论文部分内容阅读
纳米技术被认为是21世纪最有发展前景的研究方向之一，其发展将对各个领域产生深远影响，因此当今各国都将纳米技术研究作为国家发展战略。1986年原子力显微镜(Atomic Force Microscopy，AFM)的发明对纳米技术的发展起到了巨大的推动作用。AFM是一种可实现纳米观测和操作的工具，它不仅能够实现在大气环境中对纳米级别物体的观测，还能够通过控制探针的状态实现纳米尺度操作。由于AFM具备高分辨率，运动控制精确、可重复，环境适应性强等特点，因此近年来在纳米观测和操作领域得到了广泛的应用。
AFM可通过控制探针的状态（运动轨迹、作用力等）实现纳米操作，但是这种操作方式的效率和精确性受到一定制约。基于AFM工作机理，操作和观测无法同时进行，因此AFM的纳米操作是一种盲作业状态，操作过程缺乏实时反馈信息。同时由于微观尺度物体的受力和运动状态难以精确描述，无法通过模型得到精确的控制结果，因此使用AFM进行纳米操作的成功率、效率及灵活性都很低，这些问题严重阻碍了AFM纳米操作的发展与应用。
针对AFM纳米操作中存在的上述问题，本论文以任务空间实时反馈纳米操作机器人为基础，开展高速高精度嵌入式控制器研究，实现高速局部扫描与实时反馈控制的AFM纳米操作技术，为高集成度与通用性的，更高效灵活的纳米操作系统实现提供技术支撑。主要开展的研究工作如下:
针对高速局部扫描与实时视觉反馈的需要，研究提出了具有高速高精度模数、数模转换与通讯功能的基于FPGA嵌入式系统的控制器方案。
针对控制器电路的可靠性，开展了基于信号完整性理论的控制器电路噪声分析研究，进行了关键网络的仿真实验研究，有效提高了电路PCB设计的可靠性和设计效率。
完成了高速高精度数模、模数转换、以太网通信等功能模块的逻辑接口设计;进行了控制器底层驱动程序开发、简易TCP/IP协议栈移植;实现了数字PID以及局部扫描等控制算法。
完成了控制器中各个模块的功能验证，通过进行探针闭环控制实验和主从式探针操作实验，证明控制器在反馈精度、控制精度、闭环控制时间等性能指标上均达到了预期设计要求。
本文的研究工作有效提高了探针反馈控制的实时性，为提升AFM纳米操作系统的效率提供了关键技术环节。