基于LabVIEW的显微镜自动控制设计

2016-09-07 05:51陶明超何璐璐侯佩臣张永凯赵建平
计算机测量与控制 2016年1期
关键词:调焦焦距自动控制

陶明超,何璐璐,侯佩臣,周 航,张永凯,赵建平,王 成

(1.北京农业信息技术研究中心,北京 100192; 2.曲阜师范大学 物理工程学院,山东 曲阜 273165)



基于LabVIEW的显微镜自动控制设计

陶明超1,2,何璐璐2,侯佩臣2,周航2,张永凯1,2,赵建平1,王成2

(1.北京农业信息技术研究中心,北京100192; 2.曲阜师范大学 物理工程学院,山东 曲阜273165)

为方便CCD相机采集显微镜下的图像,对显微镜的控制进行了研究;设计了一种实现显微镜自动控制的方法;利用THB6128芯片驱动步进电机实现焦距的电控调节,利用PT4115芯片控制LED灯实现照明灯光亮暗的调节,基于LabVIEW虚拟仪器平台开发主控制程序搭建外围硬件,实现显微镜的自动控制;实验证明,上位机运用程序通过串口进行数据通信向下位机发送指令,通过调节LED灯的亮暗以及步进电机转动带动载物台的上下移动,实现了在一个合适的光照和焦距下获取清晰的图像;使显微镜控制更加的简化与精确,便于图像的采集。

LabVIEW;串口;步进电机;LED;自动控制

0 引言

在农业疾病预防研究中,对空气中孢子数目进行采集计数可为水稻稻瘟病侵染传播起到预警作用。传统计数方法采用显微镜孢子计数法进行,即直接在显微镜下进行镜检计数,但是孢子个体小、数量大,所以需耗费大量的时间,而且难以保证准确性[1]。因此计算机显微图像处理系统的应用显得十分重要[2],通过高精度显微镜下拍照获取孢子图像,然后进行图像处理完成孢子的自动计数,方法更加简便、高效、精准。获取清晰的图像是图像有效处理的前提,而显微镜的焦距及光照亮度的调节是获取图像过程的关键。本文设计了一种实现显微镜的自动控制的方法,完成对焦距以及光照亮度的调节控制,避免手动的繁琐,使调焦的过程更加简便、直观。特别对于试验周期长、无人值守的远程采集中,该设计亦可通过远程通讯实现远程控制。

1 自动控制系统硬件设计

自动控制系统硬件设计分为两部分:1)通过载物台的上下移动,即调整显微镜物镜与所观测孢子培养皿的距离从而改变焦距;2)控制光源的亮度,为图像采集提供合适的照明亮度。系统硬件电路由STC12C5A60S2单片机作为主控芯片,连接THB6128、PT4115芯片实现对电机和可调光LED灯的控制。PC机通过RS232串口线连接主控芯片,实现上位机对下位机的指令控制。

1.1主控单片机电路设计

系统采用STC12C5A60S2单片机为控制核心。该芯片具有高速、低功耗、超强抗干扰等优点。指令代码完全兼容传统的8051,内部集成MAX810专用复位电路,两路PWM,8路高速10位A/D转换,内部R/C振荡器避免强干扰[3];并且具有2个通用全双工异步串行接口[4],每个接口都由两个数据缓冲器、一个移位寄存器、一个串行控制寄存器等组成,并且每个数据缓冲器由两个相互独立的接收、发送缓冲器组成,可同时实现数据的接收、发送。

1.2步进电机驱动电路

通过载物台的上下移动实现焦距的调节,载物台的移动由步进电机带动。本系统设计采用两相四线步进电机控制,步进电机是将电脉冲信号转换成角位移,再通过精细的机械传动转化成直线位移的执行元件,其输入量为脉冲序列,输出为相应的角度或直线增量,它的旋转是以固定的角度一步一步运行的[5-6]。电机的正反向转动带动控制台的上下移动,即物镜焦距的增大、减小。

系统采用THB6128芯片驱动步进电机。该芯片为高细分两相混合式步进电机驱动芯片,经过扩展简单的电路就能成为高性能两相混合式步进电机驱动器[7]。THB6128芯片引脚ENABLE引脚与单片机P0.1引脚连接控制输出,当ENABLE为低电平时,输出关断,高电平时则电平输出。CW/CCW引脚与单片机P0.2连接控制电机的正反转,为低电平时电机正转,高电平时电机反转,CLK引脚与单片机P0.3引脚连接,可控制时钟频率来控制电机的转速。步进电机驱动电路设计如图1所示。

图1 步进电机驱动电路

1.3LED灯控制电路

不同的外部环境会导致光亮的不同,特别较暗的环境需要照明光源为图像采集提供光源补充,合适的光照使成像视野更加的清晰。本系统设计中光源采用可调光LED灯,LED灯照明系统反应时间快,可获取高品质、高对比度图像[8]。

系统中LED灯光照亮暗的调节控制是由PT4115芯片实现。PT4115芯片是一款电感电流导通模式的降压恒流源,该芯片具有过温、过压、过流、LED开路保护等多种功能,非常适合用于照明LED灯的驱动电路[9]。该芯片通过DIM引脚接单片机P1.3引脚,通过单片机双路PWM实现宽范围调光,LED控制电路设计如图2所示。

图2 LED控制电路

2 自动控制系统软件设计

系统的软件设计包括两部分:下位机和上位机。下位机程序为系统外围硬件运行所需程序;上位机程序为整个系统的主控程序。

2.1下位机程序设计

下位机单片机程序编程语言为C语言。首先对系统进行初始化,包括使能外部中断、串口配置。下位机接收上位机电脑指令为16进制8位单字节,向上位机反馈信息为16进制8位4字节,通过显微镜自动控制通信协议实现照明光源开关、亮度增减、焦距的粗调、微调以及运行位置的清零。下位机根据指令实现相应操作后会反馈给上位机相应的信息。下位机程序设计流程及相应的功能协议如图3所示。

图3 下位机程序设计流程图

2.2基于LabVIEW的上位机程序设计

LabVIEW是一种图标代替文字创建应用程序的图形化编程语言,设计者可方便建立虚拟仪器程序而无需复杂的程序代码编写[10-11]。LabVIEW支持多种硬件接口, 可与多种外围硬件连接实现对外围硬件的控制。LabVIEW的编程方式是通过数据流实现,利用控件代替函数,数据流的流向用连线表示,其强大的图形化编程语言和直观的图形化环境使程序的编写更加快捷[12]。

上位机程序实现两方面功能:1)串口通信,实现上下位机通信;2)自动控制,实现对显微镜焦距的调整与LED照明灯亮度的调节。

2.2.1串口通信程序设计

上位机与下位机利用计算机串口连接RS232线进行通信,通信程序编写利用LabVIEW仪器I/O的串口子模板中的VISA功能模块[13]。VISA模块的出现使程序在各种硬件接口上都能工作,通过调用相同的VISA库函数并配置不同的设备参数,就可以编写控制各种I/O接口仪器的通用程序[14]。串口通信流程为初始化串口、配置串口、字符写入、字符读取以及关闭串口,串口通信流程如图4所示。

图4 串口通信流程图

VISA串口配置具体为波特率9 600、数据位8、停止位1、奇偶校验位None。程序中运用两次Case结构,第一次判别是否有字符串写入;第二次是在读取字符时,判定是否在超时时间内读取到字符以及反馈到的字符数目是否大于0,事件为真时执行写入的指令,事件为假则返回继续写入字符。

2.2.2自动控制程序设计

将已实现的串口通信VI创建为子VI。首先对其图标进行编辑,方便主VI中识别其功能;其次,创建连线端,在主VI中连线端包括字符写入、VISA资源名称;最后保存子VI。创建子VI后即可在主程序中直接调用实现其功能。

自动控制程序需实现步进电机转速的粗调微调、正反转、光源的开关、光照的亮暗以及调焦停止等,涉及多个事件,所以选用事件结构。当不同事件发生,程序作出不同响应,实现相应的功能。事件结构中默认事件为Timeout事件,它表示当指定的超时时间内没有任何该事件结构所定义的其他事件发生时,触发Timeout事件[10]。整个自动控制是一个连续过程,采用While结构实现程序多次循环运行。并且对一些反馈信息进行提取,亮度计数器会反馈照明调光+/-点击的次数,对应照明的亮度变化,程序默认光源开启为最亮状态,即数值为128时为最亮,随着点击照明调光-,滑动杆左移直至最暗数值为0。为避免程序运行故障,保证计算机顺利运行程序,添加一个时间等待,设置等待100 Ms运行下一循环。

图5 自动控制前面板设计

图5 系统测试图像变化过程

3 系统测试

本文对自动控制程序进行验证,以向日葵根系为例。利用图像采集模块成像,上位机呈现未经过调焦的图像如图5(a)所示。运行自动控制程序,点击前面板按钮。第一步调节照明亮度,点击“照明调光+”按钮(若光源过亮则点击“照明调光-”),LED灯光亮度会不断增强,直到图像视野达到合适亮度停止调光,如图5(b)所示;第二步焦距粗调,点击“电动调焦+”按钮,增加物镜焦距,直到视野能够呈现接近清晰的图像,如图5(c)所示;然后进行焦距微调,点击前面板“微动调焦+”按钮,使物镜焦距轻微调动,直至视野呈

现清晰图像,如图5(d)所示。若焦距过大则点击“电动调焦-”、“微动调焦-”按钮减小焦距,获取清晰图像。经验证,本自动控制设计可实现图像采集过程中清晰图像的获取。变化过程如图6所示。

4 总结

本文实现了LabVIEW与单片机的串口通信,并结合外围电路实现了显微镜的自动控制。通过LabVIEW虚拟仪器平台编写程序,解决了整个系统开发工作量大、周期长、成本高的缺点,使得系统更加的简化、后期更改维护更加的方便,并且具有极高的可移植性。使采集图像时显微镜调焦控制较传统操作更加简便,成像更加清晰,为水稻稻瘟病的预警研究打下坚实的基础。

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Design of Microscope Automatic Control Based on LabVIEW

Tao Mingchao1,2, He Lulu2, Hou Peichen2, Zhou Hang2, Zhang Yongkai1,2,Zhao Jianping1, Wang Cheng2

(1.Beijing Agricultural Information Technology Research Center,Beijing100192,China;2.School of Physical Engineering,Qufu Normal University,Qufu273165,China)

To facilitate the CCD camera to capture images under the microscope, control of the microscope is studied .Design a method for realizing automatic control the microscope. Electrical control to adjust the focus use THB6128 chip stepper motor drive, use PT4115 chip control LED lights achieve the lights dim lighting adjustment, based on LabVIEW virtual instrument platform to develop the main control program to build the peripheral hardware, realize the automatic control of microscope. Experiments prove that the PC sends instructions to the lower computer through serial data communication, by adjusting the LED lamp light and dark as well as a stepper motor driven rotation of the stage moving up and down, achieved obtain a clear image at a suitable lighting and focus. Make microscope control more simplified and precise, easy image acquisition.

LabVIEW; serial ports; stepper motor; LED; auto-control

2015-06-29;

2015-08-25。

国家重大科学仪器设备开发专项(2011YQ080052);国家高技术研究发展计划(863计划)(2012AA10A503)。

陶明超(1989-),山东潍坊人,硕士研究生,主要从事电路系统及LabVIEW虚拟仪器等方向的研究。

1671-4598(2016)01-0102-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.01.028

TP273

A

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