光学显微镜聚焦系统设计.pdf

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1、第11期卢洋等．光学显微镜聚焦系统设计光学显微镜聚焦系统设计卢洋鄢志丹崔芳芳夏伯锴(中国石油大学(华东)信息与控制工程学院，山东青岛266580)摘要在对普通光学显微镜进行改装的基础上，设计了一套可以通过LabVIEW程序进行控制的显微镜聚焦系统，不仅可以提高聚焦的速度与精度，还可以消除手动聚焦带来的振动干扰。详细阐述了系统的硬件结构和控制软件思路。关麓词聚焦系统光学显微镜步进电机步进电机驱动中圈分类号TH742文献标识码A文章编号1000-3932(2013)11-1399-05光学显微镜作为一种应用广泛的光学仪器，已经应用于生物学、医学、地质学

2、及化工学等各领域中。在用显微镜对样本进行观察时，如果仅仅依靠手动聚焦，不但聚焦效率低下，而且极易引人人为振动干扰造成成像误差。鉴于此，众多科研机构开发了各式各样的自动式显微镜聚焦技术，以提高成像系统的聚焦性能¨订】。笔者在开展基于荧光显微成像分析有机分子表面动力学研究项目的过程中，对荧光显微镜的自动聚焦也提出了新的需求，不仅需要设计出一套手动、自动一体的操控灵活的聚焦硬件系统，而且还要依据有机分子生长的荧光显微图像实际特征，探索一种行之有效的无参考型图像质量评价算法与快速的聚焦面搜索机制。在近一年的努力中，研制完成了具有手动、自动功能的荧光显微镜聚

3、焦硬件系统，图像算法及与该硬件系统的无缝连接也在文章中进行了阐述。1系统概述图1为显微镜聚焦系统框图，该系统主要由计算机、单片机、USB摄像头及步进电机等组成。计算机通过单片机控制步进电机的运动实现对显微镜z轴的聚焦操作Hj。系统工作时，首先由USB摄像头采集图像并传输至计算机，而后依据相应的图像处理算法对图像的清晰度进行评价，判断出当前样品位置与焦面的相对位置后，利用串口将控制指令发送给单片机，以控制步进电机的步进角度、行进速度和行进方向，进而通过传动装置调节显微镜Z轴的位置，以达到聚焦的目的‘¨1。呈重量P厂丽传动装置H步进电机H步进电机驱动图

4、1显微镜聚焦系统框图2机械和电路设计2．1机械结构设计聚焦系统的执行机构三维结构如图2所示。支接套图2执行机构三雏示意图执行机构的主要部件有连接套、步进电机、弹性联轴器、调节旋钮、支柱及底座等。连接套一端通过弹性联轴器与步进电机相连，另一端套接于收稿日期：2013-05-13(修改稿)基金项目：国家自然科学基金青年基金资助项目(11104354)；青岛市科技发展计划项目(12-1-4-7一(5)-jeh)化工自动化及仪表第40卷显微镜微调旋钮上，用于传递电机扭矩，实现显微镜z轴升／降控制。依据丝杆传动原理，通过旋转调节旋钮可改变步进电机纵向位置，以

5、与不同高度的显微镜微调旋钮匹配。2．2控制电路设计系统下位机硬件整体结构如图3所示。5V图3下位机系统硬件结构下位机以MSP430F5438单片机为控制核心¨’9。，通过RS232串行口接收从上位机发送的控制指令，并解释指令完成相应的操作；同时再通过串行口向上位机发送步进电机的状态信息。该聚焦系统的特点是预留了操作手柄，在自动聚焦结果不理想或者特殊情况下，可供操作人员进行手动聚焦。下位机采用DM320C驱动器控制35HS01步进电机，其控制信号时序如图4所示。图4DM320C时序为避免一些误动作和偏差，PUL(脉冲)、DIR(方向)和ENA(使能)

6、应满足一定要求：ENA应提前DIR至少5斗s，确定为高；DIR至少提前PUL下降沿5恤s并确定其状态高或低；脉冲宽度至少不小于7p,s；低电平宽度不小于7p,s。DM320C驱动器采用单端共阳接口电路，如图5所示，利用NPN三极管集电极开路方式输出控制信号。当VCC=24V时，R=2kQ，且其功率应大于1／8W；而当VCC=5V时，R可去掉。控制器驱动器PUL+270n脉冲信号RPUL一库革，Ll一—飞DIR+270n门L7方向信号RDIR一厍军，II—●～ENA+270n，7b便能信号RENA一——厍千，LJ-。j'门b图5共阳极输入接口电路3控

7、制软件设计光学显微镜聚焦系统控制软件包括运行于单片机上的控制程序和运行于PC机上的LabVlEW主控台程序，二者通过串口通信互联。特别地，步进电机不仅可以通过LabVlEW程序控制，还可以用手柄直接操作，实现正／反转及加减速等。3．1步进电机步距角计算方法步进电机转速与驱动器细分数的关系可表示为‘101：y=罴㈩式中m——细分数；P——脉冲频率，Hz；y——电机转速，r／s；0。——电机固有步距角，其值为I．80。依据DM320C细分参数表(表1)，实际运行时，设定m=4，则步进电机的步距角0为：一=360／(4×200)=0．45。(2)即每收到

8、一个驱动脉冲，步进电机转动0．450。已知步进电机转动一周，显微镜z轴运动0．1mm，所以步进电机每转动一个0角度，显微镜