單色激發(fā)光源外圍控制電路設計
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【關鍵字】熒光顯微，手控板，自動校準，多級菜單
1．引言
熒光顯微技術在生物學和醫(yī)學領域已得到了廣泛應用,是觀測活細胞與周圍環(huán)境之間、細胞內生物大分子之間相互作用的有力工具。隨著世界科技發(fā)展不斷深入，尤其是生物、醫(yī)學、納米科技等領域已進入分子生物學、基因醫(yī)學、原子層次的發(fā)展新階段，單個分子或少許分子的熒光顯微檢測技術已經越來越引起人們的重視[1]。
由于不同熒光物質(生物、生化物質或熒光探針)需要不同波長的激發(fā)光才能發(fā)射熒光, 所以必須具備能控制或改變激發(fā)光波長的單色激發(fā)光源系統(tǒng)。國際上熒光檢測設備的生產廠商有德國的TILL、日本的奧林巴斯等公司，其相關產品有德國TILL公司生產的Polychrome系列單色光源系統(tǒng)，以及日本奧林巴斯最新推出的MVX10研究級熒光顯微系統(tǒng)。國內有臺灣明美科技生產的InCyt I/P型鈣離子雙波長比值熒光影像及測量系統(tǒng)。他們的單色光源系統(tǒng)大多都采用氙燈作為光源，閃耀光柵作為分光元件，構成波長可連續(xù)無級變化的激發(fā)光系統(tǒng)，而拋棄了過去靠濾光片組來獲得單色光的方法,實現(xiàn)了波長全程或指定范圍內連續(xù)或重復掃描(激發(fā)光無級變化)、設定波長、時間記錄、設定步長、步進掃描等功能。我們在自己的單色激發(fā)光源光學系統(tǒng)已基本成形的基礎上[2]，開發(fā)了單色光源外圍的電路控制系統(tǒng)。
2．系統(tǒng)總體介紹
單色光源外圍控制電路如圖1所示，由以Cypress公司的USB2.0接口芯片EZ-USB FX2 CY7C68013（以下簡稱FX2）為核心處理器的硬件電路系統(tǒng)組成。整個系統(tǒng)可以利用PC機的光學掃描應用程序，通過USB接口來控制整個光學系統(tǒng)。也可以在無PC機的情況下，通過手控板來控制整個系統(tǒng)。手控板的微處理機通過RS232協(xié)議與FX2通訊，通過手控板的人機界面實現(xiàn)對整個單色光源系統(tǒng)的控制。溫度監(jiān)測電路配合FX2對氙燈光源室的溫度進行監(jiān)測，由FX2控制的數模轉換電路及信號調理電路實現(xiàn)對光柵掃描定位器的控制功能，有機發(fā)光顯示器（Organic Light Emitting Display，OLED）組成的顯示接口電路作為人機界
面的顯示，光敏電阻監(jiān)測氙燈的工作狀態(tài)，繼電器及其驅動電路組成的電源控制電路配合FX2實現(xiàn)單色激發(fā)光源的各部分電路按照預定程序加電，在系統(tǒng)異常的情況下可以關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(tǒng)的自動校準。
圖1 外圍電路系統(tǒng)結構圖
3．具體設計原理及方案
3．1 自動校準電路的設計
對于每一套單色光源系統(tǒng)，即使采用相同的光學器件，在具體參數上也會不盡相同。所以對于每一套光學系統(tǒng)，在使用之初和使用一段時間之后，必須對系統(tǒng)進行校準，以達到精確的測量。自動校準電路正是基于此目的，方便用戶而設計的。
3．1．1自動校準的原理
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和相關角度之間的關系表達式為式(1)[2]：
(1)
式中 
為輸出波長；
為光柵刻槽之間的間距；
為光柵背離角度，即入射光線與衍射光線之間的夾角；
為入射光線與衍射光線之間的二等分線距離光柵法線的夾角。
我們設計的單色光源系統(tǒng)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，而通過旋轉光柵來得到變化的波長λ，實現(xiàn)波長的連續(xù)調節(jié)，并且特定的光柵其刻槽間距也是固定的。因此，衍射輸出波長與光柵定位器的輸入電壓(Vi)成線性關系，用式(2)表示
=k Vi +b (2)
式中，k和b是常數。實驗中我們通過確定兩個已知波長(如400nm和588nm)對應的輸入電壓，即可求出k和b，從而確定在整個光譜范圍內單色激發(fā)光源系統(tǒng)的輸出波長和光柵定位器的輸入電壓之間的函數關系。
3．1．2 自動校準的硬件設計
利用PC機上的光學掃描應用程序，很方便實現(xiàn)系統(tǒng)的自動校準。當整個單色光源系統(tǒng)在無PC機的環(huán)境下運行時，我們采用手控板來發(fā)送校準命令，用FX2內部集成的增強型8051來控制整個校準過程。首先在光路的輸出端連接上一個多波段（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公司生產的12位串行高速ADC,轉換時間3.8μs，輸入范圍可選，其中AD7895-10輸入范圍為-10V~+10V。通過電路中的數模轉換模塊發(fā)送-10V~+10V的模擬電壓，對整個波長段進行掃描。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，實現(xiàn)同步的發(fā)送與采集。我們通過確定兩個已知波長(如400nm和588nm)對應的輸入電壓，通過公式2即可求出k和b。并將這兩個參數存儲在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現(xiàn)在無PC機的情況下，實現(xiàn)對整個單色光源系統(tǒng)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)送自動校準命令及發(fā)送波長數據等。
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控制光柵掃描器。手控板系統(tǒng)的框圖如圖4所示。圖中OLED顯示和鍵盤掃面電路用于提供與用戶交互的界面。I2C存儲電路用于存儲用戶設置的波長和其它參數。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(tǒng)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。根據手控板菜單結構圖（如圖5所示），首先建立一個結構，并定義一個結構變量KbdTabStruct。該結構中共有7個結構元素，分別是6個字符型變量和1個指針變量，6個字符型變量分別為當前及各個按鍵的索引號，也就是操作的狀態(tài)號，最后1個指針變量指向需執(zhí)行函數。這樣就可以做一個結構數組，在結構數組里為每一個菜單項編制一個單獨的函數，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”鍵時轉向的狀態(tài)索引號
BYTE KeyF2State; // 按下F2”鍵時轉向的狀態(tài)索引號
BYTE KeyF3State; // 按下F3”鍵時轉向的狀態(tài)索引號
BYTE KeyF4State; // 按下F4”鍵時轉向的狀態(tài)索引號
BYTE KeyCancelState; // 按下取消鍵時轉向的狀態(tài)索引號
void (*CurrentOperate) ( ); // 當前狀態(tài)應該執(zhí)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菜單進行操作即可。
4．結束語
按照本文的設計，實現(xiàn)了對單色光源光學系統(tǒng)的有效控制。本文作者創(chuàng)新點：整個單色光源系統(tǒng)能夠在脫離PC的環(huán)境下，通過手控板實現(xiàn)自動校準等功能；簡單實現(xiàn)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(tǒng)的智能化水平。本外圍控制電路經過一定的改進，配合單色光源光學系統(tǒng)，可以形成一套完整的單色激發(fā)光源系統(tǒng)，在性能上將完全能夠達到國外同類產品的水平，能夠廣泛運用于各種熒光顯微檢測系統(tǒng)中。
參考文獻
[1] 王桂英，王深，徐至展，等．生物單分子光學探測方法的進展［J］ ．激光生物學報， 2003，12(3) ：174-178。
[2] 周云燕，蘭李，楊志勇，等．熒光測鈣裝置中單色激發(fā)光源的設計和應用［J］ ．光電工程，2004，7。
[3] 梁銓廷．物理光學．第二版． 北京：機械工業(yè)出版社，1999．159~218。
[4] 王紅玲，胡細東，陳威等. 光子計毅式PMT在熒光檢測系統(tǒng)中的應用［J］ ．微計算機信息，2005，21-2：144-145。
[5] 陸錚，羅嘉．單片機C語言下LCD多級菜單的一種實現(xiàn)方法［J］ ．工礦自動化，2006，2。
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