全自動涂片顯微視覺掃描儀控制系統(tǒng)開發(fā)

張從鵬，宋來軍，曹文政

（北方工業(yè)大學(xué)機(jī)械與材料工程學(xué)院，北京100144）

1 引言

顯微鏡檢驗(yàn)作為一種微觀觀測手段，廣泛應(yīng)用于材料微觀觀察、生物檢測、醫(yī)療檢驗(yàn)等[1]。人工鏡檢觀察存在的觀測效率低下、勞動強(qiáng)度大、檢測準(zhǔn)確度低、存檔困難等缺陷，嚴(yán)重制約了材料、醫(yī)學(xué)、生物等行業(yè)微觀形態(tài)檢驗(yàn)的使用效果。面向涂片的高效智能檢測應(yīng)用，研究基于光學(xué)顯微鏡的全自動涂片檢驗(yàn)技術(shù)和檢驗(yàn)工藝，開發(fā)全自動涂片顯微視覺掃描儀控制系統(tǒng)，用機(jī)械運(yùn)動機(jī)構(gòu)和視覺圖像系統(tǒng)替代檢驗(yàn)人員的“手眼腦”系統(tǒng)，減輕檢測人員勞動強(qiáng)度，提高檢驗(yàn)效率和檢測準(zhǔn)確度，對顯微微觀形態(tài)檢驗(yàn)技術(shù)應(yīng)用具有重要作用。

2 掃描儀機(jī)械平臺和工藝流程

2.1 機(jī)械平臺簡介

全自動涂片顯微視覺掃描儀機(jī)械平臺是基于顯微鏡設(shè)計的精密運(yùn)動系統(tǒng)，如圖1 所示。其中包括涂片彈匣進(jìn)退機(jī)構(gòu)、涂片推入退出機(jī)構(gòu)、載物臺掃描運(yùn)動機(jī)構(gòu)、滴油機(jī)構(gòu)、聚焦粗精調(diào)機(jī)構(gòu)等，分別由8 個精密步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動[2]。

圖1 全自動涂片顯微掃描儀機(jī)械平臺Fig.1 Automatic Smear Micro Scanner Mechanical Platform

掃描儀的電機(jī)分類及其功能，如圖2 所示。

圖2 機(jī)械平臺電機(jī)分類及其功能Fig.2 Machine Platform Motor Classification and Its Function

2.2 全自動檢驗(yàn)工藝流程

全自動涂片顯微視覺掃描儀的工藝流程是在依靠機(jī)械結(jié)構(gòu)、運(yùn)動控制算法和視覺圖像系統(tǒng)的條件下，實(shí)現(xiàn)涂片彈匣的裝載和退出、涂片的自動進(jìn)退、涂片二維碼掃描、滴油、自動聚焦、掃描采集圖像和上位機(jī)報警提示等過程，全自動檢驗(yàn)工藝流程，如圖3 所示。

圖3 全自動檢驗(yàn)工藝流程Fig.3 Automatic Inspection Process Flow

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計方案

全自動涂片顯微視覺掃描儀控制系統(tǒng)采用“計算機(jī)+工業(yè)相機(jī)+嵌入式控制器”控制架構(gòu)，整個系統(tǒng)功能框架，如圖4 所示。上位機(jī)負(fù)責(zé)人機(jī)交互、數(shù)據(jù)通信、圖像采集和檢測管理等工作。工業(yè)相機(jī)負(fù)責(zé)圖像采集工作。下位機(jī)負(fù)責(zé)對光柵尺和限位開關(guān)信號的采集，二維碼掃描，CAN 總線通信[3-4]，電機(jī)控制等。掃描儀的8 臺步進(jìn)電機(jī)分別由2 塊嵌入式控制器控制。

3.2 下位嵌入式控制器設(shè)計

3.2.1 下位嵌入式控制器硬件設(shè)計

下位嵌入式控制器選用32 位內(nèi)核的STM32F407 作為主控芯片[5]。根據(jù)應(yīng)用需求和硬件資源，控制器規(guī)劃4 臺步進(jìn)電機(jī)控制通道，2 路光柵尺接收通道、8 路限位開關(guān)通道、8 路DI、8 路DO及1 個CAN BUS 接口和RS-485 接口[6]，如圖5 所示。

圖5 嵌入式控制器硬件結(jié)構(gòu)Fig.5 Hardware Structure of Embedded Controller

3.2.2 下位嵌入式控制器軟件設(shè)計

下位嵌入式控制器軟件基于Keil μVision4 環(huán)境開發(fā)，使用C 語言編寫，控制器軟件結(jié)構(gòu)，如圖6 所示?？刂破鬈浖O(shè)計選用μCOS-II 實(shí)時操作系統(tǒng)，嵌入到STM32F407 中[7]，包括操作系統(tǒng)移植、CAN 總線通信、4 軸PWM 生成、數(shù)據(jù)存儲、限位開關(guān)信號采集、光柵尺信號采集[8]、二維碼數(shù)據(jù)接收和設(shè)備監(jiān)控等程序設(shè)計。

圖6 嵌入式控制器軟件結(jié)構(gòu)Fig.6 Embedded Controller Software Structure

3.3 自動聚焦算法實(shí)現(xiàn)

圖像采集采用“之”字形步進(jìn)掃描方法。圖像自動采集流程，如圖7 所示。在自動聚焦方面，基于傳統(tǒng)盲人爬山法[9]和采集對象的實(shí)際情況，提出了“搜索”和“掃描”兩階段的聚焦策略。初始運(yùn)動方向與真實(shí)焦平面所處位置關(guān)系未知、距離較遠(yuǎn)時，采用搜索聚焦；聚焦起點(diǎn)在上一幅圖像的焦平面位置，與焦平面距離較近時，采用掃描聚焦。一個完整涂片的掃描過程應(yīng)從“搜索聚焦”開始，采集到第一張清晰圖像后，轉(zhuǎn)為“掃描聚焦”采集模式。在兼顧掃描效率的前提下，很好的解決了部分視野由于圖像內(nèi)容稀疏導(dǎo)致自動聚焦失敗的問題[10]。

圖7 自動聚焦流程圖Fig.7 Automatic Focusing Flow Chart

3.4 上位機(jī)應(yīng)用軟件設(shè)計

上位機(jī)應(yīng)用軟件基于Microsoft VisualStuio2010 環(huán)境開發(fā)，使用C#語言編寫[11]，上位機(jī)應(yīng)用軟件功能結(jié)構(gòu)，如圖8 所示。

圖8 上位機(jī)應(yīng)用軟件功能結(jié)構(gòu)Fig.8 The Function Structure of The Master Computer Application Software

4 應(yīng)用實(shí)驗(yàn)

在圖1 所示掃描儀平臺上搭建的控制系統(tǒng)，如圖9 所示。包括開關(guān)電源、嵌入式控制器和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，上位機(jī)通過USBCAN 與下位控制系統(tǒng)通信，工業(yè)相機(jī)采用USB3.0 通信協(xié)議。將該系統(tǒng)應(yīng)用于結(jié)核桿菌和外周血涂片的自動掃描檢驗(yàn)，如圖10 所示。臨床應(yīng)用效果表明：全自動涂片顯微視覺掃描儀控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，圖像采集清晰高效，可以滿足多種涂片鏡檢項目的使用需求。

圖9 下位控制系統(tǒng)Fig.9 Lower Control System

圖10 臨床應(yīng)用效果Fig.10 Clinical Application Effect

5 結(jié)論

基于“計算機(jī)+工業(yè)相機(jī)+嵌入式控制器”的全自動涂片顯微視覺掃描儀控制系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計合理，下位嵌入式控制器結(jié)構(gòu)緊湊、實(shí)時性高，實(shí)現(xiàn)了自動掃描系統(tǒng)的精密運(yùn)動控制；提出的涂片自動掃描檢驗(yàn)工藝流程及圖像采集與聚焦算法實(shí)現(xiàn)了圖像的高效、高質(zhì)量獲??；開發(fā)的軟硬件系統(tǒng)分別應(yīng)用于結(jié)核桿菌和外周血的自動檢驗(yàn)設(shè)備，實(shí)驗(yàn)結(jié)果達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，對實(shí)現(xiàn)涂片檢驗(yàn)的數(shù)字化和智能化具有重要意義。