（电工理论与新技术专业论文）基于fpga技术的扫描电镜图像采集系统设计.pdf

d e s i g n e do f a i m a g es a m p l i n gs y s t e mu s i n gi ns e m b a s e do nf p g a a b s t r a e t ： s h un a ( e l e c t r i c a le n g i n e e r i n gt h e o r y & n e wt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db yf a n gg u a n g r o n g a n a l y z i n gt h el i m i t a t i o no ft h eo l dm o d e ls e m ( s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ) i no u rl a b ，a sar e s u l to fa l le a r l i e rp r o d u c t i o n ，i ti si m p o s s i b l et oo b t a i nah i g h r e s o l u t i o ne l e c t r o n - i m a g ei nt h ep c ，a n dt h i si m a g en e v e rc a nb eu s e di no t h e rf i e l d s i nt h i sp a p e r ，a i li m a g es a m p l i n gs y s t e mw i t hf p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y ) w a sd e s i g n e dt oi m p r o v et h ei m a g es a m p l i n gp a r to ft h e o l dm o d e ls e m t h e s y s t e mu s e df p g a a st h el o g i c a lc o n t r o lc o r ei nt h ew h o l es i g n a ls a m p l i n g o n l yn e e d t oc h a n g et h ee m b e d d e dp r o g r a m so n - l i n ec a nm e e tt h er e q u i r e m e n t so fv a r i o u si m a g e s a m p l i n g s ，e a s eo fd e b u g g i n ga n dw i d e ra p p l i c a t i o n d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) p e r f o r m a n c e st h ec o n t r o l s c h i pi n t h ec o n t r o lb o a r d ，a n dc o m m u n i c a t e dw i t hp c ( p e r s o n a lc o m p u t e r ) b yu s b2 0 ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) i n t e r f a c e f u r t h e r m o r e ，m a t c h e ds o f t w a r eo ft h ei m a g es a m p l i n gs y s t e mi sp r e s e n t e d w i t h i t sf r i e n d l yi n t e r f a c e ，u s e r sc a ns e ts a m p l i n gp a r a m e t e r s ，c o n t r o ls y s t e mo p e r a t i o n ， s a v ei m a g e sa n dp r o c e s sp i c t u r e s a l s o ，i tc a nd om a n yi n d i v i d u a t i o ns e t t i n g s ，a s a n t i c o l o rd i s p l a y , p s e u d o c o l o rd i s p l a ya n ds oo n c u r r e n t l y , t h es y s t e mh a sb e e na p p l i e di no u rl a b ，埘t lp o r t a b i l i t y , u s e r - f r i e n d l y i n t e r f a c e ，c o n v e n i e n c ea n ds t a b i l i t ya tt h ee n do ft h i sp a p e r , s o m es c a n n i n gi m a g e s b yt h i ss y s t e ma leg i v e n ，w h i c hh a v ec l e a r - c u tl i n e sa n dv i v i ds a m p l e s al o n g e r r u n n i n gt op r o v et h a tt h es y s t e mb eo fs t a b l ea n dr e l i a b l ep e r f o r m a n c e k e y w o r d s ： s e m ，i m a g es a m p l e ，f p g a ，d s p ，u s b 论文答辩说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及 取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得中国科学院电工 研究所或其他研究教育机构的学位论文所使用过的材料。与我一同工作的同 志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 谢多 本人完全了解中国科学院电工研究所有关保留、使用学位论文的规定， 即：电工研究所有权保留并送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅，电 工研究所可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文。( 保密的论文在解码后也遵循此规定) 签名：虹导师签名_ 澎日期 ：7 - - 舯多6 2 第一章引言 第一章引言 1 1 扫描电子显微镜( s e m ) 的发展及应用领域 1 1 1 扫描电子显微镜( s e m ) 的发明、发展现状 随着科学技术的发展进步，人们不断需要从更高的微观层次观察、认识周围 的物质世界。细胞、微生物等微米尺度的物体用肉眼直接观察不到，光学显微镜 的发明解决了这个问题。目前，纳米科技成为研究热点，集成电路工艺加工的特 征尺度进入深亚微米，所有这些更加微小的物体用光学显微镜也观察不到，必须 使用电子显微镜。电子显微镜可分为扫描电子显微镜简称扫描电镜( s c a n n i n g e l e c t r o nm i c r o s c o p e ，s e m ) 和透射电子显微镜简称透射电镜( t r a n s m i s s i o n e l e c t r o nm i c r o s c o p e ，s t m ) 两大类。 s e m 出现于6 0 年代中期，自1 9 6 5 年英国推出第一台商品电镜至今，扫描电镜 的发展速度很快。相对于其它类型的显微镜，扫描电镜具备很多特点，比如图像 景深大、分辨率较高、样品制备过程简单，可观察较大尺寸的样品，电子束对样 品的损伤与污染程度小。扫描电镜不仅可观察样品的形貌，而且还可以分析样品 的表面成分，因而迅速成为一种不可或缺的工具而广泛应用于科学研究和工程实 践中。随着技术的进步，其性能稳步提高，使用范围不断扩大。 目前s e m 的发展迅速，主流s e m 采用场发射电子枪，包括热场发射和冷场发射。 著名的s e m 生产厂有德国l e o ，日本的日立、j e o l ，美国的e t e c 等，我国的中科科 仪公司也有生产。g e m 的分辨率得到了很大的提高，l e o 公司的s o p r a 3 5 型号g e m 分辨率为1 o 一5 n m 。日立的s 一5 5 0 0 在3 0 k v 高压时分辨率可达到0 4 n m ，i k v 低压时 分辨率为1 6 n m 。 1 1 2 s e m 的应用领域 s e m 可以对材料特性进行分析，例如：形貌观查、能量色散x 射线分折和二元 合金相组成的背散射电子图像的分析等。自9 0 年代以来的其应用范围更广泛，包 基于f p g a 技术的扫描电镜图像采集系统设计 括计量分析、立体观察、图象分析与处理、半导体结晶学和缺陷探测等，具体可 分为以下几个方面： ( 1 )计量测定 当放大倍数为数千倍时，扫描场非常小，电子束的扫描光栅的线性度非常好， 因此整个图像上的放大倍数恒定，所以可对尺寸进行精确测量。换句话说，扫描 电镜( s e m ) 能起到精确计量工具的作用。当然此时须采用国家标准和技术协会 ( n i s t ) 的标准对电镜进行校正。在低放大倍数时，由于存在显著的非线性，不 能用作计量工具。 ( 2 )立体观察 二次电子的产率万与入射电子束和样品表面之间的夹角有关，因此，从此夹 角可近似的得到样品深度的信息。利用专用设备对照样品稍微倾斜( 5 8 度) 前后的图像，可以得到高质量的三维立体感图像。目前，软件的发展已使这些图 像数字化，并显示在计算机的监视器上。 ( 3 ) 图像分析 人们使用计算机分析或处理s e m 图像。在图像分析中，颗粒的尺寸分布及相 关的参数都能很容易得到，这是由于使用数字扫描采集图像和运用图像分析软件 的结果。 图像处理涉及到很多处理方法，例如数字平滑、微分和图像的减法等，对图 像的对比度和亮度可用线性或非线性的方式调整。为了突出边缘特征可采用一些 特殊的算法，或完全抑制背景变化。这些方法可从一张图像照片上收集大量的信 息，得以广泛的应用。 ( 4 ) 电子工业应用 s e m 在电子工业中有特殊的用途，例如，材料表面局部电位的线性变化可导 致二次电子能量分布的改变，据此s e m i 驱。对半导体器件的表面电压进行非接触测 量。有较快的测量速度，能准确测定电路内部结点处的电路波形。通过频闪技术 可对很高频率下运行的电路进行观察。 ( 5 ) 缺陷探测 实际上电子束所引起的任何物理过程，均能产生可测量的信号，并在s e m 中 产生图像。如有种电子束感生电导，早已广泛应用于半导体装置的缺陷探测中。 2 第帝引。i 州) i 描i i l 镜的儿他川选 g - l j f l l 磁场埘次i nff s e ) 羊前敞射i urr 肼的轨迹影响，i i - ”川j 束 脱测铁融材车_ i t i 的磁嘶。；4 ，1 - 山十脉冲l 乜r 求能产7 i - 热学f 。i0 和声学f i0 ，” 能n n 州，反映h 柬此，- 4 提供材料的力学性能罔像。 12 s e m 的工作原理 2 1 s e n 的结构厦工作过程 拍 t 镜的坫奉站构，如蹦1i 所1 阿而磊磊习 厮页订 隔面i 订 信吁榆测 l ! 堕型竺i 罔l i扫描电镜结构f l 目 l ur 谢一j 瓜而磊硐 匝巫圈 聚光镜r i 源i 医画 i 物镜电磊 焉丽雨 圃 抓的筚奉工作j ：= ：秤，如罔l2 所示。 以：州m 中，将电f 源发射的电子聚焦成搬细的电子束，在样品表帕】扫描，将 电了穿透表耐与符 - 表面的原了相互作用所激发的各种信号川探测器接收，h 输 出调制阴极射线竹的亮度，样品表i b l ，阴极射线管( c r l ) 内的电了柬同步扫拙， 所以电了柬掩击样品l ：的每点与c rr 屏幕i ? 的符，1 一对成，b f 鹌( 刚让示肝 i 挂4 i h 什f 品表面备点圈像。如果扫描f 乜镜的xy 偏转放人器的镶出l 也坻减少鼾 1 二倍，而i 的锯齿i k 保持小变，仍在鹅个厅祭上社示图琢，则图像的放大倍 数就埔人若干倍。 1 毕jf i ，g a 披术的 j 描l u 镜嘲像泵”、系统啦i l | 辱| i 2 扫椭电镜的【。作原理图 1 2 2s e n 成像的信号分析 与光学硅微镜不同s 刚中电子不对样品成实像而是根据样品发射 ：的f 打 号构造虚像。当电子束在样品表面逐点移动时，所产生的反映样品各处差异的信 号强度发生变化，从而不断输出一系列数据信号。具有数字成像能力的仪器将探 头送来的相似数接i 转换为一系列数值，井用成像信号来调节c r t 中电子束电流， 使c r t 扫描与s i ! m 扫描同步，即可在c r 【砬示屏上显示出样品表l l i i 并点幽像。 电子乘在样品表面扫描，与样品发生各种不同的相互作用，产生不刊信号 s d i 能产p = 种基木类型的图像：二次电了图像、背敞射电子图像和元素的x 射线 恻像。 ：次 u rf s e c o n di ：】e c t n ) 村度像足分析检测月】的址多的也足描f u 镜最基木、最矗代表意义的成像 武。二次电子是样品；l ，原r 的核外l 乜千在入身f 电r 的激发r 离丌浚原丁而形成f j 它的能量比较i 、( 般小丁5 1 1 e v ) f 1 m 礼 样；协l 】的平均自山秘也小，u - f 在近发面随域( 约t 纳米艟级) ，二玖u 了爿能 逸f i 表面被接收器接收并用j ：成像。扫：近表丽区域入射r 【 了与样品的柏丁工作j h 发射二次f uf 的范【瞄小，订利于 剑比较高的分辨率。而l 次呲f 成像的对 比度主受米自1 ：样品表【f i f 起铁不甲的形状。样- 哺表面凸起姓尖点十h 计r 凹r 处嫩 低点其靠近干羊品表面的相互作川医更多因而所能逸出的次i 乜f 数就越多，导 射一章引言 毁i h i 起处l 州兜，凹f 处黑暗，使得：次电子所成豹像很直观 3 为s e m 设计图像采集系统的选题意义 目前，枉很多赏! 鼋审叶 ，仍然有大苗未配备图像采集功能的s e m 祚使用。返 些i n 镜无法与广泛应用的p c 机连接，且不能实现屯子版图像的存储、后期处理， 雕j 提供高质量的图像进行苴他用选的分析、利用。 本课题拟殴计批rf p g a 技术的扫描电镜图像粟嚷系统，升级较甲乍j “的s i ! m 性能使萁图像采集功能完善、p c 配合操作更方便，符合现f 发展的要求。 31 实验室现有$ e m 性能概述 根据谍题的具体要求，我们选取中国科学院电工研究所微细加i 宴验守的 s m 一3 5 c f 电镜为样机，进行改造实验，如图l3 所示。 图l3 j s m3 5 c f 型号扫描电镜 此电镜正是奉课题进行升级改造的扫描电镜，表il 介绍了此型号s e m 镜的 l i 要舰格和技术指标”1 。s e m 扫排进度指标由表i2 给出“。 基ff p g a 技术的扫描电镜图像采集系统设计 表1 1j s m - 3 5 c f 型号扫描电镜的技术指标 s e m 参数 技术指标 分辨率 6 0 n m 加速电压 0 3 0 k v 放大倍数l o 1 8 万倍 元素分析范围 n a u 形貌观察 聚焦长度 7 7 3 n m 透镜打开( f 一次数)f 5 6 ，8 ，11 ，1 6 ，2 2 自动快门器 图像记录设备 内置 多次曝光器 照相机 可拍照次数0 0 0 0 - - 9 9 9 9 次 超高精度，短时5 c r t 照相机内观察 6 9 m m x9 2 m m 高精度，长时1 0 c r t l e d 显示屏图像属性 1 3 5 m m x1 8 0 r a m 扫描模式面扫描线扫描 扫描系统 样品扫描区域 0 5 6 u m 0 7 5 u m 一9 m m 1 2 m m 扫描速度表水2 所示 表1 2s e m 的扫描速度 横扫竖扫 选择按钮 ( m s 行)( s 帧) 观察实物 r a p i d10 2 ( 0 5 木)o 1 选择区域扫描 连续扫描 隔行 r a p i d2 0 1 5 ( 1 木)0 0 4 ( 1 木) 全区域扫描 6 第一章引言 s l o w155 全区域扫描 s l o w 24 02 5 记录式 p h o t o5 5 0 0 * *0 5 5 0 0 * * 单次扫描 半括号内的值适用于“m a n i f i c a t l 0 n 区的“c o a r s e1 0 按钮按下时。 料横扫和竖扫( 帧扫) 的扫描速度可以独立的设置( 有1 0 级可变化) 。 要实现s e m 的各种应用，比如元素分析、结构观察及缺陷探测等方面的用途， 图像采集系统是s e m 的重要组成部分。 j s m - 3 5 c f 型号s e m 可完成的图像采集工作、内容及步骤如下所述： 上位机通过接口电路实现与底层微机板的通讯，再由微机板控制底层电路， 产生扫描电镜电子光学系统需要的各类信号。同时，s e m 观测样品得到的模拟视 频信号经过数据采集和数字化处理后，在c r t 显示屏上显示。通过面板上的照相 机进行拍照，及人工显影操作得到观察图像的图片。 1 3 2 现有g e m 的图像采集缺陷 j s m - 3 5 c f 型号扫描电镜由于生产年份过早，在图像采集功能上存在一个很 大的缺陷。 用户除了在c r t 显示屏观察扫描的图像外，无法立刻得到扫描图像的纸板图 片，也不能将正在观察的图像存储下来，或是把电子版图像载入其他软件进行不 同用途的分析、处理。 另外，j s m 一3 5 c f 型号s e m 仅能利用照相机才能够获得扫描图像的纸板图片， 拍照后需要在暗室里的一系列操作才能获得纸板图片。拍照、显影等操作都比较 复杂，若要得到较满意的效果，需要很熟练的操作。由于无法获得电子版的图像， 也就无法利用功能软件对图像数据进行分析，损失了图像的利用价值。 因此，为功能欠缺的s e m 配置图像采集系统，实现s e m 视频信号的实时采集、 处理、p c 机显示及存储等功能是非常必要的，也是符合现代科技发展和用户需 求的。 7 基y - f p g a 技术的扫描电镜图像采集系统设计 1 3 3 本课题的选题意义 由上所述，本课题的选题意义可总结为以下几方面： 适应s e m 图像采集系统的发展趋势 g e m 的图像采集在研究开发及质量分析、质量检测、质量控制领域有着广泛 的应用。随着g e m 的应用不断扩大和深化，人们对样品形貌的高分辨率观察和微 区元素分析以及操作自动化和进行图像分析的都提出了新的要求，为使扫描电镜 图像采集系统适应发展趋势，提高图像采集系统的科技含量，开发新的扫描电镜 图像采集系统已成为完善扫描电镜系统的必备步骤。 对图像进行采集、实时处理、实时显示是本课题的主要设计要求，同时，在 图像存储方面，本设计将把图像以多种文件格式存储到硬盘上，用这用方法代替 以前用摄影来获取图像照片的复杂方法。 提高s e m 图像采集系统的实用性 现在大多数s e m 用图像采集系统，是基于i s a 、p c i 等总线的，基于p c i 、 i s a 等总线的图形采集卡现在已经成熟，可以方便地从市场上买到，但是价格比 较昂贵，并且处理功能相对简单。特别是对于特殊需要不能很好地满足，往往需 要加上后续处理部分，这给特殊需要的用户带来了很多不便。 本课题所设计的s e m 用的图像采集系统，是一款u s b 外置式图像采集系统， 设计要求其可以实时传输图像数据到上位机。该系统虽然是针对特殊的图像处理 应用而设计的，但它易于移植到其他的图像采集场合，具有广泛的应用前景。 课题组有丰富的技术经验 课题组经过不断地开发与实践，在d s p 、u s b 的控制以及与上位机间的通信 方面，有相当丰富的设计经验和扎实的技术基础。因此，有利于本系统的设计开 反o 本扫描电镜图像采集系统具有广阔的应用前景 首先，本图像采集系统可为老型号扫描电镜升级图像采集功能，可获得高质 量图像，此外还增添了图像打印和存储功能。提高了他们的利用价值，符合时代 的要求。 其次，本系统可以应用于课题组研究的新型d s p 图形发生器中。对该系统嵌 入程序进行预先设计，配合新型d s p 图形发生器其他组成部分，可对标准尺寸的 第一章引言 棋盘格硅片样本采样、显示，以待校正曝光场之用“1 。 最后，由于本系统采用可编程器件实现采集过程的控制，因此也广泛适用于 其他图像采集场合。只需更改系统内相关器件的嵌入程序，进行在线调试后即可 满足更多用户的要求。 1 4 本课题的主要任务 本课题的任务是，对j s m 一3 5 c f 扫描电镜进行升级改造，为其配置新型图像 采集系统。具体的设计功能如下： 具备扫描图像进行实时采集、处理的功能 设计友好、简易的客户应用界面 实现扫描图像的上位机显示、硬盘存储功能，且存储为多种类型的文件 可对获得的图像进行基本图像处理 实现由用户控制整个图像采集系统的运行 9 坫rf p g a 的描i u 凫i 像求必系统啦 第二章图像采集系统硬件设计 陶像采幄系统的硬件架构借粘了p c i 总线的优 ，粟刷t r 扳总线结构，如 h2i 所小。背扳j ：的总线包括数撕线( 1 6 位) 、地址线、控制线、多维j 负f u 源线。罔像来娥系统的各个模块，包括“信号采样板”、“控制板”和“u s b 输 扳”，均世h j9 6 甜接插件与背板相连，连接方便牢固町椎。 21 信号采样板 图21 图像采集系统硬件架构 信号采样板的结构框图如图22 所示，包括放大渊接电路、a d 芯片转换电 路干f p g a 控制电路。 剧2 2f - 号采集板结构椎l 刳 一耀主 圜1面埋卜酉霸 辩审 削像采q 系统伽啦 竹哼采样板j 蛭址a d if p g a 目l 成。此扳的功能包括完成输八信譬转拽 | ) i 的滤波际嗡处州配合f p g a 嵌入 i l ! f ，拄制a d c 幔数转换、f p g a 数抛采 样、数槲内音| j 缓存以及接收并执 rd s p 的指令。 似0 采样扳的曩物i 划自i l 蚓23 所示。 罔2 3信号秉样板的实物翻 21 1 放大调整电路区 本文针对s e m 信号的特点，搭建碰件电路结构，实现了埘输入特信t 的做 人，同时也降低了噪声的干扰，保证丁a d 芯片模数转换的性能。此放大调整电 路框图如上i 划2 2 所示包括仪表放丈部分、信号调整部分和失调电压调零部分。 211 1 仪表放大部分 考虑到a d 转换器模拟信号f f j 输入端! - js e m 信号发利源的距离，当阿肯的 距离较远叫，输入信号需要先做放j 、处t - n 。因此，奉图像采集系统跬计，乐用_ 个逗放自 成l 讨胃仪表放人器结构，如| 刳2 4 所示，它晶显著的特点髭艟捉高越模 抑制比，放人茺模信号j 叫时可有敛消际儿模噪声。 基丁f p g a 的j _ f 描i u 镜图像采集系统设计 r l 图2 4放大调整电路仪表放大部分 仪表放大结构由三个运算放大器a i 、a 2 、a 3 组成。该仪表放大电路双端输 入、单端输出，具有放大差模信号，同时抑制共模信号的功能。改变r g 的阻值来 调节整个仪表放大电路的增益。运放a l 和a 2 为输人电压缓冲器，电阻r g 连结在 两个运放( a 1 和a 2 ) 的求和点之间扫描电镜提供的信号v i d e o i n 经过调整电路， 输出为v i 。，将该差模电压v i 。加在输入端时，流过r g 的电流等于v i 。r g ，从而 可以看出，输入信号通过运算放大器a l 和a 2 获得增益放大。 当在输入端加共模电压时，r g 两端电位相同，没有共模电流流过，共模信号 以单位增益通过a 1 、a 2 ，最终会在输出级减法器a 3 中被抵消，减少了共模噪声。 运放a 3 设计为一个单位增益的减法器，当然使用者可以根据实际需要，通过设 置r 5 、r 6 的比值设置放大增益。 该减法器的差动设计消除了任何共模信号，并产生了一个相对于参考电位的 单端输出u o t r r 。 u o u t = 两r 6 ( 警小u m u m ) 其中，u i n + 和u i n - 是运放a 1 、a 2 输入端的电压。可见，这种结构可以用来 抵消输入信号中的同相噪声，由于噪声中绝大情况下是同相噪声，因此这样的设 计具有很好的去噪功能。 1 2 第二章图像采集系统硬f ，i ：设计 2 1 1 2 信号调整部分 如图2 5 所示，为了方便实际应用和调试，为仪表放大电路输入部分设计了 调整电路，通过调节短路块的连接方式，实现相位差为1 8 0 的f 负两种信号的输 出，便于实际的应用和调试。 例如，将a a ，d d 连接使用作为一种情况，b b ，c c 连接使用作为另一种 情况，这两种情况的( u l n + u i n - ) 差值正好反相。 v i n+ 5 a v 图2 5放大调整电路信号调整部分图2 6 放大调整电路失调电压调零部分 2 1 1 3 失调电压调零部分 工作过程中失调电压可能不为零，但初始使用时，需要进行调零操作。调零 的方法是改变外接电位器滑动点的位置。失调电压调零电路，如上图2 6 所示。 2 1 2a d 芯片转换电路区 对s e m 提供的信号进行采集显示，除了搭建放大调整电路对输入信号进行 除噪滤波处理，对a d 转换的采样率也提出了严格的要求。因此，设计功能完善 的a d 转换电路对于系统整体性能的好坏非常关键。a d 芯片转换电路的结构框 图如上图2 2 所示。 本图像采集系统选用的是德克萨斯仪器公司丌发的a d s l 6 0 6 模数转换芯片， 其主要的性能特点如下巧1 ： 基rf p g a 的 二i 描l 也镜劁像采集系统设计 ( 1 ) a d s l 6 0 6 是一款高速、高精度1 6 位一模数转换器。其采样速率为 5 m s p s ( 每秒百万次采样) ，无失真动念范围为1 0 1 d b 。倍频采样( 2 x 模式) 时， 数据采样率可达到1 0 m s p s 。 ( 2 ) a d s l 6 0 6 可通过片上的可调f i f o 输出数据，基准电压源可由片上基准 电源或外基准源提供，时钟输入由外部时钟源提供，简易的并行数字输出数掘接 v i 可直接与d s p 连接，方便用户接i s l 设计。o t r 引脚标志溢出，可通过引脚启 动休眠模式。 ( 3 ) a d s l 6 0 6 的工作电源为+ 5 v 的模拟电源，独立的数字i o 电源设计使 之可以灵活的与其它逻辑芯片接口，其工作电压为+ 2 7 叫5 2 5 v 。芯片采用6 4 引脚的t q f p 封装。 2 1 2 1a d s l 6 0 6 模拟输入驱动部分 模拟输入必须被差模驱动以达到其最好的性能，考虑相关引脚信号电平的差 分转换，差模输入电压v i 。= ( a i n p a i n n ) ，输入信号共模电压值为v 硼= ( a i n p + a i n n ) 2 。在靠近引脚处，采用了旁路电容结构，图2 7 给出了设计的 模拟输入驱动电路。 图2 7a d 转换电路模拟输入驱动部分 第二章图像采集系统埂什设计 2 1 2 2a d s l6 0 6 基准源部分 将a d s l 6 0 6 的引脚雨雨置为低电平，采用内部参考电压方式。基准电压 v r e f = ( v r e f p v r e f n ) ，v r e f p 和v r e f n 各有2 个引脚，使用前将其分别短 接。a d 芯片参考源相关引脚，如v c a p 、v r e f n 、v m i d 、v r e f p 处设计适当 的旁路电容，保证了内部参考源的性能，电路如图2 8 所示。 a d s l 6 0 6 图2 8a d 转换电路基准源部分 2 1 3 f p g a 控制电路区 f p g a 控制电路区硬件设计相对简单，硬件连接如图2 3 信号采样板实物图 中所示。f p g a 控制电路区，包括f p g a 与外围芯片连接部分和f p g a 自身配置 部分。 为保证图像显示的还原性，本系统需要采集s e m 扫描信号、行同步信号和 帧同步信号。因此，本图像采集系统要完成多路信号的采集，且需要利用同步信 号对扫描信号采集数据量进行控制。f p g a 芯片i o 端口多，硬件速度可达n s 级， 且可以自由编程支配、定义其功能的特点，配以v e r i l o gh d l 编写f p g a 内部嵌 入软件，很好的解决了采集多路信号等问题。 本课题使用x i l i n x 公司的s p a r t a n 3 系列f p g a 的4p q 2 0 8 进行整个系统的逻 辑控制。该f p g a 内核采用1 2 5 v 供电，工作频率最高可达3 2 6 m h z ，i o 端口供 电电压为3 3 v ，可以承受5 v 的输入高电平。s p a r t a n 3 系列具有丰富的i o 口资 ls 基丁f p g a 的 二j 描l 乜镜图像采集系统设计 源，i o 口输出缓冲器可以接收高达2 4 m a 的拉电流和4 8 m a 的灌电流。缺省时， i o 输出口的驱动能力为12 m a ，也可以设置成2m a 、4 m a 、6m a 、8m a 、1 6 或2 4 m a 。 2 1 3 1 图像采集系统中f p g a 芯片的选用 在图像采集系统设计中，数据流的逻辑控制是最重要的环节，目前可进行逻 辑控制设计的芯片主要包括f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 和 c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) ，c p l d 是可编程逻辑器件，f p g a 是现场可编程门阵列，两者都可以在线编程。 比较了c p l d 和f p g a 的特点及结构： 结构比较 f p g a 的逻辑块是c l b ，特点是扇入小，输入变量为4 - 9 ，输出变量为1 2 ，因而只是一个普通的逻辑单元，每个芯片中几百至上万个这样的单元。c p l d 中逻辑块扇入较大，通常有数十个输入端和一、二十个输出端，每个芯片分成几 块和十几块。显然，如此粗大的分块结构在使用时不如f p g a 灵活。 逻辑块之间的互连结构 c p l d 的逻辑块互连是集总式的开关元件，其特点是等延时。如2 9 ( a ) 所 示，a 、b 、c 中任意两块之间的延时是相等的1 6 1 。 图2 9 ( a ) 集总式图2 9 ( b )分布式 f p g a 的互连是分布式的，其延时与系统布局有关，在图2 9 ( b ) 中，从a 到c 的互连延时将大于a 到b 的互连延时。 1 6 第一二章幽像采集系统硬件设计 数据缓存的问题 考虑到上位机在显示和存储时的意外情况，如当上位机出现故障无法正常进 行显示时，为保证a d 转换数据能够可靠的传输给d s p ，同时，考虑到本图像采 集系统应用于图形发生器时的兼容性，d s p 不会总处于空闲状态，系统要求在a d c 和d s p 二者之间进行缓存处理。 缓冲存储器有外置、内置两种。f p g a 采用s r a m 工艺，约有1 8 7 2 k b i t s 块r a m 和5 2 0 k b i t s 分散r a m 。用户可以根据需要利用f p g a 设计内置f i f 0 、内置r a m 等 存储器。设计包括了存储器的容量、个数和类型，满足系统对数据缓存的要求， 且方便课题设计。但对于c p l d 来说，它采用c m o s ，e p r o m ，e e p r o m 或者f l a s h 工艺，m a r o c e l l ( 宏单元) 是最小的逻辑单元，若采用内置r a m 的方法，会占用 很多宏单元，限制其他功能的实现。 时钟同步问题 f p g a 和c p l d 都可以使用同一时钟源的方法，来实现系统的时钟同步。但是， f p g a 内部有锁相环( d l l ) 和数字时钟管理器( d c m ) ，可以方便的进行分频、倍 频操作，保证了处理前后时钟的同步，同时也可以拓宽设计思路。 鉴于上述各方面的考虑，本文采用f p g a 实现图像采集系统的逻辑控制部分， 利用其内部r a m 设计异步f i f o 实现数据流的缓存。从第五章的实验结果可以看 出，本图像系统逻辑运行稳定、可靠。 2 1 3 2 f p g a 与外围芯片连结部分 根据系统设计要求，f p g a 需要进行连接的外围芯片有a d c 芯片和d s p 芯 片。f p g a 与a d c 芯片同位于“信号采样板”上，硬件连接相对简单、直接。只 需按照f p g a 嵌入程序的设计要求，把a d c 芯片和f p g a 相对应的引脚连接即 可。 这些引脚一部分是f p g a 与a d c 芯片之问数据传输的数据线、f p g a 控制 a d c 芯片的控制线。另一部分是f p g a 与d s p 芯片间的硬件连接，f p g a 通过 9 6 针接插件与背板相连，从而与“d s p 控制板”完成硬件连接，实现了f p g a 与 d s p 芯片之间数据的传输、d s p 指令的下达。 详细硬件连接可参考信号采样板实物图2 3 内的f p g a 控制电路区。 基丁f p g a 的扫描电镜图像采集系统殴汁 2 1 3 3f p g a 芯片加载部分 f p g a 嵌入程序设计完成后，需要把仿真过的程序文件加载到f p g a 芯片中 进行现场调试和验证。这些步骤需要特定的配置电路和配置方法，对于x i l i n x 的 f p g a 来说，是基于s r a m2 1 2 艺的，掉电后数据会丢失，所以在重新上电的时候 需要再次配置。 本设计采用m a s t e rs e r i a l 加载模式，通过p l a t f o r mf l a s h 芯片进行加载配置， 6 路j t a g 下载线可以方便实现上位机嵌入程序的在线更新。f p g a 嵌入程序的设 计请参见3 1 章节。 下面简单介绍下f p g a 加载的相关设计： ( 1 )f p g a 的加载模式 s p a r t a n 3 的f p g a 加载模式有很多，常用的模式有m a s t e rs e r i a l 、s l a v es e r i a l 、 m a s t e rp a r a l l e r 、s l a v ep a r a l l e r 和j t a g ，配置模式由专用配置引脚输入码确定。 表2 1 f p g a 加载模式列表 加载模式j p l 动作 模式分析 m a s t e rs e r i a l 模式 f p g a 从p l a t f o r mf l a s h 芯片加载 s l a v es e r i a l 模式 另外的设备连接到外部扩展口上，来提供 串行数据和时钟，供f p g a 加载 m a s t e rp a r a l l e r 模式 f p g a 试着连接到外部扩展口的并行配置 源加载 s l a v ep a r a l l e r 模式 另外的设备连接到外部扩展口上，来提供 并行数据和时钟，供f p g a 加载 j t a g 模式 f p g a 等待4 线j t a g 接口配置 值得注意的是，这些配置引脚必须严格按照x i l i n x 所提供的d a t a s h e e t 中的 说明进行设置。本图像采集系统通过“信号采样板”上的j p l 选择块控制配置模 式，s p a r t a n 3 系列f p g a 有m 0 、m i 和m 2 三种模式。表2 1 详细分析了j p i 对 应的加载模式t 7 l 。 第二章图像采集系统硬什设计 ( 2 ) p l a s h f o r mf l a s h 芯片加载 本文设计的系统中，f p g a 芯片采用2 m b i t 的p l a t f o 咖f l a s h 做配置芯片，其 中用束存储配置数据只有1 m b i t 空间，其他空间用来存储非易失性数据，如校订 代码、串行个数、系数、e t h e m e tm a c i d ，或存储嵌入式控制代码，如m i c r o b l a z e 。 而f p g a 具体的加载内容有3 种设定方式。本系统通过“信号采样板”上的jp 2 选择块控制。 表2 2 总结了三种设定方式不同的加载内容，如下所示。 表2 2p l a t f o r mf l a s h 加载的设定方式 设定方式 j p 2 动作加载内容 d e f a u 【t l ，0 o f p g a 从p l a t f o r mf l a s h 加载配置数据，不包括附 加的易失性数据 f l a s hr e a d0 ，o ，lf p g a 从p l a t f o r mf l a s h 加载配置数据，同时读取 附加的易失性数据 d i s a b l el ，1 ，1p l a t f o r mf l a s h 失效，f p g a 通过其他方式获取配 置数据，具体方式由j p l 决定 采用d e f a u l t 方式，硬件设计如图2 1 0 所示，当f p g a 的引脚d o n e 为 低电平时p r o mf l a s h 才有效，f p g a 加载完成后，引脚d o n e 被置为高电平， 配置指示灯d o n el e d 亮起，p r o mf l a s h 无效进入l o w - - p o w e r 模式。大多数 设计采用这种方式，f l a s hr e a d 方式在此不做详述。 f p g a p l a t f o mf l a s h m 0d n q 亡的 j d 0 m 1 i n i tb 0 e r e s e t m 2d o n ec e c c l k c l k i j p - u圭 7 u s ri o j j p 2 曩 d e f a u l t 模式 图2 10p l a t f o r mf l a s h 加载模式d e f a u l t 设定情况 1 9 22 u s b 通信扳硬件设计 “峤l j 匝f l _ 】板”j i i i ! q l t 柠；刚，匕、c f i l j ，苍片和u se 1 20 拙i 】“l 成，“控圳扳” “i ：s i i 迎f 二板”的寅物如旧2i i 所, r i 。 目2i i 控制板与u s f 化输板实物h 奉板佳月 u s b 20 接r i _ 计算机进行数据交互，数掘传输的实际速度哒到了 2 0 m b p s i 扎比无需f i 担心数据传输的瓶颈效应了。其功能主要包括完成上位机j 下位机的通信，指令下达和数据传输；并且把“信号采样扳”和“拄制板”进仃 硬件连接。 由j 碗什设计上的限制，“控制板”与“信号采样板”无法直接连接。们址 可以将“控制扳”利用插针与“u s b 通信板”相连，“u s b 传输扳”和“信号采 样板”! l ! | 通过9 6 针接插件在背板相连幽此实现“信吁采样板”和“d s p 控制 扳”的硬什连接，保证了d s p 、f p g a 之i u j 数据、控制信号的传输。 221u s b 20 接口简介 u s b 接口的典文仝称为u n i v e r s a ls e r i a lb u s ，中文名称为通用串行总线，1 9 9 8 年c o m p a q 、i n t e l 、m i c r o s o f i 等臣又摊h u s b l 【排议，儿传输谜度仪为1 2 m b p s 2 0 0 0 ；r - 型多厂商加入l & i 瞒盟，推了u s b 20 协议，使设缶之叫的数川 辅蚀 度埔加到了4 8 0 m b p s ，比u s b i 】柏准伙丁4 0 亿 右，i n 此i t 也尤需_ i l d 数n - ：通 行化输叫发乍瓶瑚! 效腑了。u s b 在使i j 上非常方便，l j r 以热插拔、枷、玳统 、埸 n 主接。仍儿均泌木身异常复杂，j 衄用系统丌发难度较高”1 。 第二章图像采集系统硬什i 殳计 u s b 协议规定，主机( h o s t ) 永远都是主控端，所有的命令发自主机，所有 插入主机u s b 接口的设备均为从设备，只等待并响应主机的命令。 u s b 协议支持控制传输、中断传输、块传输及同步传输等4 种传输类型。在 本系统中，上位机使用控制传输来发送命令，用块传输发送和接收数据。u s b 协 议保证控制传输和块传输数据的准确性。u s b 数据都封装成不同的数据包进行传 输，有令牌包、数据包、硬件握手包等，满足不同传输类型的需求。 端点( e n d p o i n t ) 是u s b 协议里的重要概念，是“数据源9 79 如图2 1 2 所示， 数据在主机的缓冲区和u s b 设备的端点之间双向传输。不同传输类型有各自的端 点，控制传输对应的端点为双向，其他传输类型对应的端点均为单向。另外，类 型不同包含的端点数量、大小不同，本系统所用u s b 2 0 芯片为c y 7 c 6 8 0 1 3 5 6 ， 块传输对应端点为4 个，大小为5 1 2 字节。 2