显微镜平台自动控制系统设计

2014-11-07 21:23康军
科技资讯 2014年18期
关键词:显微镜

康军

摘 要:在显微镜应用领域中,具有自动控制功能的显微镜平台发挥着越来越重要的作用。本文介绍了一种高性能的显微镜平台控制系统,该系统基于ARM处理器LPC2146和运动控制芯片MCX314,使用高精度光栅作为位置检测元件,通过PID算法实现闭环控制。其性能和可靠性达到了实际应用的要求,具有较高的实用价值。

关键词:显微镜 LPC2146 MCX314

中图分类号:TP273 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2014)03(b)-0009-02

光学显微镜是一种显微目标成像、测量的仪器,广泛应用于生物学、材料检验、电子元件性能检测和分析等各个领域。随着计算机技术和数字成像技术在显微镜领域的应用,人们对显微镜自动成像、自动化测量的要求越来越高。本文介绍了一种高性能的显微镜平台自动控制系统,该系统通过RS232与计算机通讯,可在计算机控制下实现扫描拼接、三维重建扫描、自动聚焦等功能,大大降低了显微镜人工操作的劳动强度。

1 ARM处理器LPC2146

ARM处理器是目前广泛采用的32位处理器,基于ARM技术的微处理器应用约占据了32位RISC微处理器75%以上的市场份额。显微镜平台控制系统要求响应速度快、控制精度高,传统的8位单片机已经难以满足要求。本系统采用了32位ARM7处理器LPC2146作为控制系统的CPU,LPC2146具有32K SRAM和256K FLASH高速存储器,USB2.0接口,多个UART、SPI、SSP和I2C总线接口,多个32位定时器、PWM、45个高速GPIO口以及多达9个外部中断管脚,其硬件资源满足显微镜平台控制系统的要求。

2 电机运动控制

显微镜平台控制系统由步进电机驱动,共有3个电机轴,控制显微镜载物台水平方向(X、Y轴)和垂直方向(调焦Z轴),3轴可同时运行。电机驱动脉冲频率最高为150 kHz,电机启停有加减速控制,防止高速启动丢步和急停时的震动,每轴可设置不同的加速度和速度。光栅位置检测,以实现闭环控制,光栅精度±1 μm,分辨率0.1 μm。LCD显示屏及按键,显示相关信息并允许用户通过按键手动操作显微镜平台。控制系统可连接计算机工作,采用RS232通讯。

本系统采用运动控制芯片MCX314实现电机运动控制,电机运转时不需要CPU干预,能够保证电机运行更平稳,也使得CPU有更多时间处理其他任务。MCX314可控制4轴电机,通过命令、数据和状态寄存器,可实现位置、速度、加速度等的运动控制和实时监控,输出脉冲频率达4MHz,每轴都有伺服反馈输入端、4个输入点和8个输出点,并有2个32位的光栅位置计数器和状态比较寄存器,可用于电机位置闭环控制。

3 电路设计

显微镜平台控制系统电路主要由以下几部分组成:CPU LPC2146、运动控制芯片MCX314、步进电机驱动电路、电源、复位和EEPROM电路、LCD和按键,原理框图如图1所示。

显微镜平台控制系统可通过键盘或计算机(RS232)控制,可设定电机运动速度、方向、加速度等运动参数,可获取当前电机运行状态及其他相关信息。RS232串口通讯由LPC2146实现,采用中断模式,串口有数据时引发中断,LPC2146在中断处理程序中读出数据并存入缓冲区,主程序判断缓冲区中接收到完整控制命令帧后,就对命令进行解析,并控制相应的电机执行动作。

LPC2146通过数据、地址总线设置MCX314命令和数据寄存器,MCX314按照设定的参数控制电机运转,处理加减速、限位开关触发检测、光栅计数等操作,无需CPU管理,使CPU有更多时间处理其他任务。MCX314的中断信号接至LPC2146外部中断输入脚,MCX314在电机运动状态变化或出现异常时会触发中断,CPU响应此中断就能够及时获取运行情况,并执行相应操作,使系统具有较高的响应速度。

步进电机驱动采用TB62209F驱动器,支持电流衰减设置、输出使能控制、输出力矩设置,最大驱动电流为1.8 A,支持16细分驱动。显微镜平台采用0.9°步距角的步进电机,16细分后步距角约为0.056°。X、Y轴丝杠导程为1 mm,则细分后最小运动步长约为0.15μm。调焦Z轴丝杠导程为0.5 mm,细分后最小运动步长约为0.078μm。一般显微镜配置的最高倍物镜为100X,其景深约为0.6μm,0.078μm最小步长满足了显微镜系统调焦的要求。

4 控制程序设计

显微镜平台控制系统程序基于μCOS-II系统,μCOS-II是具有任务优先级的抢占式多任务实时操作系统。本系统分为5个任务:主任务、LCD及键盘处理任务和3个电机控制任务(对应显微镜的3个驱动轴)。主任务具有最高任务优先级,能够快速响应用户控制命令,其主要功能是串口通讯管理及控制命令的解析。3个电机控制任务分别管理3个电机,相互独立运行。显微镜对平台定位精度有较高要求,尤其是调焦轴,由于高倍物镜景深很短(0.6 μm),定位精度直接影响图像清晰度,因此控制系统在电机控制任务中采用应用广泛的PID控制算法,利用光栅进行位置检测,实现闭环控制。PID参数可通过RS232命令设置调整,并存储在EEPROM中,系统上电时自动读出并应用。LCD及键盘处理任务负责人机界面交互,显示相关状态信息,检测并执行用户的按键操作。此外还有两个中断处理程序,负责管理串口中断和MCX314中断,及时接收串口命令并处理电机运动状态的变化。控制系统软件架构如图2所示。

5 结语

根据显微镜应用的发展需求,设计了显微镜平台自动控制系统。其硬件电路以ARM处理器LPC2146和运动控制芯片MCX314为核心,实现了电机控制、电机驱动、LCD显示和键盘管理、光栅计数等功能。软件基于μCOS-II嵌入式实时多任务操作系统,并通过PID算法结合光栅反馈实现显微镜平台的闭环控制。通过实际测试,该系统稳定可靠,能够较好满足显微镜平台的控制要求。以此控制系统为硬件平台,配合不同的上位机软件,可实现各种不同的应用,具有很高的实用价值。

参考文献

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

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

[3] μC/OS-Ⅱ中文使用手册[Z].endprint

摘 要:在显微镜应用领域中,具有自动控制功能的显微镜平台发挥着越来越重要的作用。本文介绍了一种高性能的显微镜平台控制系统,该系统基于ARM处理器LPC2146和运动控制芯片MCX314,使用高精度光栅作为位置检测元件,通过PID算法实现闭环控制。其性能和可靠性达到了实际应用的要求,具有较高的实用价值。

关键词:显微镜 LPC2146 MCX314

中图分类号:TP273 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2014)03(b)-0009-02

光学显微镜是一种显微目标成像、测量的仪器,广泛应用于生物学、材料检验、电子元件性能检测和分析等各个领域。随着计算机技术和数字成像技术在显微镜领域的应用,人们对显微镜自动成像、自动化测量的要求越来越高。本文介绍了一种高性能的显微镜平台自动控制系统,该系统通过RS232与计算机通讯,可在计算机控制下实现扫描拼接、三维重建扫描、自动聚焦等功能,大大降低了显微镜人工操作的劳动强度。

1 ARM处理器LPC2146

ARM处理器是目前广泛采用的32位处理器,基于ARM技术的微处理器应用约占据了32位RISC微处理器75%以上的市场份额。显微镜平台控制系统要求响应速度快、控制精度高,传统的8位单片机已经难以满足要求。本系统采用了32位ARM7处理器LPC2146作为控制系统的CPU,LPC2146具有32K SRAM和256K FLASH高速存储器,USB2.0接口,多个UART、SPI、SSP和I2C总线接口,多个32位定时器、PWM、45个高速GPIO口以及多达9个外部中断管脚,其硬件资源满足显微镜平台控制系统的要求。

2 电机运动控制

显微镜平台控制系统由步进电机驱动,共有3个电机轴,控制显微镜载物台水平方向(X、Y轴)和垂直方向(调焦Z轴),3轴可同时运行。电机驱动脉冲频率最高为150 kHz,电机启停有加减速控制,防止高速启动丢步和急停时的震动,每轴可设置不同的加速度和速度。光栅位置检测,以实现闭环控制,光栅精度±1 μm,分辨率0.1 μm。LCD显示屏及按键,显示相关信息并允许用户通过按键手动操作显微镜平台。控制系统可连接计算机工作,采用RS232通讯。

本系统采用运动控制芯片MCX314实现电机运动控制,电机运转时不需要CPU干预,能够保证电机运行更平稳,也使得CPU有更多时间处理其他任务。MCX314可控制4轴电机,通过命令、数据和状态寄存器,可实现位置、速度、加速度等的运动控制和实时监控,输出脉冲频率达4MHz,每轴都有伺服反馈输入端、4个输入点和8个输出点,并有2个32位的光栅位置计数器和状态比较寄存器,可用于电机位置闭环控制。

3 电路设计

显微镜平台控制系统电路主要由以下几部分组成:CPU LPC2146、运动控制芯片MCX314、步进电机驱动电路、电源、复位和EEPROM电路、LCD和按键,原理框图如图1所示。

显微镜平台控制系统可通过键盘或计算机(RS232)控制,可设定电机运动速度、方向、加速度等运动参数,可获取当前电机运行状态及其他相关信息。RS232串口通讯由LPC2146实现,采用中断模式,串口有数据时引发中断,LPC2146在中断处理程序中读出数据并存入缓冲区,主程序判断缓冲区中接收到完整控制命令帧后,就对命令进行解析,并控制相应的电机执行动作。

LPC2146通过数据、地址总线设置MCX314命令和数据寄存器,MCX314按照设定的参数控制电机运转,处理加减速、限位开关触发检测、光栅计数等操作,无需CPU管理,使CPU有更多时间处理其他任务。MCX314的中断信号接至LPC2146外部中断输入脚,MCX314在电机运动状态变化或出现异常时会触发中断,CPU响应此中断就能够及时获取运行情况,并执行相应操作,使系统具有较高的响应速度。

步进电机驱动采用TB62209F驱动器,支持电流衰减设置、输出使能控制、输出力矩设置,最大驱动电流为1.8 A,支持16细分驱动。显微镜平台采用0.9°步距角的步进电机,16细分后步距角约为0.056°。X、Y轴丝杠导程为1 mm,则细分后最小运动步长约为0.15μm。调焦Z轴丝杠导程为0.5 mm,细分后最小运动步长约为0.078μm。一般显微镜配置的最高倍物镜为100X,其景深约为0.6μm,0.078μm最小步长满足了显微镜系统调焦的要求。

4 控制程序设计

显微镜平台控制系统程序基于μCOS-II系统,μCOS-II是具有任务优先级的抢占式多任务实时操作系统。本系统分为5个任务:主任务、LCD及键盘处理任务和3个电机控制任务(对应显微镜的3个驱动轴)。主任务具有最高任务优先级,能够快速响应用户控制命令,其主要功能是串口通讯管理及控制命令的解析。3个电机控制任务分别管理3个电机,相互独立运行。显微镜对平台定位精度有较高要求,尤其是调焦轴,由于高倍物镜景深很短(0.6 μm),定位精度直接影响图像清晰度,因此控制系统在电机控制任务中采用应用广泛的PID控制算法,利用光栅进行位置检测,实现闭环控制。PID参数可通过RS232命令设置调整,并存储在EEPROM中,系统上电时自动读出并应用。LCD及键盘处理任务负责人机界面交互,显示相关状态信息,检测并执行用户的按键操作。此外还有两个中断处理程序,负责管理串口中断和MCX314中断,及时接收串口命令并处理电机运动状态的变化。控制系统软件架构如图2所示。

5 结语

根据显微镜应用的发展需求,设计了显微镜平台自动控制系统。其硬件电路以ARM处理器LPC2146和运动控制芯片MCX314为核心,实现了电机控制、电机驱动、LCD显示和键盘管理、光栅计数等功能。软件基于μCOS-II嵌入式实时多任务操作系统,并通过PID算法结合光栅反馈实现显微镜平台的闭环控制。通过实际测试,该系统稳定可靠,能够较好满足显微镜平台的控制要求。以此控制系统为硬件平台,配合不同的上位机软件,可实现各种不同的应用,具有很高的实用价值。

参考文献

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

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

[3] μC/OS-Ⅱ中文使用手册[Z].endprint

摘 要:在显微镜应用领域中,具有自动控制功能的显微镜平台发挥着越来越重要的作用。本文介绍了一种高性能的显微镜平台控制系统,该系统基于ARM处理器LPC2146和运动控制芯片MCX314,使用高精度光栅作为位置检测元件,通过PID算法实现闭环控制。其性能和可靠性达到了实际应用的要求,具有较高的实用价值。

关键词:显微镜 LPC2146 MCX314

中图分类号:TP273 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2014)03(b)-0009-02

光学显微镜是一种显微目标成像、测量的仪器,广泛应用于生物学、材料检验、电子元件性能检测和分析等各个领域。随着计算机技术和数字成像技术在显微镜领域的应用,人们对显微镜自动成像、自动化测量的要求越来越高。本文介绍了一种高性能的显微镜平台自动控制系统,该系统通过RS232与计算机通讯,可在计算机控制下实现扫描拼接、三维重建扫描、自动聚焦等功能,大大降低了显微镜人工操作的劳动强度。

1 ARM处理器LPC2146

ARM处理器是目前广泛采用的32位处理器,基于ARM技术的微处理器应用约占据了32位RISC微处理器75%以上的市场份额。显微镜平台控制系统要求响应速度快、控制精度高,传统的8位单片机已经难以满足要求。本系统采用了32位ARM7处理器LPC2146作为控制系统的CPU,LPC2146具有32K SRAM和256K FLASH高速存储器,USB2.0接口,多个UART、SPI、SSP和I2C总线接口,多个32位定时器、PWM、45个高速GPIO口以及多达9个外部中断管脚,其硬件资源满足显微镜平台控制系统的要求。

2 电机运动控制

显微镜平台控制系统由步进电机驱动,共有3个电机轴,控制显微镜载物台水平方向(X、Y轴)和垂直方向(调焦Z轴),3轴可同时运行。电机驱动脉冲频率最高为150 kHz,电机启停有加减速控制,防止高速启动丢步和急停时的震动,每轴可设置不同的加速度和速度。光栅位置检测,以实现闭环控制,光栅精度±1 μm,分辨率0.1 μm。LCD显示屏及按键,显示相关信息并允许用户通过按键手动操作显微镜平台。控制系统可连接计算机工作,采用RS232通讯。

本系统采用运动控制芯片MCX314实现电机运动控制,电机运转时不需要CPU干预,能够保证电机运行更平稳,也使得CPU有更多时间处理其他任务。MCX314可控制4轴电机,通过命令、数据和状态寄存器,可实现位置、速度、加速度等的运动控制和实时监控,输出脉冲频率达4MHz,每轴都有伺服反馈输入端、4个输入点和8个输出点,并有2个32位的光栅位置计数器和状态比较寄存器,可用于电机位置闭环控制。

3 电路设计

显微镜平台控制系统电路主要由以下几部分组成:CPU LPC2146、运动控制芯片MCX314、步进电机驱动电路、电源、复位和EEPROM电路、LCD和按键,原理框图如图1所示。

显微镜平台控制系统可通过键盘或计算机(RS232)控制,可设定电机运动速度、方向、加速度等运动参数,可获取当前电机运行状态及其他相关信息。RS232串口通讯由LPC2146实现,采用中断模式,串口有数据时引发中断,LPC2146在中断处理程序中读出数据并存入缓冲区,主程序判断缓冲区中接收到完整控制命令帧后,就对命令进行解析,并控制相应的电机执行动作。

LPC2146通过数据、地址总线设置MCX314命令和数据寄存器,MCX314按照设定的参数控制电机运转,处理加减速、限位开关触发检测、光栅计数等操作,无需CPU管理,使CPU有更多时间处理其他任务。MCX314的中断信号接至LPC2146外部中断输入脚,MCX314在电机运动状态变化或出现异常时会触发中断,CPU响应此中断就能够及时获取运行情况,并执行相应操作,使系统具有较高的响应速度。

步进电机驱动采用TB62209F驱动器,支持电流衰减设置、输出使能控制、输出力矩设置,最大驱动电流为1.8 A,支持16细分驱动。显微镜平台采用0.9°步距角的步进电机,16细分后步距角约为0.056°。X、Y轴丝杠导程为1 mm,则细分后最小运动步长约为0.15μm。调焦Z轴丝杠导程为0.5 mm,细分后最小运动步长约为0.078μm。一般显微镜配置的最高倍物镜为100X,其景深约为0.6μm,0.078μm最小步长满足了显微镜系统调焦的要求。

4 控制程序设计

显微镜平台控制系统程序基于μCOS-II系统,μCOS-II是具有任务优先级的抢占式多任务实时操作系统。本系统分为5个任务:主任务、LCD及键盘处理任务和3个电机控制任务(对应显微镜的3个驱动轴)。主任务具有最高任务优先级,能够快速响应用户控制命令,其主要功能是串口通讯管理及控制命令的解析。3个电机控制任务分别管理3个电机,相互独立运行。显微镜对平台定位精度有较高要求,尤其是调焦轴,由于高倍物镜景深很短(0.6 μm),定位精度直接影响图像清晰度,因此控制系统在电机控制任务中采用应用广泛的PID控制算法,利用光栅进行位置检测,实现闭环控制。PID参数可通过RS232命令设置调整,并存储在EEPROM中,系统上电时自动读出并应用。LCD及键盘处理任务负责人机界面交互,显示相关状态信息,检测并执行用户的按键操作。此外还有两个中断处理程序,负责管理串口中断和MCX314中断,及时接收串口命令并处理电机运动状态的变化。控制系统软件架构如图2所示。

5 结语

根据显微镜应用的发展需求,设计了显微镜平台自动控制系统。其硬件电路以ARM处理器LPC2146和运动控制芯片MCX314为核心,实现了电机控制、电机驱动、LCD显示和键盘管理、光栅计数等功能。软件基于μCOS-II嵌入式实时多任务操作系统,并通过PID算法结合光栅反馈实现显微镜平台的闭环控制。通过实际测试,该系统稳定可靠,能够较好满足显微镜平台的控制要求。以此控制系统为硬件平台,配合不同的上位机软件,可实现各种不同的应用,具有很高的实用价值。

参考文献

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

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

[3] μC/OS-Ⅱ中文使用手册[Z].endprint

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