基于LabVIEW的顯微鏡自動(dòng)控制設(shè)計(jì)

陶明超，何璐璐，侯佩臣，周　航，張永凱,趙建平，王　成

(1.北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心，北京　100192; 2.曲阜師范大學(xué) 物理工程學(xué)院，山東 曲阜　273165)

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基于LabVIEW的顯微鏡自動(dòng)控制設(shè)計(jì)

陶明超1,2，何璐璐2，侯佩臣2，周航2，張永凱1,2,趙建平1，王成2

(1.北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心，北京100192; 2.曲阜師范大學(xué) 物理工程學(xué)院，山東 曲阜273165)

為方便CCD相機(jī)采集顯微鏡下的圖像，對(duì)顯微鏡的控制進(jìn)行了研究；設(shè)計(jì)了一種實(shí)現(xiàn)顯微鏡自動(dòng)控制的方法；利用THB6128芯片驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)焦距的電控調(diào)節(jié)，利用PT4115芯片控制LED燈實(shí)現(xiàn)照明燈光亮暗的調(diào)節(jié)，基于LabVIEW虛擬儀器平臺(tái)開發(fā)主控制程序搭建外圍硬件，實(shí)現(xiàn)顯微鏡的自動(dòng)控制；實(shí)驗(yàn)證明，上位機(jī)運(yùn)用程序通過串口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信向下位機(jī)發(fā)送指令，通過調(diào)節(jié)LED燈的亮暗以及步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)載物臺(tái)的上下移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了在一個(gè)合適的光照和焦距下獲取清晰的圖像；使顯微鏡控制更加的簡化與精確，便于圖像的采集。

LabVIEW；串口；步進(jìn)電機(jī)；LED；自動(dòng)控制

0　引言

在農(nóng)業(yè)疾病預(yù)防研究中，對(duì)空氣中孢子數(shù)目進(jìn)行采集計(jì)數(shù)可為水稻稻瘟病侵染傳播起到預(yù)警作用。傳統(tǒng)計(jì)數(shù)方法采用顯微鏡孢子計(jì)數(shù)法進(jìn)行，即直接在顯微鏡下進(jìn)行鏡檢計(jì)數(shù)，但是孢子個(gè)體小、數(shù)量大，所以需耗費(fèi)大量的時(shí)間，而且難以保證準(zhǔn)確性[1]。因此計(jì)算機(jī)顯微圖像處理系統(tǒng)的應(yīng)用顯得十分重要[2]，通過高精度顯微鏡下拍照獲取孢子圖像，然后進(jìn)行圖像處理完成孢子的自動(dòng)計(jì)數(shù)，方法更加簡便、高效、精準(zhǔn)。獲取清晰的圖像是圖像有效處理的前提，而顯微鏡的焦距及光照亮度的調(diào)節(jié)是獲取圖像過程的關(guān)鍵。本文設(shè)計(jì)了一種實(shí)現(xiàn)顯微鏡的自動(dòng)控制的方法，完成對(duì)焦距以及光照亮度的調(diào)節(jié)控制，避免手動(dòng)的繁瑣，使調(diào)焦的過程更加簡便、直觀。特別對(duì)于試驗(yàn)周期長、無人值守的遠(yuǎn)程采集中，該設(shè)計(jì)亦可通過遠(yuǎn)程通訊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

1　自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)分為兩部分：1)通過載物臺(tái)的上下移動(dòng)，即調(diào)整顯微鏡物鏡與所觀測(cè)孢子培養(yǎng)皿的距離從而改變焦距；2)控制光源的亮度，為圖像采集提供合適的照明亮度。系統(tǒng)硬件電路由STC12C5A60S2單片機(jī)作為主控芯片，連接THB6128、PT4115芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)和可調(diào)光LED燈的控制。PC機(jī)通過RS232串口線連接主控芯片，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)下位機(jī)的指令控制。

1.1主控單片機(jī)電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用STC12C5A60S2單片機(jī)為控制核心。該芯片具有高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾等優(yōu)點(diǎn)。指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的8051，內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，兩路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換，內(nèi)部R/C振蕩器避免強(qiáng)干擾[3]；并且具有2個(gè)通用全雙工異步串行接口[4]，每個(gè)接口都由兩個(gè)數(shù)據(jù)緩沖器、一個(gè)移位寄存器、一個(gè)串行控制寄存器等組成，并且每個(gè)數(shù)據(jù)緩沖器由兩個(gè)相互獨(dú)立的接收、發(fā)送緩沖器組成，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收、發(fā)送。

1.2步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

通過載物臺(tái)的上下移動(dòng)實(shí)現(xiàn)焦距的調(diào)節(jié)，載物臺(tái)的移動(dòng)由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用兩相四線步進(jìn)電機(jī)控制，步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移，再通過精細(xì)的機(jī)械傳動(dòng)轉(zhuǎn)化成直線位移的執(zhí)行元件，其輸入量為脈沖序列，輸出為相應(yīng)的角度或直線增量，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的[5-6]。電機(jī)的正反向轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)控制臺(tái)的上下移動(dòng)，即物鏡焦距的增大、減小。

系統(tǒng)采用THB6128芯片驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。該芯片為高細(xì)分兩相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，經(jīng)過擴(kuò)展簡單的電路就能成為高性能兩相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器[7]。THB6128芯片引腳ENABLE引腳與單片機(jī)P0.1引腳連接控制輸出，當(dāng)ENABLE為低電平時(shí)，輸出關(guān)斷，高電平時(shí)則電平輸出。CW/CCW引腳與單片機(jī)P0.2連接控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，為低電平時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)，高電平時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)，CLK引腳與單片機(jī)P0.3引腳連接，可控制時(shí)鐘頻率來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1　步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

1.3LED燈控制電路

不同的外部環(huán)境會(huì)導(dǎo)致光亮的不同，特別較暗的環(huán)境需要照明光源為圖像采集提供光源補(bǔ)充，合適的光照使成像視野更加的清晰。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中光源采用可調(diào)光LED燈，LED燈照明系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間快，可獲取高品質(zhì)、高對(duì)比度圖像[8]。

系統(tǒng)中LED燈光照亮暗的調(diào)節(jié)控制是由PT4115芯片實(shí)現(xiàn)。PT4115芯片是一款電感電流導(dǎo)通模式的降壓恒流源，該芯片具有過溫、過壓、過流、LED開路保護(hù)等多種功能，非常適合用于照明LED燈的驅(qū)動(dòng)電路[9]。該芯片通過DIM引腳接單片機(jī)P1.3引腳，通過單片機(jī)雙路PWM實(shí)現(xiàn)寬范圍調(diào)光，LED控制電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2　LED控制電路

2　自動(dòng)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括兩部分：下位機(jī)和上位機(jī)。下位機(jī)程序?yàn)橄到y(tǒng)外圍硬件運(yùn)行所需程序；上位機(jī)程序?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)的主控程序。

2.1下位機(jī)程序設(shè)計(jì)

下位機(jī)單片機(jī)程序編程語言為C語言。首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，包括使能外部中斷、串口配置。下位機(jī)接收上位機(jī)電腦指令為16進(jìn)制8位單字節(jié)，向上位機(jī)反饋信息為16進(jìn)制8位4字節(jié)，通過顯微鏡自動(dòng)控制通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)照明光源開關(guān)、亮度增減、焦距的粗調(diào)、微調(diào)以及運(yùn)行位置的清零。下位機(jī)根據(jù)指令實(shí)現(xiàn)相應(yīng)操作后會(huì)反饋給上位機(jī)相應(yīng)的信息。下位機(jī)程序設(shè)計(jì)流程及相應(yīng)的功能協(xié)議如圖3所示。

圖3　下位機(jī)程序設(shè)計(jì)流程圖

2.2基于LabVIEW的上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

LabVIEW是一種圖標(biāo)代替文字創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語言，設(shè)計(jì)者可方便建立虛擬儀器程序而無需復(fù)雜的程序代碼編寫[10-11]。LabVIEW支持多種硬件接口, 可與多種外圍硬件連接實(shí)現(xiàn)對(duì)外圍硬件的控制。LabVIEW的編程方式是通過數(shù)據(jù)流實(shí)現(xiàn)，利用控件代替函數(shù)，數(shù)據(jù)流的流向用連線表示，其強(qiáng)大的圖形化編程語言和直觀的圖形化環(huán)境使程序的編寫更加快捷[12]。

上位機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)兩方面功能：1)串口通信，實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)通信；2)自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)顯微鏡焦距的調(diào)整與LED照明燈亮度的調(diào)節(jié)。

2.2.1串口通信程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)與下位機(jī)利用計(jì)算機(jī)串口連接RS232線進(jìn)行通信，通信程序編寫利用LabVIEW儀器I/O的串口子模板中的VISA功能模塊[13]。VISA模塊的出現(xiàn)使程序在各種硬件接口上都能工作，通過調(diào)用相同的VISA庫函數(shù)并配置不同的設(shè)備參數(shù)，就可以編寫控制各種I/O接口儀器的通用程序[14]。串口通信流程為初始化串口、配置串口、字符寫入、字符讀取以及關(guān)閉串口，串口通信流程如圖4所示。

圖4　串口通信流程圖

VISA串口配置具體為波特率9 600、數(shù)據(jù)位8、停止位1、奇偶校驗(yàn)位None。程序中運(yùn)用兩次Case結(jié)構(gòu)，第一次判別是否有字符串寫入；第二次是在讀取字符時(shí)，判定是否在超時(shí)時(shí)間內(nèi)讀取到字符以及反饋到的字符數(shù)目是否大于0，事件為真時(shí)執(zhí)行寫入的指令，事件為假則返回繼續(xù)寫入字符。

2.2.2自動(dòng)控制程序設(shè)計(jì)

將已實(shí)現(xiàn)的串口通信VI創(chuàng)建為子VI。首先對(duì)其圖標(biāo)進(jìn)行編輯，方便主VI中識(shí)別其功能；其次，創(chuàng)建連線端，在主VI中連線端包括字符寫入、VISA資源名稱；最后保存子VI。創(chuàng)建子VI后即可在主程序中直接調(diào)用實(shí)現(xiàn)其功能。

自動(dòng)控制程序需實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的粗調(diào)微調(diào)、正反轉(zhuǎn)、光源的開關(guān)、光照的亮暗以及調(diào)焦停止等，涉及多個(gè)事件，所以選用事件結(jié)構(gòu)。當(dāng)不同事件發(fā)生，程序作出不同響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。事件結(jié)構(gòu)中默認(rèn)事件為Timeout事件，它表示當(dāng)指定的超時(shí)時(shí)間內(nèi)沒有任何該事件結(jié)構(gòu)所定義的其他事件發(fā)生時(shí)，觸發(fā)Timeout事件[10]。整個(gè)自動(dòng)控制是一個(gè)連續(xù)過程，采用While結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)程序多次循環(huán)運(yùn)行。并且對(duì)一些反饋信息進(jìn)行提取，亮度計(jì)數(shù)器會(huì)反饋照明調(diào)光+/-點(diǎn)擊的次數(shù)，對(duì)應(yīng)照明的亮度變化，程序默認(rèn)光源開啟為最亮狀態(tài)，即數(shù)值為128時(shí)為最亮，隨著點(diǎn)擊照明調(diào)光-，滑動(dòng)桿左移直至最暗數(shù)值為0。為避免程序運(yùn)行故障，保證計(jì)算機(jī)順利運(yùn)行程序，添加一個(gè)時(shí)間等待，設(shè)置等待100 Ms運(yùn)行下一循環(huán)。

圖5　自動(dòng)控制前面板設(shè)計(jì)

圖5　系統(tǒng)測(cè)試圖像變化過程

3　系統(tǒng)測(cè)試

本文對(duì)自動(dòng)控制程序進(jìn)行驗(yàn)證，以向日葵根系為例。利用圖像采集模塊成像，上位機(jī)呈現(xiàn)未經(jīng)過調(diào)焦的圖像如圖5(a)所示。運(yùn)行自動(dòng)控制程序，點(diǎn)擊前面板按鈕。第一步調(diào)節(jié)照明亮度，點(diǎn)擊“照明調(diào)光+”按鈕(若光源過亮則點(diǎn)擊“照明調(diào)光-”)，LED燈光亮度會(huì)不斷增強(qiáng)，直到圖像視野達(dá)到合適亮度停止調(diào)光，如圖5(b)所示；第二步焦距粗調(diào)，點(diǎn)擊“電動(dòng)調(diào)焦+”按鈕，增加物鏡焦距，直到視野能夠呈現(xiàn)接近清晰的圖像，如圖5(c)所示；然后進(jìn)行焦距微調(diào)，點(diǎn)擊前面板“微動(dòng)調(diào)焦+”按鈕，使物鏡焦距輕微調(diào)動(dòng)，直至視野呈

現(xiàn)清晰圖像，如圖5(d)所示。若焦距過大則點(diǎn)擊“電動(dòng)調(diào)焦-”、“微動(dòng)調(diào)焦-”按鈕減小焦距，獲取清晰圖像。經(jīng)驗(yàn)證，本自動(dòng)控制設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)圖像采集過程中清晰圖像的獲取。變化過程如圖6所示。

4　總結(jié)

本文實(shí)現(xiàn)了LabVIEW與單片機(jī)的串口通信，并結(jié)合外圍電路實(shí)現(xiàn)了顯微鏡的自動(dòng)控制。通過LabVIEW虛擬儀器平臺(tái)編寫程序，解決了整個(gè)系統(tǒng)開發(fā)工作量大、周期長、成本高的缺點(diǎn)，使得系統(tǒng)更加的簡化、后期更改維護(hù)更加的方便，并且具有極高的可移植性。使采集圖像時(shí)顯微鏡調(diào)焦控制較傳統(tǒng)操作更加簡便，成像更加清晰，為水稻稻瘟病的預(yù)警研究打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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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。

國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)(2011YQ080052)；國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)(2012AA10A503)。

陶明超(1989-)，山東濰坊人，碩士研究生，主要從事電路系統(tǒng)及LabVIEW虛擬儀器等方向的研究。

1671-4598(2016)01-0102-03

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

TP273

A