伺服控制系統的硬件設計

在顯微鏡伺服系統中，硬件主要由電動(dòng)機驅動(dòng)控制系統、顯微鏡光源自動(dòng)控制系統與分布式監控網(wǎng)絡(luò )系統三部分組成。為了保證所有的控制系統既可單獨工作，又可同時(shí)工作的要求，采用了多單片機組成的分布式通信網(wǎng)絡(luò )，通過(guò)RS-232通信接口，直接接受PC的統一管理?？紤]到成本問(wèn)題，選用了性?xún)r(jià)比很高的AT89C2051單片機I/O端口及可以在PC上進(jìn)行通信的UART通信端口。

在電機驅動(dòng)控制系統中，用四個(gè)步進(jìn)電動(dòng)機分別控制顯微鏡載物臺在X軸和y軸方向上的平面運動(dòng)，在Z軸方向上的調焦運動(dòng)與物鏡的選擇切換。每一個(gè)步進(jìn)電動(dòng)機用一個(gè)AT89C⒛51單片機來(lái)單獨管理其運行狀態(tài)及移動(dòng)的位置，其驅動(dòng)環(huán)節電路框圖如圖1所示。和y軸兩個(gè)方向上的開(kāi)環(huán)位移進(jìn)行控制;可通過(guò)計算機圖像的灰度值閉環(huán)控制物鏡的上下移動(dòng)，以實(shí)現自動(dòng)調焦;物鏡轉換器可自動(dòng)切換;通過(guò)載物臺在X軸和y軸兩個(gè)方向上的二維移動(dòng)，再加上在Z軸方向上的實(shí)時(shí)自動(dòng)跟蹤調焦，可實(shí)現對觀(guān)察物(切片或培養皿)進(jìn)行實(shí)時(shí)掃描，使整個(gè)觀(guān)察過(guò)程能顯示出清晰的圖像;通過(guò)預先設定載物臺的運動(dòng)規則，使顯微鏡能按程序觀(guān)察到規定的視場(chǎng);通過(guò)快速接近(相當于粗調)或精細調節(相當于微調)兩種方式可自動(dòng)精確調焦和自動(dòng)跟蹤調焦(調焦精度小于0.5 gm);單片機控制電路和計數脈沖及在X軸和y軸兩方向上的重復定位精度(±0.02 mm)能滿(mǎn)足醫學(xué)臨床檢驗的需要;可聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行遠程遙控顯微鏡，以利于醫學(xué)學(xué)術(shù)交流或教學(xué)交流。

伺服控制系統的原理框圖如圖1所示，圖中的虛線(xiàn)框是顯微鏡的伺服控制系統，它通過(guò)分布式微控制器系統網(wǎng)絡(luò )來(lái)驅動(dòng)顯微鏡平臺的精確運動(dòng)，具有自動(dòng)精確調焦和自動(dòng)跟蹤調焦的功能。

由CCD采集到的圖像經(jīng)圖像采集卡送入計算機，PC根據算法分析當前圖像的清晰度。若圖像不是最清晰的，則PC通過(guò)RS-232通信端口發(fā)送調焦命令送給微控制器系統，微控制器系統把相應的控制信號傳送給Z軸調焦電機，由Z軸調焦電動(dòng)機推動(dòng)調焦機構做相應的運動(dòng)，從而改變圖像的清晰度。如此反復的由PC與伺服系統共同作用，直至找到圖像最清晰的位置為止，從而完成自動(dòng)精確調焦的全過(guò)程。由PC發(fā)送命令，通過(guò)控制x軸和y軸步進(jìn)電機的運動(dòng)可改變觀(guān)察視場(chǎng)。在改變視場(chǎng)的過(guò)程中，PC自動(dòng)跟蹤圖像的清晰度，以保證物鏡處于最佳成像位置。