Übersicht über die Applikation

Diese Realisierung des Rastertunnelmikroskop ist möglichst autark und unabhängig von äußerer Hardware und Software gestaltet. Die Bedienung des Mikroskop erfolgt direkt an dem Computer. An diesem können alle wichtiges Parameter für den Scan eingestellt und selbiger ausgeführt werden. Auch werden die Ergebnisse des Scans zusätzlich zur Speicherung auch in einer Vorausschau angezeigt. Da es ja zwei verschiedene Versionen für die Realisierung gibt - bei der einen wird ein ESP32 im M5-Stack, bei der anderen ein STM32F407 als Computer verwendet - ergeben sich auch zwei unterschiedliche Softwares. Auf dieser Seite wird erklärt, wie die Software bedient werden kann und welche Veränderungen der Benutzer an dem Computer einstellen kann. Eine Anleitung zur Installation der Software auf dem Computer findet sich auf der Seite Installation.

Aufbau mit dem STM32F407

Nach dem Einschalten des Boards muss der Touch TFT kalibriert werden. Hierzu sind nacheinander die vier Ecken an den anzeigten Stellen zu berühren. Erst danach erscheint der Hauptbildschirm (Bild 8).

Startbilschirm STM32F407

Auf der linken Seite wird der ADC-Wert in Bits und als ADC-Spannung angezeigt. Darunter der zugehörige Tunnelstrom. Auf der rechten Seite wird der DAC-Wert und die zugehörige DAC Spannung für die Z-Komponente dargestellt. Eine Balkenanzeige rechts unten zeigt, wie weit die Spitze nach unten gefahren ist. Ist die Spitze komplett ausgefahren oder komplett zurückgezogen, sind die Grenzen der Dynamik erreicht.

• Button „Einstell“

Einstellungsmodus STM32F407

Mit dem Button „Einstell“ können die relevanten Parameter eingestellt werden. Diese sind: Reglerverstärkung und Nachstellzeit für den PI-Regler, Sollwert des Tunnelstroms und die Scanbreite (Piezoauslenkung je Pixel). Zuletzt lässt sich noch mit dem Button Modus das Fehlersignal des PI-Reglers logarithmieren. Dies ist jedoch nicht notwendig, da im normalen Betrieb die Regelung im Kleinsignalbereich als Linear angenommen werden kann. Die Parameter des PI-Reglers können nur dekadisch ausgewählt werden, um möglichst schnell und einfach eine stabile Regelung durch Probieren zu erreichen.

• Button „Finde Probe“

Mit dem Button „Finde Probe“ wird die Regelung eingeschaltet, und ein PI-Regler mit einem Sampleintervall von 1 ms versucht den Sollwert des Tunnelstroms zu halten. Der ADC schafft die 1 ms nicht ganz (max. 860 kS/s), so dass ggf. zeitweise bei zwei Samples die gleichen Messwerte abgefragt werden. Die Anzeigeleuchte „Regelung aktiv“ leuchtet grün wenn der PI-Regler aktiviert ist.

• Button „SCAN“

Scanmodus STM32F407

Mit einem Druck auf den Button „SCAN“ wird das SCAN-Fenster geöffnet. Hier lässt sich mit dem Button „USB“ zusätzlich die Übertragung der einzelnen Werte (X-Position,Y-Position,Z-DAC-Wert,Tunnelstrom) über USB übertragen. Der auf dem mikromedia Shield(!) verwendete FT232 stellt hierzu am PC einen virtuellen COM-Port mit 460800 Baud zur Verfügung. Mit einem Druck auf den Button „START“ wird der Scan gestartet. Es wird abwechselnd von links nach rechts und von rechts nach links gescannt. Die Scanbreite beträgt 200 Pixel in X- und Y-Richtung. Wenn der Scan fertig ist, beginnt direkt ein neuer Scan. Mit „STOPP“ kann der Scan jederzeit abgebrochen werden.

Aufbau mit dem M5-Stack

Die Bedienung des RTMs erfolgt über den M5Stack. Im Displaymenü können mit der linken oder rechten Taste die Menüpunkte durchgeblättert werden. Grundsätzlich sind für alle Parameter Standardwerte hinterlegt, die nach Belieben angepasst werden können. Um einen Wert zu verändern wird der Parameter mit der mittleren Taste ausgewählt. Nun lässt sich der Wert mit den linken und rechten Tasten verringern bzw. erhöhen und anschließend mit der mittleren Taste bestätigen. Dabei erfolgt eine Rückkehr ins Hauptmenü, wo der übernommene Wert angezeigt wird.

• Bedienung über einen Webserver

Eine alternative Einstellmöglichkeit bietet der Webserver. Die Parameter für den Scan können dabei bequem mit beispielsweise einem Smartphone über einen Webserver eingestellt werden. Über das WLAN Modul des M5Stack kann einfach eine Verbindung mit „rtm_ap“ hergestellt werden. Das zum Verbinden nötige Passwort lautet: „1234abcd“.
Anschließend öffnet man den Webbrowser und gibt in der Adresszeile die IP Adresse 192.168.4.1 ein. So gelangt man auf eine Seite mit allen Parametern, die in den zugehörigen Zeilen abgeändert werden können.
Es ist zu beachten, dass die Datei nur im Webserver umbenannt werden kann. Dabei muss stets das Schema „/<<Dateiname>>.csv“ eingehalten werden. Andernfalls wird die Messung unter „/default.csv“ gespeichert und bei jedem Scan überschrieben. Der aktuelle Dateiname wird im Menü unter dem Punkt „Filename“ angezeigt.

• Scanen
  

Sobald alles richtig eingestellt ist, kann unter dem Menüpunkt "Start Scan" eine Aufnahme der Probe mit der mittleren Taste gestartet werden.

• Auswertung des Scans
  

Nach Abschluss des Scans lässt sich dieser mit der im Menü enthaltenen Funktion "Display Results" grafisch darstellen.
Dazu wird anfangs eine Legende eingeblendet, die Aufschluss über den erfassten Datenbereich gibt. Sie teilt die ermittelten Werte für die Z-Höheneinstellung in acht gleich große Bereiche auf und weist für eine leichtere Interpretation jedem eine Graustufe zu. In der grafischen Darstellung wird die farbliche Abstufung der Legende um jeweils 3 weitere Nuancen pro Bereich erweitert, um durch die nun insgesamt 32 Graustufen ein präziseres Bild zu erhalten. Dabei gilt zu beachten, dass die Auflösung des Displays trotzdem nur eine stufenartige Darstellung der Werte ermöglicht und ein eigentlich sanfter Übergang zwischen zwei Bereichen als harter Farbsprung angezeigt wird.
Zur grafischen Darstellung des Tunnelstroms gelangt man durch erneutes Betätigen des mittleren Tasters. Ist die Grafik analysiert kann auf gleiche Art wieder in das Hauptmenü zurückgekehrt werden.
Die Werte werden außerdem zur weiteren Auswertung am Rechner auf der eingesteckten microSD-Karte in einer CSV-Datei gespeichert. Dabei handelt es sich um ein Dateiformat, das von vielen Programmen, wie z.B. Excel, eingelesen werden kann. Darin enthalten sind jeweils X-Wert, Y-Wert und der Z-DAC-Wert für alle Messpunkte. Je Punkt wird eine neue Zeile begonnen, die die drei durch Strichpunkte voneinander getrennten Werte enthält. Damit lässt sich beispielsweise eine bessere farbliche Abstufung der Messwerte realisieren, die den Höhenverlauf weniger sprungartig darstellt.