bit 6x16 Bit+ 8x13 Bit

Режим параллельных измерений да

Диапазон входных сигналов -5В...+5В

Частота дискретизации 10 кГц 10 кГц 25 кГц

Количество аналоговых выходов 4x16 Bi 4x16 Bit+ 4x12 Bit

Диапазон выходных сигналов -2.5В...+2.5В

Количество цифровых входов 2

Количество цифровых выходов 7

Количество внешних 8Р1 клиентов 13

Тип логического сигнала TTL

5 Обсуждение результатов

Примеры практической реализации. Исторически сложилось так, что вначале была реализована система управления NanoScan Light. Ее первая версия (NanoScan Light 001) была, по сути, опытным образцом, реализация которого помогла определить и сформулировать основные требования к последующим версиям СУ как NanoScan Light, так и NanoScan Full. В последующем на данной версии СУ был реализован внешний модуль для адаптации приборов ранних модификаций, с целью перевода их с шины PCMCIA на USB — рисунок 3.

"tf'7?; 0 :

___: »3 . ffe*

i <j#t. J

Рисунок 3 — Сканирующий нанотвердомер НаноСкан, работающий под управлением СУ NanoScan Light 001

Второй системой была СУ NanoScan Light 002, она изначально разрабатывалась под новый прибор — сканирующий на-ноиндентор для нанолаборатории ИНТЕГРА компании НТ-МДТ — рисунки 4 — 8.

1№Ж

жМп!

■ ■ ■

Рисунок 4 — Встраиваемый модуль ИНТЕГРА, работающий под управлением СУ NanoScan Light 002

I I

1 I

Рисунок

— Нанолаборатория МТЕОКА N5 с системой активной виброизоляции и оптическим микроскопом

Рисунок 8 —МТЕОПА N3 — сканирующий нонотвердомер СЗМ НаноСкан в рабочем положении

Системы NanoScan Full 001/002 состоят из двух частей: аналоговой и цифровой — рисунок 9. Они предназначены для управления полнофункциональными приборами модельного ряда НаноСкан.

Рисунок 9 — Сканирующий Фондовый микроскоп Super NanoScan, работающий под управлением СУ NanoScan Full 001/002

Новые качества прибора. Использование СУ, разработанных в соответствии с данной методикой, придало приборам серии НаноСкан ряд новых качеств.

Синхронность. Траектория, вдоль которой происходит измерительный процесс (или процесс воздействия), в общем случае может быть произвольной. Предыдущая система управления осуществляла процесс перестройки системы с текущего на следующий шаг по траектории ступенчато (сначала вдоль одной оси потом вдоль другой, затем третьей). СУ, выполненные в соответствии с методикой, например, NanoScan Full, осуществляют перестройку координат алмазного индентора одновременно вдоль всех необходимых осей, что снижает влияние гистерезиса пьез оке рам и ки и ползучести механических узлов системы позиционирования СЗМ НаноСкан. Использование

многоканального АЦП позволяет реализовать одновременные многоканальные измерения.

Режим реального времени. Предыдущая СУ работала под управлением ОС Windows, которая не является средой реального времени, таким образом длительность каждого такта измерительного процесса могла варьироваться от такта к такту. В случае применения СУ NanoScan Full длительность тактов измерительного процесса всегда одинакова и жестко привязана к частоте высокостабильного кварцевого генератора. При этом момент запуска измерительных алгоритмов контролируется внешним ПО, работающим под управлением ОС Windows и установленном на персональном компьютере.

Снижение влияния электромагнитных помех на результаты измерений. Влияние помех удалось снизить за счет следующих изменений конструкции:

- отказа от использования 1.5-метровой аналого-цифрового 44-канального кабеля (использовалась в предыдущей версии СУ);

- переноса АЦП из ПК (плата PCMCIA) непосредственно внутрь корпуса прибора на плату СУ;

- использования гальванических развязок, которое позволило изолировать высокостабильный источник питания СЗМ от источника питания ПК;

- деления в СУ NanoScan Full 002 SPI клиентов на используемые в процессе настройки (цифровые потенциометры, установленные на аналоговых платах) и используемые в процессе сканирования (АЦП, ЦАП): под каждую категорию был задействован свой SPI интерфейс. Один из SPI интерфейсов выключается сразу после завершения настройки прибора.

Гальванические развязки линий интерфейсов. Данный элемент конструкции не является существенным, однако его использование придает системе ряд полезных свойств:

- препятствие проникновению электромагнитных помех от компьютера в электрические цепи микроскопа, нечувствительность к разности потенциалов между «нулевыми» прово-

дами различных блоков измерительной системы (в случае работы ПК и других блоков без единого заземления);

- исключение возможности протекания большого по величине и богатого помехами тока заземления по общим проводам СЗМ и возможность реализации «одноточечного заземления» измерительного комплекса;

- возможность использования различных цепей питания, разность потенциалов между которыми может достигать 4 кВ;

- полная изоляция ПК и микроскопа, обеспечивающая их защиту от выхода из строя при возникновении нештатной ситуации на одной из сторон (СЗМ или управляющий ПК).

Результаты улучшения качества сканирования приведены на рисунке 10. На нем изображены два графика, отражающие кривые подвода острия иглы зонда к поверхности (зависимость усилия вызываемого зондом от глубины проникновения последнего в материал). Они были получены при идентичных условиях эксперимента.

/ /

/ !

Рисунок 10 —Кривые подвода к поверхности (зависимость силы взаимодействия зонда Р[мН] от глубины проникновения зонда в материал Ь[нм]): слева — предыдущая СУ, справа — СУ NanoScan Full, использующая алгоритмы реального времени

На левом графике отчетливо виден шум, вызванный удаленным расположением АЦП от источников сигналов, а так-

же горизонтальные участки, вызванные «подвисанием» процессора ПК (под «подвисанием» подразумевается дефицит времени процессора, работающего в защищенном режиме, отводимого на выполнение измерительных задач, вследствии распределения вычислительных ресурсов между всеми процессами выполняющимися в данный момент на ПК). На правом рисунке изображены результаты, полученные с применением СУ NanoScan Full.

Одним из существенных недостатков предыдущей версии системы управления была низкая разрядность используемых в ней АЦП. Их разрядность была 15 бит и по мере совершенствования аналоговой части СЗМ НаноСкан шумы оцифровки сравнялись и стали даже больше, чем шумы регистрируемых сигналов. Переход на новую, 16 битную СУ, повысил качество цифровых сигналов и расширил возможности первичной цифровой обработки экспериментальных данных. На рисунках 11 и 12 приведены данные оцифровки сигнала оптического датчика предыдущей версией СУ и СУ NanoScan Full соответственно. Из рисунков хорошо видно, что шаг квантования уменьшился в два раза и шумы оцифровки оказались ниже уровня шума регистрируемого сигнала. При этом размах регистрируемого сигнала остался прежним, а среднеквадратичное отклонение заметно уменьшилось.

Одной из особенностей шума связанного с оцифровкой сигнала является его широкополосность, поэтому он достаточно хорошо отфильтровывается цифровыми методами, если полоса, занимаемая регистрируемым сигналом, заметно меньше частоты оцифровки. Сканирующие зондовые микроскопы, как правило, являются достаточно низкочастотными приборами и в большинстве режимов работы имеется возможность опрашивать измерительный канал на частотах существенно превышающих частоту Найквиста полезного сигнала. Эта особенность СЗМ НаноСкан позволяет уменьшить порядок используемых в аналоговой части прибора активных фильтров и произвести необходимую фильтрацию в цифровой форме. В ПО внутреннего ядра реализован алгоритм скользящего осреднения по 11 точкам (в

среднем уменьшает дисперсию сигнала на 6 дБ), а в библиотеке функций API NanoScan алгоритм низкочастотной Фурье фильтрации. Пример обработки приведен на рисунках 13,14.

sec 1 iOH(Oitpr*j <& ш ».so(uni SY »w mk «* -os*

(.4П9П ь/п. Н*<0Т 1 Гогжп

Рисунок 11-— Типичная запись сигнала с оптического датчика силы с прежней электроникой

* + « - . • * . „ . , . ____

кцЛ н<>¡rc IK»»

Рисунок 12 — Запись сигнала с того же измерительного канала при использовании новой системы цифровой регистрации, входящей в состав СУ NanoScan Full 001/002

Рисунок ¡3 - Демонстрация высокой эффективности усредняющей и низкочастотной Фурье фильтрации сигналов в разработанной СУ Черные точки, лежащие на параллельных прямых, — исходные данные. Красная изрезанная кривая - результат скользящего осреднения 11 соседних точек.

Черная плавная кривая - результат низкочастотной Фурье фильтрации (оставлено 10 первых гармоник)

МС№Ч Л» Ш Шт.*. ъ • ■

«Я»

Рисунок 14 - Демонстрация высокой эффективности усредняющей и низкочастотной Фурье фильтрации сигналов в разработанной СУ Черные точки, лежащие на параллельных прямых, — исходные данные. Красная изрезанная кривая - результат скользящего осреднения 11 соседних точек.

Черная плавная кривая — результат низкочастотной Фурье фильтрации {оставлено 10 первых гармоник)

На рисунке 15 изображен сигнал возникающий при ударном воздействии на основание СЗМ НаноСкан. Хорошо видно, что используемый режим цифровой фильтрации практически не искажает вибросигнал, регистрируемый силочувстви-тельным элементом микроскопа.

Рисунок 15 — Фильтрация осуществляемая микроконтроллером Красная изрезанная кривая —исходные данные.

Черная плавная кривая - результат скользящей усредняющей фильтрации по 1) точкам.

Важность дополнительных разрядов АЦП хорошо видна из следующей пары иллюстраций — рисунки 16 и 17. На первом рисунке приведен результат цифровой обработки сигнала оцифрованного с недостаточным количеством бит. Шумы оцифровки превосходят шумы сигнала. На втором рисунке наоборот шум сигнала заметно превышает разрядность используемого АЦП. Из рисунков хорошо видно, что обрабатывая плохо оцифрованный сигнал, мы получаем существенно меньше информации об исследуемом физическом процессе. В подтверждение этого приведем примеры рисунок 18 регистрации и обработки заведомо низкочастотного сигнала (температуры корпуса СЗМ НаноСкан). Данный пример наглядно иллюстрирует влияние разного рода высокочастотных помех на работу АЦП и высокую эффективность простейшей цифровой обработки в борьбе с такого рода факторами маскирующими полезный сигнал.

Рисунок 16 — Шумы квантования превышают шумы сигнала. Черные тонки, лежащие на параллельных прямых, - исходные данные. Красные лежащие на параллельных прямых - результат скользящего осреднения [ 1 соседних точек.

Черная плавная кривая — результат низкочастотной Фурье фильтрации (оставлено 10 первых гармоник)

И t^lDM М- ftzf-jm: >• .Ji1

Рисунок 17 — Шумы квантования ниже шумов сигнала. Черные точки, лежащие на параллельных прямых, - исходные данные. Красные лежащие на параллельных прямых - результат скользящего осреднения 11 соседних точек.

Черная плавная кривая - результат низкочастотной Фурье фильтрации (оставлено 10 первых гармоник)

Рисунок 18 — Оцифровка температуры корпуса Черные точки, лежащие на параллельных прямых, - исходные данные. Красные лежащие на параллельных прямых — результат скользящего осреднения 11 соседних точек.

Черная плавная кривая - результат низкочастотной Фурье фильтрации {оставлено 50 первых гармоник)

Проведенное исследование точностных и скоростных характеристик СУ NanoScan Full показало их достаточность на данном этапе развития СЗМ НаноСкан. Переход на 16 разрядные АЦП позволил опустить уровень шумов оцифровки ниже типичного шума аналоговых узлов СЗМ и заметно повысил эффективность первичной цифровой фильтрации измеряемых сигналов. Достигнутый при этом эффективный уровень шума не превышает младшего разряда используемого АЦП.

Далее приведем результаты измерений, проведенных с использованием новой электронной части приборов, — рисунки 19 — 21.

Рисунок 19—Царапины на стали сделанные и отсканированные СЗМ НаноСкан

Рисунок 20 — Индентирование эталонного образца {сталь 254 НУ 0.05)

Рисунок 21 — Результаты измерения топологии, механических свойств и электропроводности материал — получены за одно сканирование на нанслаборатор ии ИПТЕГРА

Рисунок 22 — Царапина, демонстрирующая хорошую адгезию оксида гафния к кремниевой подложке

Дистанционное управление питанием. Эта функция обеспечивает управление питанием прибора по шине USB. Таким образом невозможно «забыть выключить прибор», цепи питания будут обесточены автоматически при выключении ПК или даже управляющего ПО (обеспечивается при помощи драйвера).

Переход с шины PCMCIA на шину USB. Смена интерфейса подключения микроскопа к ПК позволила упростить процедуру настройки оборудования, что сделало прибор более мобильным и инвариантным относительно места применения, а наличие USB порта на всех типах современных компьютеров снимает ограничения на выбор управляющего ПК.

Удаленное обновление ПО. Для обеспечения актуального уровня внутреннего ПО методика, по которой построены все СУ приборов модельного ряда НаноСкан, подразумевает наличие специальных функций API NanoScan, при помощи которых можно стирать и перезаписывать память программ микроконтроллеров. Это позволяет пользователям самостоятельно обновить версию встроенного ПО, получив от разработчика специальным образом скомпилированный файл. А оригинальный алгоритм загрузочных секторов делает эту процедуру безопасной при возникновении неустранимых сбоев.

Возможности аппаратного изменения СУ. СУ приборов модельного ряда НаноСкан имеют дополнительные аппаратные ресурсы для расширения их возможностей:

- аналоговые выводы СУ NanoScan Light — данные СУ не имеют в своем составе ЦАП, однако на разъеме подключения СУ к материнской плате сохранены выводы, соответствующие данным аналоговым сигналам, а на плате СУ предусмотрен разъем для подачи сигналов с внешнего генератора;

- датчик температуры — микросхема АЦП AD7327 (AD7328) имеет встроенный датчик температуры, который можно использовать для измерения температуры внутри прибора. Используя эталонные источники сигналов и встроенный датчик

температуры, можно определить величину теплового дрейфа параметров элементов схем и ввести программную корректировку результатов измерения;

- интерфейс I2C — это последовательный интерфейс, позволяющий проводить обмен данными на скорости 400 Кбит/с. Данный интерфейс может поддерживать до 127 устройств одновременно без использования дополнительных линий выбора адресуемой микросхемы. Выбор периферийного устройства осуществляется по его адресу;

- джамперное конфигурирование — неиспользуемые резервные входы АЦП замкнуты на аналоговую землю посредством джамперов, на место снятого джампера можно подсоединить разъем PLS-2, через который можно завести дополнительный аналоговый сигнал на плату СУ;

- дополнительные выводы — система управления NanoScan Full 002 имеет 28 дополнительных выводов. Все они принадлежат микросхеме моста AT90USB1287. Данные выводы могут быть использованы не только как выводы общего назначения, но и по своим дополнительным назначениям, таким как входы АЦП, выходы таймеров-счетчиков. Единственное, что надо иметь ввиду при использовании данных выводов — это то, что они гальванически соединены с линиями питания USB интерфейса ПК.

Легко модифицируемое ПО. С течением времени по мере развития измерительных методик и алгоритмов необходимо модифицировать программное обеспечение для поддержания измерительного комплекса на современном уровне. Разработанная методика построения внутреннего ПО позволяет без лишних усилий включать в его состав новые функции. Дополнительно отметим, что в настоящий момент задействовано не более 10% памяти программ микроконтроллеров, что дает возможность серьезно расширять и модифицировать встроенное ПО.

Заключение

В результате выполнения диссертационной работы

было получено следующее:

- разработана методика построения систем управления сканирующими зондовыми микроскопами модельного ряда На-ноСкан;

- в соответствии с разработанной методикой была создана асинхронная система контроля и сбора данных NanoScan Light (производится серийно);

- в соответствии с разработанной методикой была создана синхронная система контроля и сбора данных NanoScan Full (производится серийно);

- создание новых систем управления позволило повысить точность результатов измерений как за счет создания новых измерительных алгоритмов (в том числе за счет введения алгоритмов сканирования, царапанья и индентирования в реальном времени), так и за счет снижения влияния уровня электромагнитных помех, являющегося результатом конструктивных изменений;

- было произведено внедрение модулей НаноСкан в серийно производимые нанолаборатории ИНТЕГРА компании НТ-МДТ, придав последним важную метрологическую функцию — измерение твердости и модуля Юнга нанострук-турированных материалов;

- была снижена себестоимость оборудования посредством оптимизации аппаратной архитектуры, элементной базы и средств разработки, как следствие, была повышена конкурентоспособность СЗМ на мировом рынке метрологических систем.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Круглов Е.В. Универсальная система управления // Научная сессия МИФИ-2007. сборник научных трудов конференции в 17 т. т. 1 Автоматика. Микроэлектроника. Электроника. Электронные измерительные системы — М.: МИФИ, 2007. с 205-206.

2. Круглов Е.В. Асинхронная система управления сканирующим зондовым микроскопом NanoScan Light // Научная сессия МИФИ-2008. сборник научных трудов в 15 т.

т. 13. Автоматизированные системы обработки информации и управления. Электронные измерительные системы

- М.: МИФИ, 2008. с 118-119.

3. Круглов Е.В. Синхронная система управления сканирующим зондовым микроскопом NanoScan Full // Научная сессия МИФИ-2008. сборник научных трудов в 15 т.

т. 13. Автоматизированные системы обработки информации и управления. Электронные измерительные системы

- М.: МИФИ, 2008. с 120-121.

4. Круглов Е.В. Микроконтроллерная система управления сканирующим зондовым микроскопом «NanoScan» // На-нотехника —М.: 2008. №1(13). с.104-111.

Электронная версия автореферата (цветная) доступна на сайте МИФИ

www.triephi.ru

Подписано в печать 14.01.2009. Заказ 555 Тираж 100 экз. Усл.-печ.-л. 2.5. Формат А5. Типография АВТОРЕФЕРАТ.РУ. www.autoreferat.ru

Оглавление автор диссертации — кандидата технических наук Круглов, Евгений Владимирович

Введение

1 Обзор методов и описание объекта управления

1.1 Описание современных методик построения систем управления

1.1.1 Асинхронные СУ

1.1.2 Синхронные СУ

1.1.3 СУ на базе микроконтроллеров

1.1.4 СУ на базе программируемых логических интегральных схем

1.1.5 СУ на базе цифровых сигнальных процессоров

1.2 Принципы сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ)

1.2.1 Общие принципы, используемые СЗМ НаноСкан

1.2.2 Режимы измерения НаноСкан

1.2.2.1 Измерение топографии

1.2.2.2 Измерение карт механических свойств

1.2.2.3 Измерение твердости

1.2.3 Модификации приборов серии НаноСкан

1.2.3.1 Назначения микроскопов семейства НаноСкан

1.2.3.2 Предшествующий вариант СУ

1.2.4 Конструкция приборов серии НаноСкан

1.2.5 Формирование требований к СУ

2 Методика построения СУ для СЗМ НаноСкан

2.1 Аппаратная архитектура СУ

2.2 Программная архитектура СУ

3 Реализация СУ NanoScan Light

3.1 Аппаратная реализация СУ NanoScan Light

3.2 Программная реализация СУ NanoScan Light

3.2.1 Файл конфигурации микроконтроллера

3.2.2 Программа загрузочного сектора

3.2.3 Рабочая часть программы ядра

3.2.4 Идентификатор устройства NanoScan Light

3.2.5 inf-файл инсталляции WDM драйвера

3.2.6 dll библиотека функций СУ NanoScan Light

3.2.7 Служебное ПО NanoScan Light

4 Реализация СУ NanoScan Full

4.1 Аппаратная реализация СУ NanoScan Full

4.1.1 Реализация СУ NanoScan Full 001 Analog

4.1.2 Реализация СУ NanoScan Full 001 Digital

4.1.3 Реализация СУ NanoScan Full 002 Digital

4.1.4 Сравнение СУ семейства NanoScan Full

4.2 Программная реализация СУ NanoScan Full

4.2.1 RealTime алгоритмы СУ NanoScan Full 001 и

4.2.2 Алгоритмы загрузчика ядра СУ NanoScan Full 001 и

4.2.3 RealTime алгоритмы моста СУ NanoScan Full

4.2.4 Алгоритмы загрузчика моста СУ NanoScan Full

4.2.5 Драйвер моста СУ NanoScan Full

4.2.6 dll библиотека функций СУ NanoScan Full

4.2.7 Служебное ПО NanoScan Full

5 Обсуждение результатов

5.1 Примеры практической реализации

5.2 Новые качества приборов НаноСкан 141 Заключение 153 Список использованных источников информации

Введение 2009 год, диссертация по информатике, вычислительной технике и управлению, Круглов, Евгений Владимирович

Научная деятельность в области нанотехнологий позиционируется в России и в мире как приоритетное направление науки и техники. Между тем, это достаточно новое направление научного знания, возникшее во второй половине XX века. Как следует из самого названия, приставка нано- указывает на характерные размеры изучаемых объектов. В настоящее время к объектам нанотехнологий относятся объекты, линейные размеры которых не превышают 100 нм при этом у них проявляются специфические свойства не характерные для аналогичных макрообъектов (например, тонкие пленки, ультрадисперсные материалы).

К методам исследования нанообъектов можно отнести электронную микроскопию, сканирующие туннельную микроскопию, атомносиловую микроскопию и ближнепольную оптическую микроскопию.

Темой настоящей диссертационной работы является создание единой методики построения микроконтроллерных систем управления сканирующими зондовыми микроскопами (СЗМ) модельного ряда НаноСкан. В ходе выполнения работы был разработан и реализован ряд такого рода систем. Диссертация посвящена совершенствованию и созданию новых элементов и устройств для систем управления специализированными СЗМ. Эти микроскопы разрабатываются и производятся ФГУ ТИСНУМ и ЗАО НТ-МДТ. Они предназначены для решения задач, связанных с исследованием свойств материалов на наноуров-не. Выбор приборов семейства НаноСкан в качестве основного потребителя разработанной системы управления обусловлен традиционным научно-техническим сотрудничеством между МИФИ и ТИСНУМ и активном участием студентов, аспирантов и сотрудников кафедры «Электронных измерительных систем» в совершенствовании СЗМ НаноСкан.

Разработка метода сканирующей зондовой микроскопии была начата в 1982 году как одного из направлений аналитического приборостроения. Основной идеей метода является изучение параметров сканируемых поверхностей при помощи зонда. Зонд представляет собой колебательную систему, на которой закреплена сканирующая игла, выполненная из алмаза. При контакте иглы с поверхностью происходит изменение условий возбуждения зонда, что приводит к изменению параметров колебательного процесса. Эти изменения позволяют восстановить относительную высоту точки, а при построчном сканировании — рельеф поверхности. Кроме того, при помощи методов сканирующей зондовой микроскопии можно измерять и механические свойства поверхностей, такие как вязкость и модуль упругости первого рода. Благодаря малой площади поверхности острия иглы можно достичь давлений до 100 ГПа. В процессе сканирования глубина проникновения в материал не превышает нескольких нанометров, а площадь контакта составляет несколько десятков квадратных нанометров. Такое малое проникновение иглы в материал позволяет измерять свойства тонких пленок без искажений, вносимых подложкой на которую они нанесены.

СЗМ сегодня используются для измерения линейных размеров, профилей поверхности, модуля упругости, твердости, электропроводности, а также получения топографических изображений формы поверхности и ее свойств. При этом они демонстрируют пространственное разрешение на несколько порядков лучше, чем оптические микроскопы, и в отличии от электронных, не требуют вакуумирования для осуществления измерений

Актуальность темы. Актуальность данной работы обусловлена широкой научно-исследовательской и практической деятельностью в области нанотехнологий а также тем, что результаты диссертации имеют практическое значение для развития модельного ряда приборов НаноСкан (сканирующие зондовые микроскопы, твердомеры, наноинденторы). Работа содержит научные и технические исследования и разработки в области вторичных преобразователей информации, аналоговых и цифровых элементов и устройств используемых в современных измерительных комплексах.

Цели и задачи работы. Целью выполнения диссертационной работы является создание методики построения системы управления СЗМ НаноСкан. Исходя из которой предстояло разработать и реализовать в виде электронных блоков универсальную систему сбора данных и управления СЗМ модельного ряда НаноСкан. Слово «универсальная» здесь и далее следует понимать только относительно модельного ряда устройств НаноСкан, производимых ФГУ ТИСНУМ (г. Троицк, МО) и ЗАО НТ-МДТ (г. Зеленоград). СЗМ НаноСкан на момент начала работы обладали уникальными метрологическими и эксплуатационными показателями, однако использование устаревшей элементной базы и специализированного интерфейса взаимодействия с персональным компьютером сдерживало их широкое применение.

Для разработки метода необходимо было решить следующие задачи:

- выделить типы устройств модельного ряда НаноСкан по критерию их практического назначения;

- сформулировать необходимые и достаточные метрологические требования для каждого типа устройств;

- решить задачи структурного синтеза разрабатываемых систем;

- решить задачи параметрического синтеза разрабатываемых систем, учитывая особенности элементной базы;

- разработать унифицированные алгоритмы управления и сбора данных.

- перейти на 16 разрядные АЦП при измерении контролируемых физических величин;

Научная новизна.

- Был проведен теоретический анализ и экспериментальное исследование функционирования аналого-цифровых элементов и системы управления СЗМ НаноСкан в целом, позволивший сформулировать предложения по улучшению технико-экономических и эксплуатационных характеристик серийно выпускаемых приборов.

- Разработана методика построения систем контроля и сбора данных для управления сканирующими зондовыми микроскопами модельного рядя НаноСкан, воплощающая в жизнь новые алгоритмы измерения и сканирования.

- Создана основа для перехода на цифровые системы регулирования положения зонда СЗМ.

Практическая значимость. Созданные в соответствии с разработанной методикой системы придали приборам модельного ряда НаноСкан ряд новых качеств, обеспечивающих надежность, контроль и диагностику функционирования элементов систем управления и сбора данных:

- реализованы измерительные процедуры в реальном времени;

- реализована многоканальность модифицирующего и зондирующего воздействия на исследуемые материалы;

- снижено влияние помех на результаты измерений;

- повышена разрядность используемых АЦП до 16 бит;

- повышена технологичность сборки СЗМ — за счет взаимозаменяемости разработанных систем было снижено количество сборочных единиц;

- реализована возможность использовать новые, более сложные измерительные алгоритмы;

- добавлены алгоритмы удаленного обновления ПО;

- заменен интерфейс с шины PCMCIA на шину USB;

- реализована гальваническая изоляция СЗМ от управляющего ПК;

- обеспечена возможность удаленного управления питанием, что облегчает установку прибора в изолированном помещении с повышенным уровнем радиации или особо чистом;

- добавлены дополнительные порты расширения;

- снижена себестоимость;

- произведена интеграция сканирующего наноиндентора НаноСкан в состав нанолабора-тории ИНТЕГРА;

- существенно расширен круг задач, решаемых приборами модельного ряда НаноСкан.

Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из следующих глав:

Заключение диссертация на тему "Микроконтроллерная система управления сканирующим зондовым микроскопом НаноСкан"

Результаты работы внедрены в двух организациях:

Основные положения доложены и обсуждены на научной сессии МИФИ — 2008

По теме диссертации опубликовано 4 работы из которых одна в реферируемом журнале, включенном в список ВАК [34, 35, 36, 37].

При создании СУ для модельного ряда НаноСкан использовались следующие средства разработки: