ARM嵌入式系统在纳米操作系统中的应用研究

近年来，随着微纳米科技的迅速发展，机电产品有望向更微观化、高性能化发展，这将促进材料、制造、电子、生物医学、信息等领域新的科学技术出现，在新的科学技术层次上为可持续发展的理论提供物质和技术保障。微纳米科技最终目标是研究和发现微纳尺度物质所具有的新颖的物理、化学和生物学现象与特性。并以此为基础来设计、制作、组装成新的材料、组件或系统，实现与之相应的特定功能，促进新的科学技术发展与变革，这无疑具有十分重要的科学意义和经济价值。而实现这个目标的使能技术便是微纳米尺度下观测、操作和装配的科学方法与相关的技术和装备，因此开展微纳米操作研究具有特别重要的意义。微纳米操作是微纳米制造科学技术的重要内容之一，使用探针模式的机器人化微纳操作方法，实现在微纳米尺度物体的可控操作，对促进我国微纳米科学技术发展具有特别重要的意义。 目前已有的基于探针的纳米技术装置如SPM (Scanning Probe Microscope)是基于探针模式的纳米观测基本装置。在此基础上研究发展的基于探针的纳米操作已成为纳米科技研究的新领域，是目前世界上各国正在大力开发的前沿研究课题。但目前市场上的SPM等纳米观测设备缺乏驱动控制与信息交互功能和开放界面，限制了用户在此基础上开发纳米操作、装配等功能的能力，因而研究具有信息交互能力的、可进行在线操作控制与宏-微-纳观信息交互的纳米操作监控系统，进而发展成具有自动化/机器人化功能的纳米作业系统队纳米科学技术发展、纳米制造的实现无疑具有重要意义。本论文的科研内容是以面向纳米制造的机器人化系统为研究背景，在自主技术的基础上，开展应用ARM嵌入式系统构成纳米作业系统的实时控制器研究。实时多任务的操作控制系统是纳米作业系统的核心技术，可以实时进行基于探针的传感信息采集、状态反馈控制、形貌观测数据生成、作业运动轨迹生成、位置反馈控制等功能的数据处理与实现。本论文重点介绍以SAMSUNG公司的ARM9处理器芯片S3C2410为嵌入式控制器系统的核心，在移植嵌入式Linux作为操作系统的基础上，开发具有实时数据采集与控制指令、通信功能的人机交互界面。基于ARM的实时控制器的研究为探针模式的纳米观测与操作系统开发提供了关键技术，可以提供开放的AFM系统，促进操作型纳米系统的研究与实现，可以保证纳米观测与操作控制的实时性，可以为纳米作业控制方法提供方便的编程、开发功能。本论文主要研究了面向纳米作业的基于ARM嵌入式实时控制器硬件结构及软件系统的研究与开发过程。首先介绍嵌入式系统的基本概念和特点；其次介绍基于SPM模式的纳米操作系统性能与技术特点；第三，根据纳米作业系统的技术功能要求，详细介绍了具有实时多任务管理功能的硬件系统的设计，重点解决核心板和扩展板各部分功能模块的设计；第四，详细介绍了嵌入式Linux操作系统下的应用程序开发模式及开发过程；最后，详细介绍了嵌入式Linux操作系统下的应用程序开发，主要工作是完成SPM纳米操作系统中的ARM开发平台的功能接口模块的调试及Linux系统下多线程技术在本系统中的应用。本次毕业设计已完成ARM开发平台在整个SPM纳米操作系统中要实现的各个功能模块，结合SPM纳米操作系统的实时性问题，进行了ARM开发平台的系统软件架构分析和利用多线程技术的以太网通信实验，在一定程度上提高了纳米操作系统中的实时性和成像质量。