摘要:本文以德州仪器公司的TMS320C6713DSP为基础，介绍了一种新型数字式SPM系统的硬件解决方案。文章首先指出原先的SPM系统的一些缺点，进而介绍数字信号处理器TMS320C6713芯片的一些优点，最后给出了基于该DSP芯片的主控板的主要结构以及整个数字式DSI〕一SPM系统的硬件方案。

　　sPM(seanNIngProbeMieroseope)即扫描探针显微镜，是一种集多种现代技术于一身的新型表面分析仪器，它是世界上分辨率最高的显微镜，也是研究纳米技术的最有力的工具。　近年来，数字信号处理器(DSI〕)在各种数字化仪器中得到了广泛应用。这些数字化仪器易于维护、操作自动化程度高、功能强大、配置极其灵活，与传统仪器相比有着明显的优势。随着I〕SP应用的普及，其性价比越来越高，因此成为各种仪器数字化的首选方案。目前国外已经研制出基于DSp的全数字化SPM系统，并且已经商品化。国内目前进行类似研究的尚不多见。本文将介绍利用Tl的TMS320C6713芯片对SPM系统的数字化方案。

　　1基于PCI卡的SPM系统结构

　　基于PC工的SPM系统采用PCl卡形式的A/D、D/A板，PC机通过该PCI卡与SPM头部及控制器进行操作。如图1所示。

　　这种结构有如下缺点:

　　(1)实现A/D、D/A、1/0功能的PCI插卡需要开PC机箱插拔。

　　(2)PC机箱内的开关电源对高精度的A/D、D/A环节有很大干扰。

　　(3)PCI卡的底层驱动在某些机器上不兼容。

　　(4)PC直接对底层进行操作，达不到通用平台的要求。

　　(5)由于PCI卡每次只能对一路信号寻址，限制了系统的实时性。

　　(6)闭环PID调节由模拟电路实现，参数整定不够灵活。

        鉴于上述体系的缺点，设计了一种新型的基于DSP的数字式SPM系统。

　　2DSP主控板的结构以及与PC机的接口

　　T入JS32oc6713是Tl新推出的32位浮点DSP，其时钟频率为15oMHz，最高可达到225MHz。在15oMHz主频时运算能力可高达900MFL()PS，并且采用了超长机器指令字(VLIW)结构，单周期可执行多条指令，实现了很高的指令并行效率，另外内部8个独立的功能单元最多可以每周期执行8条32位指令，也使得指令并行度大大提高。其独特的指令打包技术减少了代码容量。另外该芯片内部集成的32位高性能外部接口(EMIF)提供了与外部同步/异步存储器的直接接口，也为外部IO空间的扩展提供了方便。本系统内OSP与SPM头部以及与上位机的数据交换都是通过EMIF完成的。另外，TMS320C6713芯片内核和1/0分别采用1.2v和3.3v供电，有效地降低了功耗。由于TMS320C6713在运算速度、片内资源和功耗等方面的突出优点，被广泛应用于数字信号领域。

　　TMS320C6713内部有192KBRAM，另外还有64KB既可以配置为内部RAM也可以配置为高速Cache，所以理论上6713内部的RAM最高可达到256KB，基本上满足了需要。但是为了设计上的灵活性以及便于今后软硬件的升级，仍然扩展了一片外部RAM。芯片选用的是MT48Lc4M16AZ，具有4M又16bit，映射在CEO空间。与1〕SP的接口如图2所示。

　　在本设计中，为了进一步地提高程序的运行速度，采用了BootLoader模式:即在电路上电时，将程序从低速的闪速R()M装载到TMS320C6713芯片内部的高速的RAM中运行。考虑到6713的外围电源是3.3V，为了简化电路的设计，采用了低压的闪速R()M一AM29LV800B100EC。该芯片具有SMbit，可操作在IM只sbit或512K只16bit数据存储形式，本设计中采用slZKX16bit，映射在CEI空间，硬件接口电路如图3所示。

　　由于降低功耗的要求，6713芯片内核和外部1/0分别采用了1.ZV和3.3V的供电方案，而本系统的电源模块提供给数字部分的供电电压为SV，所以采用了LT1085CM芯片把SV输人电压调整为3.3V给DSP外部1/0供电，而用了一片可调整输出电压的LMB17把SV输人电压调整为1.ZV给DSP内核供电。

　　另外在本DSP主板上利用了一片Xilinx公司的CPLD芯片来实现各个接口之间的一些数字逻辑，像USB芯片的控制逻辑、FLASH的控制逻辑以及总线读写的控制逻辑等，采用VerilogHDI语言编写，由于程序可以在线下载，非常方便修改，极大地提高了系统调试和升级的灵活性。

　　DSP与上位PC机的通信采用IJSBZ.O接口。接口芯片采用了CyPress公司的CY7C68013芯片，它属于E子USBFXZ系列。这种芯片拥有独特的架构，内部集成了一个增强型的51单片机内核，还有一个智能串行接口引擎(SIE)，它执行所有基本的USB功能。EZ，USBFXZ将嵌人式MCU解放出来以用于实现专用的功能，并保证其持续的高性能的传输速率。FXZ还包括1个允许它“无缝粘接”的通用可编程接口(《3PIF)，即可与任何ASIC或DSP进行连接。EZ--USBFXZ完全适用于USBZ.o，并向下兼容USBI.1。汤press公司提供了一整套固件开发工具，以及固件方面丰富的例子和大量的帮助文档，可以尽量节省学习时间，加快开发速度。鉴于这部分比较复杂，因此本文不再展开，将另文说明。68013通过CPLI〕与DSP接口的示意图如图4所示。

3基于DSp的SPM系统体系结构与功能

　　该数字式SPM系统控制器从功能上分为六大模块，分别是电源系统、A/D转换卡、D/A转换卡、高压放大及步进电机电机驱动模块、多功能信号板以及DSP主控制板，所有的模块都通过系统总线相连接。整个系统的硬件方案如图5所示。由于SPM系统是一个高精度的仪器，所以在各个模块上都精心设计，力求降低整个系统的噪声，提高各个环节的精度和抗干扰能力。另外在本系统中控制器与上位机的通信采用了US」32.0接口，不但大大提高了通信速度(理论上可以达到48OMbit/s)，而且可以实现即插即用，极大地提高了仪器的性能，方便了用户。

　　1)SP板主要实现对各个模块的控制和Z方向的数字闭环，并且将采集得到的图像数据通过USB口发动给主机。电源系统主要实现向系统供电，一共分为+8V、士15V、士150V和+18V几个部分。其中+SV电源主要向系统中的数字电路供电，士巧V向系统中的模拟电路部分供电，士15OV作为压电陶瓷管扫描电压放大电路部分的电源，而+18V向步进电机供电。由于影响系统噪声水平的主要是+8V和15V电源，在设计时这两组电源采用了两极稳压的方式，即第一级采用可调三端稳压器，第二级采用集成运放反馈驱动调整管进行电压调整，并且在输出端串接了一个共扼电感线圈来抑制噪声。通过这样的精心设计，+8V在输出电流为IA时、士15V电源在输出电流为0.SA时噪声分别只有ZmV。

　　A/D板主要用来把激光探测器以及隧道电流等模拟量转换为数字量以构成Z方向的闭环控制，同时得到z方向的高度以形成图像数据。芯片采用的是美国Al〕公司的Al)7671，它是一个16位、sookMSpS、+SV供电的A/D转换器。它内部除了有一个16位高速AIX:，还有输人电阻调节器以满足不同的电压输人范围，内部转换时钟，误差校正电路及串并接口。D/A板主要用来实现预置偏压以及光栅扫描输出等功能，选用的是美国Al)公司的16位数模转换器AD669。它允许拓位数据同时输人，具有双缓在DAC输人逻辑。输人电压可为单电源电压+15V、+SV或双电源电压士15V。

　　另外还有多功能信号板和高压放大板。前者主要实现各种信号的处理以及轻敲模式下的数字频率输出;后者则主要是对光栅扫描输出进行高压放大以驱动压电陶瓷管进行扫描。在此不再一一赘述。

　　本系统中一个突出的优点就是各个功能板卡与DSP的接口逻辑全部都用Altera公司的CPL【)芯片实现。在设计时把从总线上来的地址、数据和控制线连接至CPLD，然后通过对CPLD的编程来实现地址译码、数据读写或锁存等等工作，在设计和调试中非常方便。

　　4结束语

　　基于DSP的SPM系统采用了当前比较先进的一些数字技术和器件，如USBZ.o接口技术、高性能浮点DSP芯片TMS320C6713、CPLD技术等等这一系列技术和器件的采用，使得该仪器具有非常高的性能潜力和设计调试上的高度灵活性。同时，该系统方案的设计，为将来实现对压电陶瓷管X、Y、Z三个方向的全反馈控制提供了便利条件。实践证明采用该结构设计的数字化SPM系统，将会有广阔的发展空间和应用前景。

　　参考文献

　　作者简介

　　王春雨，男，(1977一)，硕士研究生，主要从事基于DSP的数字式扫描探针显微镜研究。

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