Микроконтроллерная система управления сканирующим зондовым микроскопом НаноСкан тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.05, кандидат технических наук Круглов, Евгений Владимирович

• Круглов, Евгений Владимирович
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат 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 диссертации (часть автореферата) на тему «Микроконтроллерная система управления сканирующим зондовым микроскопом НаноСкан»

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

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 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.

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.

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.

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, 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.

- 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, 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.

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.

Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из следующих глав:

Заключение диссертации по теме «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления», Круглов, Евгений Владимирович

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

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:

- 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.

Суммарная стоимость средств разработки не превышает 50 000 рублей, что является очень низкой ценой с учетом серийного производства СЗМ и итоговой стоимостью готового микроскопа. * *

Широкие аппаратно-программные возможности систем позволили реализовать новые измерительные алгоритмы и повысить точность прежних, что повысило достоверность получаемых данных и конкурентоспособность приборов модельного ряда На-ноСкан. Гибкость методики и адаптируемость аппаратно-программного комплекса позволили приборам НаноСкан гармонично влиться в серийно производимые нанолаборатории NTEGRA, придав последним важную метрологическую функцию — измерение твердости и модуля Юнга наноструктурированных материалов.

Переход на новую методику построения сканирующих зондовых микроскопов модельного ряда НаноСкан и смена программно-аппаратной реализации отражает мировую тенденцию, состоящую в активном использовании специализированных микроконтроллеров и цифровых процессоров в составе систем, обеспечивающих режим реального времени в современной измерительной аппаратуре. Созданные системы управления NanoScan Light и NanoScan Full обеспечивают не только соответствие приборов семейства НаноСкан современным требованиям, но и гарантируют быстрое дальнейшее развитие данного семейства сканирующих зондовых микроскопов.

Заключение.

В ходе выполнения диссертационной работы была разработана методика построения систем контроля, управления и сбора данных для сканирующих зондовых микроскопов модельного ряда НаноСкан. Которая включает в себя две составляющие: методику построения аппаратного обеспечения и методику построения программного обеспечения. В соответствии с разработанной методикой были созданы два варианта системы управления: система асинхронного типа — NanoScan Light и система синхронного типа — NanoScan Full. Обе они производятся серийно.

Методика построения программного обеспечения аппаратной (микроконтроллерной) части позволяет легко модифицировать ПО, добавляя в него новые внешние функции (внешними называются функции, вызываемые с ПК). Были разработаны базовые «внутренние» функции управления периферией микроконтроллера (внутренние функции служат для снижения объема кода встроенного ПО и выполняют часто используемые базовые операции). В основе встроенного ПО лежит алгоритм, который осуществляет контроль за состоянием векторов прерываний (аппаратный запуск прерываний запрещен) и управляет вызовом запрашиваемых внешних функций. Благодаря наличию главного цикла и особых алгоритмов обмена данными момент запуска внешних функций контролируется с ПК, а процесс их выполнения синхронизирован с высокостабильным тактирующим сигналом кварцевого генератора и осуществляется ПО микроконтроллера. Все это позволяет реализовать синхронный измерительный процесс в реальном времени с асинхронной передачей данных в ПК по шине USB.

Методика построения аппаратного обеспечения позволяет создавать СУ, обладающие широкими возможностями в сочетании с низкой стоимостью. Системы управления гальванически изолированы от ПК, что позволяет повысить надежность и работоспособность системы при возникновении нештатных ситуаций. Также реализован интерфейс удаленного управления питанием СЗМ — это позволяет располагать микроскоп в изолированном чистом помещении, что бывает часто необходимо при проведении высокоточных измерений.

Сформулируем следующие основные 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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Круглов, Евгений Владимирович, 2009 год

1. Агуров П.В. Интерфейс USB. Практика использования и программирования СПб.: БХВ-Петербург, 2006

2. Агуров П.В. Практика программирования USB — СПб.: БХВ-Петербург, 2006

3. Алексенко А.Г. Основы микросхемотехники — 3-е изд., перераб. и доп. М.: ЮНИ-МЕДИАСТАЙЛ, 2002

4. Амосов A.A., Дубинский Ю.А., Копченова Н.В. Вычислительные методы для инженеров: Учебное пособие — 2-е изд., доп. М.: Издательство МЭИ, 2003

5. Архангельский А.Я. Программирование в C++Builder 4 2-е изд., перераб. и доп. - М.: ЗАО «Издательство БИНОМ», 2000

6. Вальвачев А.Н., Сурков Д.А., Сурков К.А. Программирование в среде C++Builder -Мн.: ООО «Попурри», 1998

7. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника: Учеб. Пособие для приборостроит. спец. Вузов — 2-е изд. перераб. и доп. М.: Высш. шк., 1991

8. Домашев A.B., Грунтович М.Н., Попов В.О. и др. Программирование алгоритмов защиты информации: Учебное пособие — 2-е изд., испр. и доп. М.: Издатель Молгаче-ва C.B. Издательство «Нолидж», 2002

9. Зубков C.B. Assembler для DOS, Windows, UNIX 2-е изд. испр. и доп. - М.: ДМК, 2000

10. Информационные технологии в радиотехнических системах: Учебное пособие/Васин В.А., Власов И.Б., Егоров Ю.М. и др.; под ред. Федорова И.Б. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003

11. П.Калверт Ч., Рейсдорф К. Borland C++Builder. Энциклопедия программиста. Platinum Edition: пер с англ — М.: ООО «ДиаСофтЮП», 2005

12. Комиссарова В. Программирование драйверов для Windows СПб.: БХВ-Петербург, 2007

13. Кормен Т., Лейзерсон Ч., Ривест Р. Алгоритмы: построение и анализ — М.: МЦНМО, 1999

14. Куприянов М.С., Матюшкин Б.Д. Цифровая обработка сигналов: процессоры, алгоритмы, средства проектирования — СПб.: Политехника, 1998

15. Либерти Д. С++. Энциклопедия пользователя: пер. с англ. К.: Издательство «ДиаСофт», 2000

16. Маййерс С. Эффективное использование С++ 35 новых рекомендаций по улучшению ваших программ и проектов: пер. с англ. М.: ДМК пресс; СПб.: Питер, 2006

17. Миронов B.J1. Основы сканирующей зондовой микроскопии, Учебное пособие для студентов старших курсов высших учебных заведений. — Нижний Новгород: Институт физики микроструктур РАН, 2004

18. Неббет Г. Справочник по базовым функциям API WindowsNT/2000: пер. с англ. М.: Издательский дом «Вильяме», 2002

19. Пильщиков В.Н. Программирование на языке ассемблера ЮМ PC М.: «ДИАЛОГ-МИФИ», 1999

20. Предко М. Руководство по микроконтроллерам в 2 т. М.: Постмаркет, 2001

21. Пухальский Г.И., Новосельцева Т.Я. Цифровые устройства: Учебное пособие для втузов — СПб.: Политехника, 1996

22. Румянцев П.В. Работа с файлами в Win 32 API — М.: Горячая линяя — Телеком, 2000

23. Сергеенко А.Б. Цифровая обработка сигналов — СПб.: Питер, 2003

24. Солдатов В.П. Программирование драйверов Windows М.: ООО «Бином-Пресс», 2004

25. Титце У, Шенк К. Полупроводниковая схемотехника в 2. т.: пер. с нем. М.: Додэка-XXI, 2008

26. Титце У, Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: справочное руководство: пер. с нем. М.: Мир 1983

27. Уоррен Г. Алгоритмические трюки для программистов: пер. с англ. М.: Издательский дом «Вильяме», 2003

28. Фридман А., Кландер JL, Михаэлис М., Шильдт X. C/C++ архив программ — М.: ЗАО «Издательство БИНОМ», 2001

29. Харт Д. Системное программирование в среде Win32 2-е изд.: пер. с англ. - М.: Издательский дом «Вильяме», 2001

30. Черкесов Г.Н. Надежность аппаратно-программных комплексов: Учебное пособие -СПб.: Питер, 2005

31. Щука A.A. Электроника: Учебное пособие / под. ред. Сигова A.C. СПб.: БХВ-Петер-бург, 2006

32. Диссертации авторефераты диссертаций

33. Диссертационная работа Гоголинского К.В. «Разработка методов сканирующей зондовой микроскопии для изучения механических и топологических характеристик поверхности». Москва, 2000.

34. Диссертационная работа Усеинова A.C. «Метод измерения модуля упругости сверхтвердых материалов методом кривых нагружение-деформация с помощью сканирующего силового микроскопа». Троицк, 2003.1. Периодические издания

35. Круглое Е.В. Универсальная система управления // Научная сессия МИФИ-2007. Сборник научных трудов в 17 т. т. 1. Автоматика. Микроэлетроника. Электроника. Электронные измерительные системы. Компьютерные медицинские системы — М.: МИФИ, 2007. с. 205-206.

36. Круглов Е.В. Микроконтроллерная истема управления сканирующим зондовым микроскопом «NanoScan» //Нанотехника, 2008, №1 (13). с. 104-1111. Электронные ресурсы

37. Материалы сайта www.microsoft.com

38. Материалы сайта www.msdn.com

39. Материалы сайта www .nanoscan.info

40. Материалы сайта www.ntmdt.ru

41. Материалы сайта www.usb.org

42. Документация фирм производителей

43. Data sheet 93С46, Atmel Corporation

44. Data sheet 93C56, Atmel Corporation

45. Data sheet AD5678, Analog Devices Corporation

46. Data sheet AD620, Analog Devices Corporation

47. Data sheet AD7327, Analog Devices Corporation

48. Data sheet AD7328, Analog Devices Corporation

49. Data sheet AD7656, Analog Devices Corporation

50. Data sheet ADuM14xx, Analog Devices Corporation

51. Data sheet ADuM24xx, Analog Devices Corporation

52. Data sheet AT32UC3A1512 Atmel Corporation

53. Data sheet AT90USB1287, Atmel Corporation

54. Data sheet ATmega2561, Atmel Corporation

55. Data sheet ATmega32, Atmel Corporation

56. Data sheet AVR Assembler, Atmel Corporation

57. Data sheet DPA6119, Crydom Corporation

58. Data sheet FT2232C, Future Technology Devices

59. Data sheet FT232BM, Future Technology Devices

60. Data sheet FTDI Software Functions, Future Technology Devices

61. Data sheet MPROG manual, Future Technology Devices

62. Data sheet PVN012, International Rectifier Corporation