單色激發(fā)光源外圍控制電路設計

面的顯示，光敏電阻監測氙燈的工作狀態(tài)，繼電器及其驅動(dòng)電路組成的電源控制電路配合FX2實(shí)現單色激發(fā)光源的各部分電路按照預定程序加電，在系統異常的情況下可以關(guān)閉氙燈和光柵掃描器的電源。模數轉換電路及信號調理電路用于采集光電轉換的數據，完成系統的自動(dòng)校準。

圖1 外圍電路系統結構圖

3．具體設計原理及方案

3．1 自動(dòng)校準電路的設計

對于每一套單色光源系統，即使采用相同的光學(xué)器件，在具體參數上也會(huì )不盡相同。所以對于每一套光學(xué)系統，在使用之初和使用一段時(shí)間之后，必須對系統進(jìn)行校準，以達到精確的測量。自動(dòng)校準電路正是基于此目的，方便用戶(hù)而設計的。

3．1．1自動(dòng)校準的原理

單色光源采用衍射光柵中的閃耀光柵作為分光元件。設計時(shí)選用光柵的一級光譜，由衍射定理可以推導出單色光源輸出波長(cháng)和相關(guān)角度之間的關(guān)系表達式為式(1)^[2]：

(1)

式中 為輸出波長(cháng)；

為光柵刻槽之間的間距；

為光柵背離角度，即入射光線(xiàn)與衍射光線(xiàn)之間的夾角；

為入射光線(xiàn)與衍射光線(xiàn)之間的二等分線(xiàn)距離光柵法線(xiàn)的夾角。

我們設計的單色光源系統保持入射光和反射光的方向不變，即保持二者的夾角β不變，而通過(guò)旋轉光柵來(lái)得到變化的波長(cháng)λ，實(shí)現波長(cháng)的連續調節，并且特定的光柵其刻槽間距也是固定的。因此，衍射輸出波長(cháng)與光柵定位器的輸入電壓(V_i)成線(xiàn)性關(guān)系，用式(2)表示

=k V_i +b (2)

式中，k和b是常數。實(shí)驗中我們通過(guò)確定兩個(gè)已知波長(cháng)(如400nm和588nm)對應的輸入電壓，即可求出k和b，從而確定在整個(gè)光譜范圍內單色激發(fā)光源系統的輸出波長(cháng)和光柵定位器的輸入電壓之間的函數關(guān)系。

3．1．2 自動(dòng)校準的硬件設計

利用PC機上的光學(xué)掃描應用程序，很方便實(shí)現系統的自動(dòng)校準。當整個(gè)單色光源系統在無(wú)PC機的環(huán)境下運行時(shí)，我們采用手控板來(lái)發(fā)送校準命令，用FX2內部集成的增強型8051來(lái)控制整個(gè)校準過(guò)程。首先在光路的輸出端連接上一個(gè)多波段（400nm, 469nm, 588nm）窄帶濾光片和光電倍增管，光電倍增管的輸出電壓通過(guò)放大到-10V~+10V后連接到模數轉換電路模塊^[4]。ADC的電路如圖2所示。其中采用的AD7895是ANALOG DEVICE公司生產(chǎn)的12位串行高速ADC,轉換時(shí)間3.8μs，輸入范圍可選，其中AD7895-10輸入范圍為-10V~+10V。通過(guò)電路中的數模轉換模塊發(fā)送-10V~+10V的模擬電壓，對整個(gè)波長(cháng)段進(jìn)行掃描。數模轉換模塊如圖3所示。其中采用的AD5322是12位精度、單電源供電、輸出緩沖為軌－軌的串行數模轉換器。AD7895和AD5322在FX2的控制下，實(shí)現同步的發(fā)送與采集。我們通過(guò)確定兩個(gè)已知波長(cháng)(如400nm和588nm)對應的輸入電壓，通過(guò)公式2即可求出k和b。并將這兩個(gè)參數存儲在EEPROM中。

圖2 模數轉換及信號調理電路

圖3 數模轉換及信號調理電路

3．2 手控板的設計

手控板的主要功能是實(shí)現在無(wú)PC機的情況下，實(shí)現對整個(gè)單色光源系統的控制。主要包括選擇單色光源的控制方式（手控板控制，PC機控制，外部控制），發(fā)送自動(dòng)校準命令及發(fā)送波長(cháng)數據等。

3．2．1 硬件設計

在手控板電路設計方案上，我們選擇了手控板的微處理機通過(guò)RS232協(xié)議與FX2通訊，由FX2控制將手控板電路發(fā)送的數據“翻譯”為相應的模擬電壓來(lái)控制光柵掃描器。手控板系統的框圖如圖4所示。圖中OLED顯示和鍵盤(pán)掃面電路用于提供與用戶(hù)交互的界面。I²C存儲電路用于存儲用戶(hù)設置的波長(cháng)和其它參數。RS232和電源接口電路用于手控板的微處理器與FX2通訊并為手控板供電。

圖4 手控板系統框圖

圖5手控板菜單結構圖

3．2．2 多級菜單的軟件設計

人機界面的設計是手控板設計中比較復雜的工作，其涉及到多級菜單的編寫(xiě)。根據手控板菜單結構圖（如圖5所示），首先建立一個(gè)結構，并定義一個(gè)結構變量KbdTabStruct。該結構中共有7個(gè)結構元素，分別是6個(gè)字符型變量和1個(gè)指針變量，6個(gè)字符型變量分別為當前及各個(gè)按鍵的索引號，也就是操作的狀態(tài)號，最后1個(gè)指針變量指向需執行函數。這樣就可以做一個(gè)結構數組，在結構數組里為每一個(gè)菜單項編制一個(gè)單獨的函數，并根據菜單的嵌套順序排好本菜單項的索引號，以及本級菜單項的上、下卷動(dòng)的索引號和上、下級菜單的索引號^[5]。具體程序如下所述：

typedef struct

{

BYTE KeyStateIndex; //當前狀態(tài)索引號

BYTE KeyF1State; // 按下F1”鍵時(shí)轉向的狀態(tài)索引號

BYTE KeyF2State; // 按下F2”鍵時(shí)轉向的狀態(tài)索引號

BYTE KeyF3State; // 按下F3”鍵時(shí)轉向的狀態(tài)索引號

BYTE KeyF4State; // 按下F4”鍵時(shí)轉向的狀態(tài)索引號

BYTE KeyCancelState; // 按下取消鍵時(shí)轉向的狀態(tài)索引號

void (*CurrentOperate) ( ); // 當前狀態(tài)應該執行的功能操作

} KbdTabStruct;

KbdTabStruct code KeyTab[SIZE_OF_KEYBD_MENU] =

{

{0,1,1,1,1,1,(*Welcome)},

{1,2,3,4,1,1,(*ControlSel)},

{2,5,6,7,2,1,(*ManusCon)},

{3,3,3,3,3,1,(*PCCon)},

{4,4,4,4,4,1,(*ExCon)},

…………

{29,29,29,29,29,11,(*TRITC)},

};

手控板中實(shí)際運用的菜單達29屏，分為5層，采用上面的方法，較好地解決了多層萊單顯示的問(wèn)題。主程序一旦編制完畢則不需要因為菜單的修改而修改，除非要添加新的功能。添加菜單或變量時(shí)只需按照順序向菜單庫或變量庫中加入，刪除或修改菜單也只需對菜單庫中相關(guān)菜單進(jìn)行操作即可。

4．結束語(yǔ)

按照本文的設計，實(shí)現了對單色光源光學(xué)系統的有效控制。本文作者創(chuàng )新點(diǎn)：整個(gè)單色光源系統能夠在脫離PC的環(huán)境下，通過(guò)手控板實(shí)現自動(dòng)校準等功能；簡(jiǎn)單實(shí)現且易于維護的多級菜單提供了友好的人機界面，提高了系統的智能化水平。本外圍控制電路經(jīng)過(guò)一定的改進(jìn)，配合單色光源光學(xué)系統，可以形成一套完整的單色激發(fā)光源系統，在性能上將完全能夠達到國外同類(lèi)產(chǎn)品的水平，能夠廣泛運用于各種熒光顯微檢測系統中。

參考文獻

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