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顯微鏡平臺(tái)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2014-11-07 21:23康軍
科技資訊 2014年18期
關(guān)鍵詞:顯微鏡

康軍

摘 要:在顯微鏡應(yīng)用領(lǐng)域中,具有自動(dòng)控制功能的顯微鏡平臺(tái)發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。本文介紹了一種高性能的顯微鏡平臺(tái)控制系統(tǒng),該系統(tǒng)基于ARM處理器LPC2146和運(yùn)動(dòng)控制芯片MCX314,使用高精度光柵作為位置檢測(cè)元件,通過PID算法實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。其性能和可靠性達(dá)到了實(shí)際應(yīng)用的要求,具有較高的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞:顯微鏡 LPC2146 MCX314

中圖分類號(hào):TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1672-3791(2014)03(b)-0009-02

光學(xué)顯微鏡是一種顯微目標(biāo)成像、測(cè)量的儀器,廣泛應(yīng)用于生物學(xué)、材料檢驗(yàn)、電子元件性能檢測(cè)和分析等各個(gè)領(lǐng)域。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)字成像技術(shù)在顯微鏡領(lǐng)域的應(yīng)用,人們對(duì)顯微鏡自動(dòng)成像、自動(dòng)化測(cè)量的要求越來(lái)越高。本文介紹了一種高性能的顯微鏡平臺(tái)自動(dòng)控制系統(tǒng),該系統(tǒng)通過RS232與計(jì)算機(jī)通訊,可在計(jì)算機(jī)控制下實(shí)現(xiàn)掃描拼接、三維重建掃描、自動(dòng)聚焦等功能,大大降低了顯微鏡人工操作的勞動(dòng)強(qiáng)度。

1 ARM處理器LPC2146

ARM處理器是目前廣泛采用的32位處理器,基于ARM技術(shù)的微處理器應(yīng)用約占據(jù)了32位RISC微處理器75%以上的市場(chǎng)份額。顯微鏡平臺(tái)控制系統(tǒng)要求響應(yīng)速度快、控制精度高,傳統(tǒng)的8位單片機(jī)已經(jīng)難以滿足要求。本系統(tǒng)采用了32位ARM7處理器LPC2146作為控制系統(tǒng)的CPU,LPC2146具有32K SRAM和256K FLASH高速存儲(chǔ)器,USB2.0接口,多個(gè)UART、SPI、SSP和I2C總線接口,多個(gè)32位定時(shí)器、PWM、45個(gè)高速GPIO口以及多達(dá)9個(gè)外部中斷管腳,其硬件資源滿足顯微鏡平臺(tái)控制系統(tǒng)的要求。

2 電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制

顯微鏡平臺(tái)控制系統(tǒng)由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng),共有3個(gè)電機(jī)軸,控制顯微鏡載物臺(tái)水平方向(X、Y軸)和垂直方向(調(diào)焦Z軸),3軸可同時(shí)運(yùn)行。電機(jī)驅(qū)動(dòng)脈沖頻率最高為150 kHz,電機(jī)啟停有加減速控制,防止高速啟動(dòng)丟步和急停時(shí)的震動(dòng),每軸可設(shè)置不同的加速度和速度。光柵位置檢測(cè),以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制,光柵精度±1 μm,分辨率0.1 μm。LCD顯示屏及按鍵,顯示相關(guān)信息并允許用戶通過按鍵手動(dòng)操作顯微鏡平臺(tái)??刂葡到y(tǒng)可連接計(jì)算機(jī)工作,采用RS232通訊。

本系統(tǒng)采用運(yùn)動(dòng)控制芯片MCX314實(shí)現(xiàn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制,電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不需要CPU干預(yù),能夠保證電機(jī)運(yùn)行更平穩(wěn),也使得CPU有更多時(shí)間處理其他任務(wù)。MCX314可控制4軸電機(jī),通過命令、數(shù)據(jù)和狀態(tài)寄存器,可實(shí)現(xiàn)位置、速度、加速度等的運(yùn)動(dòng)控制和實(shí)時(shí)監(jiān)控,輸出脈沖頻率達(dá)4MHz,每軸都有伺服反饋輸入端、4個(gè)輸入點(diǎn)和8個(gè)輸出點(diǎn),并有2個(gè)32位的光柵位置計(jì)數(shù)器和狀態(tài)比較寄存器,可用于電機(jī)位置閉環(huán)控制。

3 電路設(shè)計(jì)

顯微鏡平臺(tái)控制系統(tǒng)電路主要由以下幾部分組成:CPU LPC2146、運(yùn)動(dòng)控制芯片MCX314、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、電源、復(fù)位和EEPROM電路、LCD和按鍵,原理框圖如圖1所示。

顯微鏡平臺(tái)控制系統(tǒng)可通過鍵盤或計(jì)算機(jī)(RS232)控制,可設(shè)定電機(jī)運(yùn)動(dòng)速度、方向、加速度等運(yùn)動(dòng)參數(shù),可獲取當(dāng)前電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)及其他相關(guān)信息。RS232串口通訊由LPC2146實(shí)現(xiàn),采用中斷模式,串口有數(shù)據(jù)時(shí)引發(fā)中斷,LPC2146在中斷處理程序中讀出數(shù)據(jù)并存入緩沖區(qū),主程序判斷緩沖區(qū)中接收到完整控制命令幀后,就對(duì)命令進(jìn)行解析,并控制相應(yīng)的電機(jī)執(zhí)行動(dòng)作。

LPC2146通過數(shù)據(jù)、地址總線設(shè)置MCX314命令和數(shù)據(jù)寄存器,MCX314按照設(shè)定的參數(shù)控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn),處理加減速、限位開關(guān)觸發(fā)檢測(cè)、光柵計(jì)數(shù)等操作,無(wú)需CPU管理,使CPU有更多時(shí)間處理其他任務(wù)。MCX314的中斷信號(hào)接至LPC2146外部中斷輸入腳,MCX314在電機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化或出現(xiàn)異常時(shí)會(huì)觸發(fā)中斷,CPU響應(yīng)此中斷就能夠及時(shí)獲取運(yùn)行情況,并執(zhí)行相應(yīng)操作,使系統(tǒng)具有較高的響應(yīng)速度。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用TB62209F驅(qū)動(dòng)器,支持電流衰減設(shè)置、輸出使能控制、輸出力矩設(shè)置,最大驅(qū)動(dòng)電流為1.8 A,支持16細(xì)分驅(qū)動(dòng)。顯微鏡平臺(tái)采用0.9°步距角的步進(jìn)電機(jī),16細(xì)分后步距角約為0.056°。X、Y軸絲杠導(dǎo)程為1 mm,則細(xì)分后最小運(yùn)動(dòng)步長(zhǎng)約為0.15μm。調(diào)焦Z軸絲杠導(dǎo)程為0.5 mm,細(xì)分后最小運(yùn)動(dòng)步長(zhǎng)約為0.078μm。一般顯微鏡配置的最高倍物鏡為100X,其景深約為0.6μm,0.078μm最小步長(zhǎng)滿足了顯微鏡系統(tǒng)調(diào)焦的要求。

4 控制程序設(shè)計(jì)

顯微鏡平臺(tái)控制系統(tǒng)程序基于μCOS-II系統(tǒng),μCOS-II是具有任務(wù)優(yōu)先級(jí)的搶占式多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。本系統(tǒng)分為5個(gè)任務(wù):主任務(wù)、LCD及鍵盤處理任務(wù)和3個(gè)電機(jī)控制任務(wù)(對(duì)應(yīng)顯微鏡的3個(gè)驅(qū)動(dòng)軸)。主任務(wù)具有最高任務(wù)優(yōu)先級(jí),能夠快速響應(yīng)用戶控制命令,其主要功能是串口通訊管理及控制命令的解析。3個(gè)電機(jī)控制任務(wù)分別管理3個(gè)電機(jī),相互獨(dú)立運(yùn)行。顯微鏡對(duì)平臺(tái)定位精度有較高要求,尤其是調(diào)焦軸,由于高倍物鏡景深很短(0.6 μm),定位精度直接影響圖像清晰度,因此控制系統(tǒng)在電機(jī)控制任務(wù)中采用應(yīng)用廣泛的PID控制算法,利用光柵進(jìn)行位置檢測(cè),實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。PID參數(shù)可通過RS232命令設(shè)置調(diào)整,并存儲(chǔ)在EEPROM中,系統(tǒng)上電時(shí)自動(dòng)讀出并應(yīng)用。LCD及鍵盤處理任務(wù)負(fù)責(zé)人機(jī)界面交互,顯示相關(guān)狀態(tài)信息,檢測(cè)并執(zhí)行用戶的按鍵操作。此外還有兩個(gè)中斷處理程序,負(fù)責(zé)管理串口中斷和MCX314中斷,及時(shí)接收串口命令并處理電機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化??刂葡到y(tǒng)軟件架構(gòu)如圖2所示。

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)顯微鏡應(yīng)用的發(fā)展需求,設(shè)計(jì)了顯微鏡平臺(tái)自動(dòng)控制系統(tǒng)。其硬件電路以ARM處理器LPC2146和運(yùn)動(dòng)控制芯片MCX314為核心,實(shí)現(xiàn)了電機(jī)控制、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、LCD顯示和鍵盤管理、光柵計(jì)數(shù)等功能。軟件基于μCOS-II嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng),并通過PID算法結(jié)合光柵反饋實(shí)現(xiàn)顯微鏡平臺(tái)的閉環(huán)控制。通過實(shí)際測(cè)試,該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠,能夠較好滿足顯微鏡平臺(tái)的控制要求。以此控制系統(tǒng)為硬件平臺(tái),配合不同的上位機(jī)軟件,可實(shí)現(xiàn)各種不同的應(yīng)用,具有很高的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] LPC214x User Manual[Z].NXP Semiconductors,2010.

[2] MCX314 User Manual[Z].NOVA electronics,2012.

[3] μC/OS-Ⅱ中文使用手冊(cè)[Z].endprint

摘 要:在顯微鏡應(yīng)用領(lǐng)域中,具有自動(dòng)控制功能的顯微鏡平臺(tái)發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。本文介紹了一種高性能的顯微鏡平臺(tái)控制系統(tǒng),該系統(tǒng)基于ARM處理器LPC2146和運(yùn)動(dòng)控制芯片MCX314,使用高精度光柵作為位置檢測(cè)元件,通過PID算法實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。其性能和可靠性達(dá)到了實(shí)際應(yīng)用的要求,具有較高的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞:顯微鏡 LPC2146 MCX314

中圖分類號(hào):TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1672-3791(2014)03(b)-0009-02

光學(xué)顯微鏡是一種顯微目標(biāo)成像、測(cè)量的儀器,廣泛應(yīng)用于生物學(xué)、材料檢驗(yàn)、電子元件性能檢測(cè)和分析等各個(gè)領(lǐng)域。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)字成像技術(shù)在顯微鏡領(lǐng)域的應(yīng)用,人們對(duì)顯微鏡自動(dòng)成像、自動(dòng)化測(cè)量的要求越來(lái)越高。本文介紹了一種高性能的顯微鏡平臺(tái)自動(dòng)控制系統(tǒng),該系統(tǒng)通過RS232與計(jì)算機(jī)通訊,可在計(jì)算機(jī)控制下實(shí)現(xiàn)掃描拼接、三維重建掃描、自動(dòng)聚焦等功能,大大降低了顯微鏡人工操作的勞動(dòng)強(qiáng)度。

1 ARM處理器LPC2146

ARM處理器是目前廣泛采用的32位處理器,基于ARM技術(shù)的微處理器應(yīng)用約占據(jù)了32位RISC微處理器75%以上的市場(chǎng)份額。顯微鏡平臺(tái)控制系統(tǒng)要求響應(yīng)速度快、控制精度高,傳統(tǒng)的8位單片機(jī)已經(jīng)難以滿足要求。本系統(tǒng)采用了32位ARM7處理器LPC2146作為控制系統(tǒng)的CPU,LPC2146具有32K SRAM和256K FLASH高速存儲(chǔ)器,USB2.0接口,多個(gè)UART、SPI、SSP和I2C總線接口,多個(gè)32位定時(shí)器、PWM、45個(gè)高速GPIO口以及多達(dá)9個(gè)外部中斷管腳,其硬件資源滿足顯微鏡平臺(tái)控制系統(tǒng)的要求。

2 電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制

顯微鏡平臺(tái)控制系統(tǒng)由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng),共有3個(gè)電機(jī)軸,控制顯微鏡載物臺(tái)水平方向(X、Y軸)和垂直方向(調(diào)焦Z軸),3軸可同時(shí)運(yùn)行。電機(jī)驅(qū)動(dòng)脈沖頻率最高為150 kHz,電機(jī)啟停有加減速控制,防止高速啟動(dòng)丟步和急停時(shí)的震動(dòng),每軸可設(shè)置不同的加速度和速度。光柵位置檢測(cè),以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制,光柵精度±1 μm,分辨率0.1 μm。LCD顯示屏及按鍵,顯示相關(guān)信息并允許用戶通過按鍵手動(dòng)操作顯微鏡平臺(tái)??刂葡到y(tǒng)可連接計(jì)算機(jī)工作,采用RS232通訊。

本系統(tǒng)采用運(yùn)動(dòng)控制芯片MCX314實(shí)現(xiàn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制,電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不需要CPU干預(yù),能夠保證電機(jī)運(yùn)行更平穩(wěn),也使得CPU有更多時(shí)間處理其他任務(wù)。MCX314可控制4軸電機(jī),通過命令、數(shù)據(jù)和狀態(tài)寄存器,可實(shí)現(xiàn)位置、速度、加速度等的運(yùn)動(dòng)控制和實(shí)時(shí)監(jiān)控,輸出脈沖頻率達(dá)4MHz,每軸都有伺服反饋輸入端、4個(gè)輸入點(diǎn)和8個(gè)輸出點(diǎn),并有2個(gè)32位的光柵位置計(jì)數(shù)器和狀態(tài)比較寄存器,可用于電機(jī)位置閉環(huán)控制。

3 電路設(shè)計(jì)

顯微鏡平臺(tái)控制系統(tǒng)電路主要由以下幾部分組成:CPU LPC2146、運(yùn)動(dòng)控制芯片MCX314、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、電源、復(fù)位和EEPROM電路、LCD和按鍵,原理框圖如圖1所示。

顯微鏡平臺(tái)控制系統(tǒng)可通過鍵盤或計(jì)算機(jī)(RS232)控制,可設(shè)定電機(jī)運(yùn)動(dòng)速度、方向、加速度等運(yùn)動(dòng)參數(shù),可獲取當(dāng)前電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)及其他相關(guān)信息。RS232串口通訊由LPC2146實(shí)現(xiàn),采用中斷模式,串口有數(shù)據(jù)時(shí)引發(fā)中斷,LPC2146在中斷處理程序中讀出數(shù)據(jù)并存入緩沖區(qū),主程序判斷緩沖區(qū)中接收到完整控制命令幀后,就對(duì)命令進(jìn)行解析,并控制相應(yīng)的電機(jī)執(zhí)行動(dòng)作。

LPC2146通過數(shù)據(jù)、地址總線設(shè)置MCX314命令和數(shù)據(jù)寄存器,MCX314按照設(shè)定的參數(shù)控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn),處理加減速、限位開關(guān)觸發(fā)檢測(cè)、光柵計(jì)數(shù)等操作,無(wú)需CPU管理,使CPU有更多時(shí)間處理其他任務(wù)。MCX314的中斷信號(hào)接至LPC2146外部中斷輸入腳,MCX314在電機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化或出現(xiàn)異常時(shí)會(huì)觸發(fā)中斷,CPU響應(yīng)此中斷就能夠及時(shí)獲取運(yùn)行情況,并執(zhí)行相應(yīng)操作,使系統(tǒng)具有較高的響應(yīng)速度。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用TB62209F驅(qū)動(dòng)器,支持電流衰減設(shè)置、輸出使能控制、輸出力矩設(shè)置,最大驅(qū)動(dòng)電流為1.8 A,支持16細(xì)分驅(qū)動(dòng)。顯微鏡平臺(tái)采用0.9°步距角的步進(jìn)電機(jī),16細(xì)分后步距角約為0.056°。X、Y軸絲杠導(dǎo)程為1 mm,則細(xì)分后最小運(yùn)動(dòng)步長(zhǎng)約為0.15μm。調(diào)焦Z軸絲杠導(dǎo)程為0.5 mm,細(xì)分后最小運(yùn)動(dòng)步長(zhǎng)約為0.078μm。一般顯微鏡配置的最高倍物鏡為100X,其景深約為0.6μm,0.078μm最小步長(zhǎng)滿足了顯微鏡系統(tǒng)調(diào)焦的要求。

4 控制程序設(shè)計(jì)

顯微鏡平臺(tái)控制系統(tǒng)程序基于μCOS-II系統(tǒng),μCOS-II是具有任務(wù)優(yōu)先級(jí)的搶占式多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。本系統(tǒng)分為5個(gè)任務(wù):主任務(wù)、LCD及鍵盤處理任務(wù)和3個(gè)電機(jī)控制任務(wù)(對(duì)應(yīng)顯微鏡的3個(gè)驅(qū)動(dòng)軸)。主任務(wù)具有最高任務(wù)優(yōu)先級(jí),能夠快速響應(yīng)用戶控制命令,其主要功能是串口通訊管理及控制命令的解析。3個(gè)電機(jī)控制任務(wù)分別管理3個(gè)電機(jī),相互獨(dú)立運(yùn)行。顯微鏡對(duì)平臺(tái)定位精度有較高要求,尤其是調(diào)焦軸,由于高倍物鏡景深很短(0.6 μm),定位精度直接影響圖像清晰度,因此控制系統(tǒng)在電機(jī)控制任務(wù)中采用應(yīng)用廣泛的PID控制算法,利用光柵進(jìn)行位置檢測(cè),實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。PID參數(shù)可通過RS232命令設(shè)置調(diào)整,并存儲(chǔ)在EEPROM中,系統(tǒng)上電時(shí)自動(dòng)讀出并應(yīng)用。LCD及鍵盤處理任務(wù)負(fù)責(zé)人機(jī)界面交互,顯示相關(guān)狀態(tài)信息,檢測(cè)并執(zhí)行用戶的按鍵操作。此外還有兩個(gè)中斷處理程序,負(fù)責(zé)管理串口中斷和MCX314中斷,及時(shí)接收串口命令并處理電機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化??刂葡到y(tǒng)軟件架構(gòu)如圖2所示。

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)顯微鏡應(yīng)用的發(fā)展需求,設(shè)計(jì)了顯微鏡平臺(tái)自動(dòng)控制系統(tǒng)。其硬件電路以ARM處理器LPC2146和運(yùn)動(dòng)控制芯片MCX314為核心,實(shí)現(xiàn)了電機(jī)控制、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、LCD顯示和鍵盤管理、光柵計(jì)數(shù)等功能。軟件基于μCOS-II嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng),并通過PID算法結(jié)合光柵反饋實(shí)現(xiàn)顯微鏡平臺(tái)的閉環(huán)控制。通過實(shí)際測(cè)試,該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠,能夠較好滿足顯微鏡平臺(tái)的控制要求。以此控制系統(tǒng)為硬件平臺(tái),配合不同的上位機(jī)軟件,可實(shí)現(xiàn)各種不同的應(yīng)用,具有很高的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] LPC214x User Manual[Z].NXP Semiconductors,2010.

[2] MCX314 User Manual[Z].NOVA electronics,2012.

[3] μC/OS-Ⅱ中文使用手冊(cè)[Z].endprint

摘 要:在顯微鏡應(yīng)用領(lǐng)域中,具有自動(dòng)控制功能的顯微鏡平臺(tái)發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。本文介紹了一種高性能的顯微鏡平臺(tái)控制系統(tǒng),該系統(tǒng)基于ARM處理器LPC2146和運(yùn)動(dòng)控制芯片MCX314,使用高精度光柵作為位置檢測(cè)元件,通過PID算法實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。其性能和可靠性達(dá)到了實(shí)際應(yīng)用的要求,具有較高的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞:顯微鏡 LPC2146 MCX314

中圖分類號(hào):TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1672-3791(2014)03(b)-0009-02

光學(xué)顯微鏡是一種顯微目標(biāo)成像、測(cè)量的儀器,廣泛應(yīng)用于生物學(xué)、材料檢驗(yàn)、電子元件性能檢測(cè)和分析等各個(gè)領(lǐng)域。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)字成像技術(shù)在顯微鏡領(lǐng)域的應(yīng)用,人們對(duì)顯微鏡自動(dòng)成像、自動(dòng)化測(cè)量的要求越來(lái)越高。本文介紹了一種高性能的顯微鏡平臺(tái)自動(dòng)控制系統(tǒng),該系統(tǒng)通過RS232與計(jì)算機(jī)通訊,可在計(jì)算機(jī)控制下實(shí)現(xiàn)掃描拼接、三維重建掃描、自動(dòng)聚焦等功能,大大降低了顯微鏡人工操作的勞動(dòng)強(qiáng)度。

1 ARM處理器LPC2146

ARM處理器是目前廣泛采用的32位處理器,基于ARM技術(shù)的微處理器應(yīng)用約占據(jù)了32位RISC微處理器75%以上的市場(chǎng)份額。顯微鏡平臺(tái)控制系統(tǒng)要求響應(yīng)速度快、控制精度高,傳統(tǒng)的8位單片機(jī)已經(jīng)難以滿足要求。本系統(tǒng)采用了32位ARM7處理器LPC2146作為控制系統(tǒng)的CPU,LPC2146具有32K SRAM和256K FLASH高速存儲(chǔ)器,USB2.0接口,多個(gè)UART、SPI、SSP和I2C總線接口,多個(gè)32位定時(shí)器、PWM、45個(gè)高速GPIO口以及多達(dá)9個(gè)外部中斷管腳,其硬件資源滿足顯微鏡平臺(tái)控制系統(tǒng)的要求。

2 電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制

顯微鏡平臺(tái)控制系統(tǒng)由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng),共有3個(gè)電機(jī)軸,控制顯微鏡載物臺(tái)水平方向(X、Y軸)和垂直方向(調(diào)焦Z軸),3軸可同時(shí)運(yùn)行。電機(jī)驅(qū)動(dòng)脈沖頻率最高為150 kHz,電機(jī)啟停有加減速控制,防止高速啟動(dòng)丟步和急停時(shí)的震動(dòng),每軸可設(shè)置不同的加速度和速度。光柵位置檢測(cè),以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制,光柵精度±1 μm,分辨率0.1 μm。LCD顯示屏及按鍵,顯示相關(guān)信息并允許用戶通過按鍵手動(dòng)操作顯微鏡平臺(tái)。控制系統(tǒng)可連接計(jì)算機(jī)工作,采用RS232通訊。

本系統(tǒng)采用運(yùn)動(dòng)控制芯片MCX314實(shí)現(xiàn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制,電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不需要CPU干預(yù),能夠保證電機(jī)運(yùn)行更平穩(wěn),也使得CPU有更多時(shí)間處理其他任務(wù)。MCX314可控制4軸電機(jī),通過命令、數(shù)據(jù)和狀態(tài)寄存器,可實(shí)現(xiàn)位置、速度、加速度等的運(yùn)動(dòng)控制和實(shí)時(shí)監(jiān)控,輸出脈沖頻率達(dá)4MHz,每軸都有伺服反饋輸入端、4個(gè)輸入點(diǎn)和8個(gè)輸出點(diǎn),并有2個(gè)32位的光柵位置計(jì)數(shù)器和狀態(tài)比較寄存器,可用于電機(jī)位置閉環(huán)控制。

3 電路設(shè)計(jì)

顯微鏡平臺(tái)控制系統(tǒng)電路主要由以下幾部分組成:CPU LPC2146、運(yùn)動(dòng)控制芯片MCX314、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、電源、復(fù)位和EEPROM電路、LCD和按鍵,原理框圖如圖1所示。

顯微鏡平臺(tái)控制系統(tǒng)可通過鍵盤或計(jì)算機(jī)(RS232)控制,可設(shè)定電機(jī)運(yùn)動(dòng)速度、方向、加速度等運(yùn)動(dòng)參數(shù),可獲取當(dāng)前電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)及其他相關(guān)信息。RS232串口通訊由LPC2146實(shí)現(xiàn),采用中斷模式,串口有數(shù)據(jù)時(shí)引發(fā)中斷,LPC2146在中斷處理程序中讀出數(shù)據(jù)并存入緩沖區(qū),主程序判斷緩沖區(qū)中接收到完整控制命令幀后,就對(duì)命令進(jìn)行解析,并控制相應(yīng)的電機(jī)執(zhí)行動(dòng)作。

LPC2146通過數(shù)據(jù)、地址總線設(shè)置MCX314命令和數(shù)據(jù)寄存器,MCX314按照設(shè)定的參數(shù)控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn),處理加減速、限位開關(guān)觸發(fā)檢測(cè)、光柵計(jì)數(shù)等操作,無(wú)需CPU管理,使CPU有更多時(shí)間處理其他任務(wù)。MCX314的中斷信號(hào)接至LPC2146外部中斷輸入腳,MCX314在電機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化或出現(xiàn)異常時(shí)會(huì)觸發(fā)中斷,CPU響應(yīng)此中斷就能夠及時(shí)獲取運(yùn)行情況,并執(zhí)行相應(yīng)操作,使系統(tǒng)具有較高的響應(yīng)速度。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用TB62209F驅(qū)動(dòng)器,支持電流衰減設(shè)置、輸出使能控制、輸出力矩設(shè)置,最大驅(qū)動(dòng)電流為1.8 A,支持16細(xì)分驅(qū)動(dòng)。顯微鏡平臺(tái)采用0.9°步距角的步進(jìn)電機(jī),16細(xì)分后步距角約為0.056°。X、Y軸絲杠導(dǎo)程為1 mm,則細(xì)分后最小運(yùn)動(dòng)步長(zhǎng)約為0.15μm。調(diào)焦Z軸絲杠導(dǎo)程為0.5 mm,細(xì)分后最小運(yùn)動(dòng)步長(zhǎng)約為0.078μm。一般顯微鏡配置的最高倍物鏡為100X,其景深約為0.6μm,0.078μm最小步長(zhǎng)滿足了顯微鏡系統(tǒng)調(diào)焦的要求。

4 控制程序設(shè)計(jì)

顯微鏡平臺(tái)控制系統(tǒng)程序基于μCOS-II系統(tǒng),μCOS-II是具有任務(wù)優(yōu)先級(jí)的搶占式多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。本系統(tǒng)分為5個(gè)任務(wù):主任務(wù)、LCD及鍵盤處理任務(wù)和3個(gè)電機(jī)控制任務(wù)(對(duì)應(yīng)顯微鏡的3個(gè)驅(qū)動(dòng)軸)。主任務(wù)具有最高任務(wù)優(yōu)先級(jí),能夠快速響應(yīng)用戶控制命令,其主要功能是串口通訊管理及控制命令的解析。3個(gè)電機(jī)控制任務(wù)分別管理3個(gè)電機(jī),相互獨(dú)立運(yùn)行。顯微鏡對(duì)平臺(tái)定位精度有較高要求,尤其是調(diào)焦軸,由于高倍物鏡景深很短(0.6 μm),定位精度直接影響圖像清晰度,因此控制系統(tǒng)在電機(jī)控制任務(wù)中采用應(yīng)用廣泛的PID控制算法,利用光柵進(jìn)行位置檢測(cè),實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。PID參數(shù)可通過RS232命令設(shè)置調(diào)整,并存儲(chǔ)在EEPROM中,系統(tǒng)上電時(shí)自動(dòng)讀出并應(yīng)用。LCD及鍵盤處理任務(wù)負(fù)責(zé)人機(jī)界面交互,顯示相關(guān)狀態(tài)信息,檢測(cè)并執(zhí)行用戶的按鍵操作。此外還有兩個(gè)中斷處理程序,負(fù)責(zé)管理串口中斷和MCX314中斷,及時(shí)接收串口命令并處理電機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化??刂葡到y(tǒng)軟件架構(gòu)如圖2所示。

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)顯微鏡應(yīng)用的發(fā)展需求,設(shè)計(jì)了顯微鏡平臺(tái)自動(dòng)控制系統(tǒng)。其硬件電路以ARM處理器LPC2146和運(yùn)動(dòng)控制芯片MCX314為核心,實(shí)現(xiàn)了電機(jī)控制、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、LCD顯示和鍵盤管理、光柵計(jì)數(shù)等功能。軟件基于μCOS-II嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng),并通過PID算法結(jié)合光柵反饋實(shí)現(xiàn)顯微鏡平臺(tái)的閉環(huán)控制。通過實(shí)際測(cè)試,該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠,能夠較好滿足顯微鏡平臺(tái)的控制要求。以此控制系統(tǒng)為硬件平臺(tái),配合不同的上位機(jī)軟件,可實(shí)現(xiàn)各種不同的應(yīng)用,具有很高的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] LPC214x User Manual[Z].NXP Semiconductors,2010.

[2] MCX314 User Manual[Z].NOVA electronics,2012.

[3] μC/OS-Ⅱ中文使用手冊(cè)[Z].endprint

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