自动显微镜伺服控制系统的研制

2005年11月OPTICALTECHNIQUENov.　2005

文章编号:100221582(2005)0620803203　　

自动显微镜伺服控制系统的研制

萧泽新,孙安青,郝卫东

(桂林电子工业学院光机电一体化研究所,广西桂林　541004)

Ξ

摘　要:研制了基于AT89C2051单片机的自动显微镜伺服控制系统。该系统采用分布式监控方式,由PC机经RS-232通信接口向单片机发送数据和命令,通过微控制器驱动控制环节和执行环节来实现显微镜载物台在X方向和Y方

μm)和物镜的自动切换功能,能满足与医疗仪器主向上的二维运动(重复精度为±0.02mm),具有自动调焦(精度为0.5机配套的要求。该系统的研发不仅为显微镜的自动化作出了贡献,而且也将为提高我国显微镜的水平和行业的技术进步起到促进作用。

关

键

词:AT89C2051;自动显微镜;伺服系统

中图分类号:TH742　　　文献标识码:A

Developmentofautomaticmicroscopicalservocontrolsystem

XIAOZe-xin,SUNAn-qing,HAOWei-dong

(TheInstituteofOpto-mechatronics,GuilinUniversityofElectronicTechnology,Guilin　541004,China)

Abstract:TheautomaticmicroscopicalservocontrolsystembasedonAT89C2051singlechipiscompleted.Adistributedmonitorwasappliedtothissystem.ThedataandordersweresenttosinglechipbyPCthroughRS-232communicationinter2face.Thesystemcancontroltheplanarmovementofmicroscope’smechaniclstageinXandYdirection(repetitiveaccuracyis

μm)andautomaticswitchingofobjective,thecontrolsec2±0.02mm),ithasfuctionsofautomaticfocusing(precisionis±0.5

tionandadministersectionofturretaredrivedbymicro-controller.Thesystemcanmatchwithmedicalapparatus.

Keywords:AT89C2051;automaticmicroscope;servosystem

1　引　言

自动倒置显微镜是与尿沉渣分析仪主机配套的、可独立用来与医学科研和临床检验相结合的、集光机电算于一体的新型医用光电仪器。它可在临床检验中实现视频化、数字化、自动化、智能化,能高效、准确地进行检测。

该系统由光学系统(含有大视场长工作距离的平场物镜)、可实施自动调焦的三维数控伺服装置、由单片CPU控制的线性数字调光装置、精密机构和图像处理软件等组成。该系统的特点是:采用了国外高当显微镜使用的无限像距光学系统,分辨率高、成像清晰;具有大数值孔径超长工作距离平场物镜;具有大数值孔径长工作距离聚光镜;使用了计算机控制技术,能实现自动调焦、线性数字调光及自动图像处理。

自动控制伺服系统是实现显微镜自动化的关键技术。所研制的自动显微镜伺服系统借鉴了工业在

Ξ收稿日期:2004206229;　　　　　E2mail:emeoff@gliet.edu.cn

线分布式监控的四轴单动或四轴三联动的计算机数

控伺服系统。本文重点讨论了伺服系统的研发过程。

2　系统的组成及工作原理

研制的自动控制伺服系统是由PC机经RS-232通信接口向微控制器系统发送数据和命令,并通过微控制器驱动控制环节和执行环节。该系统具有如下功能:可对显微镜载物台在X轴和Y轴两个方向上的开环位移进行控制;可通过计算机图像的灰度值闭环控制物镜的上下移动,以实现自动调焦;物镜转换器可自动切换;通过载物台在X轴和Y轴两个方向上的二维移动,再加上在Z轴方向上的实时自动跟踪调焦,可实现对观察物(切片或培养皿)进行实时扫描,使整个观察过程能显示出清晰的图像;通过预先设定载物台的运动规则,使显微镜能按程序观察到规定的视场;通过快速接近(相当于粗调)或精细调节(相当于微调)两种方式可自动精确调焦和

作者简介:萧泽新(1943-),男,广西壮族自治区人,桂林电子工业学院机电与交通工程系教授,主要从事光机电一体化、光电精密测试技

术的研究。

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光　学　技　术　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第31卷

μm);单片机自动跟踪调焦(调焦精度≤0.5

控制电路和计数脉冲以及在X轴和Y轴两方向上的重复定位精度(±0.01mm)能满足医学临床检验的需要;可联网进行远程遥控显微镜,以利于医学学术交流或教学交流。伺服控制系统的原理框图如图1所示。图1中的虚线框是显微镜的伺服控制系统,它通过分布式微控制器系统网络来驱动显微镜平台的精确运动,具有自动精确调焦和自动跟踪调焦的功能。

由CCD采集到的图像经图像采集卡送入计算机,PC机根据算法分析当前图像的清晰度。若图像不是最清晰的,则PC机通过RS-232通信端口发送调焦命令送给微控制器系统,微控制器系统把相应的控制信号传送给Z轴调焦电机,由Z轴调焦电机推动调焦机构做相应的运动,从而改变图像的清晰度。如此反复的由PC机与伺服系统共同作用,直至找到图像最清晰的位置为止,从而完成自动精确调焦的全过程。

由PC机发送命令,通过控制X轴和Y轴步进电机的运动可改变观察视场。在改变视场的过程中,PC机自动跟踪图像的清晰度,以保证物镜处于最佳成像位置。

图1　伺服控制系统原理框图

下,其最小精度为0.9°。将所输出的四相八拍信号经ULN2803放大后驱动步进电机。单片机把脉冲信号CLK、方向信号FAW提供给GAL16V8引脚。

在分布式监控网络中,由于PC机提供的通信电平与单片机串口电平不一致,所以在它们之间采用了RS-232电路进行电平转换,一般采用MAX232芯片进行转换,将±12V电平转换成标准的TTL电平。

4　伺服系统的软件设计在伺服系统软件设计过程中,采用了模块化设计思想。把设计过程分成两个模块:电机运动控制系统程序模块;分布式监控网络通信模块。

在电机运动控制系统程序模块中,主要形成对电机运动的多个命令数据。主要有如下的控制命令:在X轴单片机控制系统中,慢速左移N步,慢速右移N步,快速左移N步,快速右移N步;在Y轴

3　伺服控制系统的硬件设计

在显微镜伺服系统中,硬件主要由三部分组成:电机驱动控制系统;显微镜光源自动控制系统;分布式监控网络系统。如图2所示。为了保证所有的控制系统既可单独工作,又可同时工作的要求,采用了多单片机组成的分布式通信网络,通过RS-232通信接口,直接接受PC机的统一管理。考虑到成本问题,选用了性价比很高的AT89C2051单片机I/O端口以及可以在PC机上进行通信的UART通信端口。在电机驱动控制系统中,用四个步进电机分别控制显微镜载物台在X轴和Y轴方向上的平面运动、在Z轴方向上的调焦以及物镜的选择。每一个步进电机用一个AT89C2051单片机来单独管理其运行状态以及移动的位置。其驱动环节电路框图如图2所示。

为了使位移精确,在步进电机驱动电路中,采用GAL16V8芯片译码输出,使步进电机工作在四机八拍状态804

图2　显微镜伺服系统驱动执行环节框图

图3　X轴单片机控制系统程序框图

第6期萧泽新,等:　自动显微镜伺服控制系统的研制

单片机控制系统中,慢速前移N步,慢速后移N步,

快速前移N步,快速后移N步;在Z轴单片机控制系统中,慢速上移N步,慢速下移N步,快速上移N步,快速下移N步;在物镜切换单片机控制系统中,顺时针转动90°,逆时针转动90°。以X轴步进电机控制系统程序为例,给出了其程序框图(图3)。在分布式监控系统通信网络软件设计过程中,以PC机为主机,单片机为分机,为了保证每台单片机能与PC机有序地通信,在系统网络中定义了一个通信协议,其通信协议规则如表1所示。

表1　通信协议规则

SYNCDATA1

HCD1DATA2

HCD2DATA3

DABDATA4

SABCHSUM

COMD

5　自动调焦系统

自动调焦系统为本系统的核心。由PC机进行

软件算法处理,伺服系统配合PC机做相应的运动。

自动调焦系统的软件系统由两部分组成:自动调焦的图像算法处理;PC机与微控制器系统的通信处理。

在自动调焦的图像算法处理中,采用了深度与对比度相比较的面扫描图像处理算法。

由于CCD采集到的图像是全彩色图像,图像的大小为320×320pixel,若对其进行全部处理,则整个自动调焦过程的速度会变得很慢,为了提高自动调焦的速度,取其图像的一部分来进行处理。在实验过程中,选取图像中央的60×60pixel的图像作为自动调焦的对象。首先将全彩色图像转化为0～255级的灰度图像,利用自动调焦的图像处理算法

　　表1所形成的通信协议组成了一个数据帧,并在通信网络中传输,以保证通信的可靠性。在表1中,SYNC,HCD1,HCD2为同步头,分别用54H,5AH,5BH三个字节组成24位数据流,以提高通信时的抗干扰能力。DAB为目的地址,一个字节,地址从1到FEH,共254个地址,地址0不用,用FFH表示广播地址。在本系统中,有5个单片机,其地址号从01H到05H。SAB为源地址,一个字节,只有一个主机,故SAB取01H。COMD为命令字,最多可表示255个命令,用在本系统中已经足够了。DATA1～DATA4为四个字节的数据。CHSUM为一帧数据的校验码,一个字节,在本系统中采用的是校验和的方式。

在通信过程中,由PC机(上位机)发送一数据帧给单片机(下位机),在单片机接收到一帧数据之后,根据本身的地址来分析当前数据帧是否为自己所接收的数据帧,若是则接收进来,否则放弃该数据帧,准备接

收下一数据帧。

为了保证单片机能及时地处理数据帧,单片机所接收

的数据帧全部放在图4　单片机通信中断服务程序单片机的串行口中

断完成,其程序框图如图4所示。

计算出当前图像的灰度值R1,并与上次取得的图像的灰度值R0进行比较,若R1>R0,则PC机发出聚焦命令,并传送给微控制器系统,使图像的清晰度更换一次;然后再通过PC机取得当前图像,并进行比较,直至找到最清晰的图像为止。自动调焦过程的程序框图如图5所示。

图5　自动调焦程序流程图

自动调焦算法采用的是VisualBasic6.0程序

设计。在程序设计过程中,用PictureBox控件采样一幅图像,并把其编写成为一个(CalcHuiDuFunc)子程序。

PC机和微控制器通信程序的设计采用的是PC机的串行口Com1或Com2来完成的,软件的设计过程使用了Windows自带的Mscomm控件。该控件集成了串口发送与接收的所有资源。在使用之前,要对Mscomm控件的一些属性进行设置。

6　显微工作台重复精度的测量

用百分表(精度为0101mm)对工作台两个方向

(下转第808页)

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光　学　技　术　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第31卷

不垂直,则会出现的情况有(图1):在入射端,当光线的入射方向和倾斜断面的法线方向在光线轴的同一侧时,其数值孔径为

α+n2sinβn21sinNA=

n1-sinβ

2

2

璃的腐蚀很小,利于提高抛光效率。如果抛光液连

续使用的时间过长,其pH值将上升呈碱性。为此,在磨抛过程中,根据玻璃的特点选用了不同的磨盘材质和磨料组成。在抛光液中加入添加剂,如Re2Cl6H2O,CeCl37H2O,NdCl36H2O等,都会使弱碱性溶液恢复至中性和弱酸性。在磨抛后期,一般采用软质的抛光盘,选用优质毛毡对光纤端面进一步抛光。另外,抛光后的光学玻璃纤维端面留有大量不饱和的化学键,具有很高的活性,极易吸收水分等杂质,并与之发生反应,影响端面质量。光纤抛光后应立即用无水的乙醇、乙醚混合液擦拭干净,并在红外灯下烘干,也可以涂上有机硅增水层。烘干固化后再涂上保护漆[4]。作者制备了长为300,459,1300mm的传像束,其透过率分别达到了54%,49%和45%。

综上所述,光学纤维的端面反射是影响光纤透过性能的重要因素之一,而光纤传像束端面的加工过程对其透光性有着直接的影响。因此,通过对光纤传像束端面的加工过程进行控制和对光纤端面进行涂层等处理可改善光纤的透光性能。参考文献:

[1]曹志峰.特种光学玻璃[M].北京:兵器工业出版社,1993.[2]王承遇,陶英.玻璃表面和表面处理[M].北京:中国建材出版

式中:n1和n2分别为纤芯和皮层的折射率;α和β分别为接收角和倾斜角。上式说明,若要接受入射角为β的光线,则数值孔径要大于正常端面的数值孔径。当光线的入射方向和倾斜端面的法线分别在光线中心轴的两端时,其情况正好与上式相反。同样,光线出射端面的倾斜也引起出射光线角度的变化,使得光的出射光锥偏转[3]。因此,在对光纤传像束端面进行磨抛时,一定要保证其端面与光纤中心轴的垂直性。为此通过采用自制的夹具严格的保证了在磨抛过程中端面与光纤中心轴的垂直性。

此外,光学纤维玻璃的化学稳定性、硬度都会影响研磨后的光纤端面的表面质量。总的来说,化学稳定性好的、硬度大的玻璃,磨光后易获得好的表面质量。磨具和磨料的选用以及研磨时间的长短都对研磨质量有影响,从而影响光纤的透光性能。光学玻璃在抛光过程中的腐蚀主要是受抛光液的酸、碱性的影响。抛光下盘后会受到周围潮湿空气及酸性气体等因素的影响。　5.3　抛光液酸碱性的控制根据纤维光学玻璃的化学性质极其在抛光过程中化学作用的基本特点,酸性或中性的抛光液对玻(上接第805页)

社,1993.

[3]徐明泉,等.光线传像束的特点[J].光纤与电缆及其应用技术,

1998,(6):35.

[4]侯瑞祥,阮兆龄.ZK、ZF、ZBaF、LaK光学玻璃的腐蚀与防护[J].

光学技术,1999,(3):41—43.

01011mm,满足了精度要求。

的重复定位精度进行了测试。首先将工作台某一位

置进行零点标定,并向一个方向给出一定步数的脉冲,然后再返回相同的步数,记录与零点的偏差,重复进行10次,计算这一步数的重复定位误差。在X轴方向取114mm(35步),218mm(70步)和418mm(120步),在Y轴方向取112mm(30步),214mm(60步)和410mm(100步)。计算结果是:在X方向上的标准偏差分别为σ1=01018mm,σ2=01025mm和σ3=01032mm,平均标准偏差σx=01025mm;在Y方向上的标准偏差分别为σ1=01009mm,σ2=01014mm和σ3=01023mm,平均标准偏差σy=01015mm。在X轴方向上的重复误差分别为Δx1=01016mm,Δx2=01019mm,Δx3=01026mm;在Y轴方向上的重复误差分别为Δy1=

Δy2=01010mm,Δy3=01017mm。01006mm,

测试结果表明,显微工作台在X和Y方向上的重复定位误差分别为Δx=01020mm,Δy=808

7　结　论

该伺服控制系统具有效率高、体积小、启动和运动平稳、噪音小、与主机配合良好和硬件成本低等优点,可通过改变单片机程序来改变显微镜载物台的运动方式,有良好的柔性。本系统的研发不仅为显微镜的自动化提供了一个成功的方案,而且也将为提高我国显微镜的水平和行业的技术进步起到促进作用。参考文献:

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