共焦掃描成像系統(tǒng)中串口通信的C#實現(xiàn)*

林 睿

（重慶工商大學(xué)計算機科學(xué)與信息工程學(xué)院，重慶 400067）

共焦掃描成像因為橫向分辨率比普通顯微系統(tǒng)高并且具有良好的光學(xué)層析能力，在三維顯微成像中具有獨特優(yōu)勢，因此在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)、材料學(xué)、生物學(xué)和半導(dǎo)體芯片檢測等亞微米技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用［1－5］。在研制共焦掃描成像系統(tǒng)中，對圖像信號進行采集并傳輸?shù)接嬎銠C中進行處理是一項關(guān)鍵技術(shù)，由于系統(tǒng)中采集的是靜態(tài)圖像［2］，數(shù)據(jù)處理量不是很高，因而可以采用串行通信作為數(shù)據(jù)傳輸通信方式［3］。

在Windows環(huán)境下開發(fā)串行通信程序［6］可以利用Windows API通信函數(shù)或者利用第三方編寫的串口類或者利用串口通信組件，如ActiveX控件MSComm。隨著.Net Framework的普及，通過.Net Framework平臺進行串口設(shè)備開發(fā)在軟件升級過程中起著越來越重要的作用?；?Net Framework的Visual CJHJ 2008的串口類（SerialPort類）［7］方便地實現(xiàn)了串口通訊所需要的多種功能，能賦予串口通信程序設(shè)計較大的靈活性，是今后串口通信的一個重要發(fā)展方向。提出了一種利用CJHJ中的SerialPort類進行RS232串口通信的方法，以完成對共焦成像系統(tǒng)的軟件升級。

1 共焦掃描成像系統(tǒng)

1.1 共焦掃描成像原理［4］

共焦掃描成像系統(tǒng)（圖1）利用放置在光源后的照明針孔和放置在探測器前的探測針孔實現(xiàn)點照明和點探測，來自光源的光通過照明針孔發(fā)射出的光聚焦在樣品焦平面的某個點上，該點所發(fā)射的熒光成像在探測針孔上，照明針孔與探測針孔對被照射點或被探測點來說是共軛的，因此被探測點即共焦點，被探測點所在的平面即共焦平面。如果被探測點不在焦點，那么該點所發(fā)射的熒光成像在針孔的前面或后面某個位置，而在針孔所在的探測面上僅僅形成彌散斑，此時通過針孔為探測器探測到的光能量很少，也就是說非焦點信號強度遠遠低于焦點信號強度。在共焦掃描成像中，只有一個物點參與成像，排除了臨近物點的影響，因此分辨率可以突破瑞利衍射極限。計算機以像點的方式將被探測點顯示在計算機屏幕上，為了產(chǎn)生一幅完整的圖像，由光路中的掃描系統(tǒng)在樣品焦平面上掃描（X-Y掃描），從而產(chǎn)生一幅完整的共焦圖像。只要載物臺沿著Z軸上下移動，將樣品新的一個層面移動到共焦平面上，樣品的新層面又成像在顯示器上，隨著Z軸的不斷移動，就可得到樣品不同層面連續(xù)的光切圖像。

圖1 共焦掃描成像系統(tǒng)

1.2 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

共焦掃描成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)［4，5］如圖1所示，系統(tǒng)由光學(xué)系統(tǒng)、圖像數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)、系統(tǒng)掃描控制單元和計算機組成。光學(xué)系統(tǒng)主要由激光器、成像（聚光）透鏡、光電倍增管PMT組成。圖像數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)由計算機（上位機）和單片機（MCU）系統(tǒng)（下位機）組成。系統(tǒng)掃描控制單元利用單片機（MCU）驅(qū)動步進電機帶動載物臺沿預(yù)定軌跡運動，實現(xiàn)逐點掃描。計算機（上位機）通過RS232串口即DB9串口實現(xiàn)對下位機（MCU）的控制及圖像數(shù)據(jù)的后期處理。

2 RS232串口通信系統(tǒng)及CJHJ中的串口類

確保計算機與單片機之間具有優(yōu)良的數(shù)據(jù)傳輸通道，對于整個共焦掃描成像系統(tǒng)快速獲得物平面高質(zhì)量的圖像至關(guān)重要，因此采用成熟的RS232串口技術(shù)可確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和可靠性。而在串口通信軟件升級中采用Visual CJHJ 2008的SerialPort類進行通信軟件開發(fā)，因為SerialPort類封裝了使用RS232開發(fā)串口通信軟件的細節(jié)，做到了.Net Framework與串口設(shè)備的無縫連接，因而能實現(xiàn)串口讀寫數(shù)據(jù)的可靠性，保證了通信的正確性和可靠性。

2.1 RS232串口的信號線定義及連接方法［6］

串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過使用和發(fā)展，目前已經(jīng)有多種，但都是在RS232標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上經(jīng)過改進而形成的。RS232通信協(xié)議適合于數(shù)據(jù)傳輸速率在0～200 00 bit/s范圍內(nèi)的通信。由于RS232并未定義連接器的物理特性，因此，出現(xiàn)了DB25（25針）、DB15（15針）和DB9（9針）為主的各種類型的連接器。目前，個人計算機中多以DB9為主要的串行通信接口，因而在共焦掃描成像系統(tǒng)中考慮以DB9為主進行串口通信開發(fā)。

RS232通信協(xié)議是DTE（數(shù)據(jù)終端設(shè)備）和DCE（數(shù)據(jù)通信設(shè)備）之間的一個接口協(xié)議，RS232標(biāo)準(zhǔn)指出DTE應(yīng)該擁有一個插頭（針輸出），DCE擁有一個插座（孔輸出）。目前的個人計算機的DB9串口為一個9針插頭（圖2）。各針腳功能分別為:DCD——數(shù)據(jù)載波檢測;RxD——串口數(shù)據(jù)輸入;TxD——串口數(shù)據(jù)輸出;DTR——數(shù)據(jù)終端就緒;SG——信號地;DSR——數(shù)據(jù)發(fā)送就緒;RTS——發(fā)送數(shù)據(jù)請求;CTS——清除發(fā)送;RI——振鈴指示。

在通信速率低于20 kb/s時，RS232所直接連接的最大物理距離為15 m。通信雙方可以直接連接，這種情況下，只需使用少數(shù)幾根信號線。最簡單的情況，在通信中根本不需要RS232的控制聯(lián)絡(luò)信號，只需3根線（發(fā)送線、接收線、信號地線）便可實現(xiàn)全雙工異步串行通信，如圖3（a）所示。用跳線使串口的第2、3針連接，可以在本地計算機上實現(xiàn)串口通信，所以，通過串口的第2、3針的連接可以對程序進行檢測，如圖3（b）所示。

2.2 CJHJ中的串口類 SerialPort［7］

Visual CJHJ 2008類庫包含了SerialPort類，可以方便地實現(xiàn)所需要串口通訊的多種功能，基本技術(shù)為:（1）命名空間。System.IO.Ports命名空間包含了控制串口重要的SerialPort類，該類提供了同步 I/O和事件驅(qū)動的I/O、對管腳和中斷狀態(tài)的訪問以及對串行驅(qū)動程序?qū)傩缘脑L問，所以在程序代碼起始位置需加入 Using System.IO.Ports。

（2）串口的通訊參數(shù)。串口通訊最常用的參數(shù)就是通訊端口號及通訊格式即:波特率、數(shù)據(jù)位長度、停止位和校驗位。

a.通訊端口號。在SerialPort類中用PortName屬性獲取或設(shè)置通信端口，包括但不限于所有可用的COM端口，該屬性返回類型為String，通常情況下，PortName正常返回的值為COM1、COM2等，SerialPort類最大支持的端口數(shù)多于16，方便了用戶串口設(shè)備的配置。

b.通訊格式。SerialPort類對分別用BaudRate、DataBits、Parity、StopBits屬性設(shè)置通訊格式中的波特率、數(shù)據(jù)位長度、奇偶校驗檢查協(xié)議和停止位。BaudRate和DataBits是整型int數(shù)據(jù)，BaudRate屬性的默認值為9600 bps。DataBits屬性的值范圍是從5到8，默認值為8。Parity和StopBits是枚舉類型數(shù)據(jù)，Parity類型中枚舉了Odd、Even、Mark、None、Space，默認值為 None;StopBits枚舉了 None、One、OnePointFive、Two，默認值為 One。

（3）串口的操作。

a.通信端口號的獲取。SerialPort類中用GetPortNames（）方法獲取當(dāng)前計算機的串行端口名稱數(shù)組。

b.串口的打開和關(guān)閉。SerialPort類中用Open（）和Close（）方法就可以實現(xiàn)串口的打開和關(guān)閉。

c.串口數(shù)據(jù)的發(fā)送和的讀取。SerialPort類中調(diào)用重載的Write（）和WriteLine（）方法發(fā)送數(shù)據(jù)。WriteLine（）可發(fā)送字符串并在字符串末尾加入換行符。而用ReadLine（）則可以一直讀取到輸入緩沖區(qū)中的NewLine值，屬性NewLine定義ReadLine和WriteLine方法的行尾，默認為換行符。

事件。從SerialPort對象接收數(shù)據(jù)時，將在輔助線程上引發(fā)Data

事件。串行接收事件可以由SerialData枚舉中的任何項引起，SerialData枚舉類型有兩個值為Chars（表示接收到了一個字符并將其放入了輸入緩沖區(qū)）和Eof（表示接收到了文件結(jié)束字符并將其放入了輸入緩沖區(qū)）。DataReceived事件還可以由接收到了由屬性ReceivedBytesThreshold設(shè)置的輸入緩沖區(qū)中的字節(jié)數(shù)引發(fā)。

BytesThreshold屬性用于獲取或設(shè)置DataReceived事件發(fā)生前內(nèi)部輸入緩沖區(qū)中的字節(jié)數(shù)。

（5）串口對象的初始化。SerialPort類提供了七個重載的構(gòu)造函數(shù)，既可以對已經(jīng)實例化的SerialPort對象設(shè)置上述相關(guān)屬性的值，也可以使用構(gòu)造函數(shù)SerialPort（String，Int32，Parity，Int32，StopBits）指定的端口名稱、波特率、奇偶校驗位、數(shù)據(jù)位和停止位初始化SerialPort類的新實例。

3 CJHJ中串口通訊的實現(xiàn)

3.1 軟件的設(shè)計

串口通訊的工作流程是:首先配置串口參數(shù)，再打開串口;然后接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，最后關(guān)閉串口。

在Visual CJHJ 2008環(huán)境下，建立實現(xiàn)本機串口通信測試的主窗體Form1，如圖4（a）所示。依照串口通訊的工作流程，窗體上依次放置5個按鈕分別是配置串口、打開串口、發(fā)送信息、接收信息和關(guān)閉串口，其中打開串口、發(fā)送信息、接收信息按鈕的Enabled屬性設(shè)置為false，隨著配置串口按鈕的點擊依次將其Enabled屬性設(shè)置為true。窗體上放置兩個文本編輯框textBox1和textBox2，分別顯示用于發(fā)送和接收到信息的內(nèi)容。

串口參數(shù)的設(shè)置在子窗體Form2中進行，在配置串口按鈕點擊后，子窗體彈出，如圖4（b）所示。子窗體Form2上放置3個組合框ComboBox分別設(shè)置可用串口、標(biāo)準(zhǔn)停止位和奇偶效驗。其中可用串口的下拉列表的值可在Form2顯示時的事件中添加如下代碼獲得:

圖4 C#串口通信測試軟件界面

ComboBox1.Items.AddRange（System.IO.Ports.SerialPort.GetPortNames（））;

為了能將子窗體Form2上的串口參數(shù)傳到主窗體Form1上，需要在Form1的類定義處添加5個公有靜態(tài)變量ComName、BaudRate、BitLength、PARITY、STOPBIT分別存放端口名稱、波特率、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗位和停止位的參數(shù)值。在子窗體Form2上的設(shè)置完成按鈕的Click事件中添加以下代碼:

這樣即可對主窗體Form1中的串口對象進行設(shè)置。

3.2 功能模塊的實現(xiàn)

（1）打開串口。在主窗體Form1的類中的串口對象SerialPort1定義為:

System.IO.Ports.SerialPort SerialPort1=new SerialPort（）;

在打開串口按鈕的Click事件中添加以下代碼:

（2）發(fā)送信息。當(dāng)發(fā)送信息按鈕激活后，在主窗體的文本編輯框textBox1中輸入要發(fā)送的信息，再點擊發(fā)送信息按鈕完成信息向串口的發(fā)送，其Click事件代碼如下:

private void SendMessage_Click（object sender，EventArgs e）

{SerialPort1.WriteLine（textBox1.Text）;//發(fā)送一行信息到串口

ReadMessage.Enabled=true;}//激活接收信息按鈕

（3）接收信息。當(dāng)接收信息按鈕激活后，點擊該按鈕，將已送到串口的信息讀取到主窗體的textBox2中進行顯示，其Click事件代碼如下:

（4）關(guān)閉串口。關(guān)閉串口的代碼非常簡單，只需要執(zhí)行SerialPort1.Close（）即可。

4 結(jié)論

在Visual C#2008中開發(fā)的串口通信測試軟件能成功地實現(xiàn)串口通信，表明提出的利用CJHJ實現(xiàn)共焦掃描成像系統(tǒng)的串口通信是一個可行的方案，因而利用CJHJ對共焦掃描成像系統(tǒng)進行軟件升級是可行的。

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