伺服控制系統(tǒng)的硬件設計

在顯微鏡伺服系統(tǒng)中，硬件主要由電動機驅動控制系統(tǒng)、顯微鏡光源自動控制系統(tǒng)與分布式監(jiān)控網(wǎng)絡系統(tǒng)三部分組成。為了保證所有的控制系統(tǒng)既可單獨工作，又可同時工作的要求，采用了多單片機組成的分布式通信網(wǎng)絡，通過RS-232通信接口，直接接受PC的統(tǒng)一管理?？紤]到成本問題，選用了性價比很高的AT89C2051單片機I/O端口及可以在PC上進行通信的UART通信端口。

在電機驅動控制系統(tǒng)中，用四個步進電動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，在Z軸方向上的調焦運動與物鏡的選擇切換。每一個步進電動機用一個AT89C⒛51單片機來單獨管理其運行狀態(tài)及移動的位置，其驅動環(huán)節(jié)電路框圖如圖1所示。和y軸兩個方向上的開環(huán)位移進行控制;可通過計算機圖像的灰度值閉環(huán)控制物鏡的上下移動，以實現(xiàn)自動調焦;物鏡轉換器可自動切換;通過載物臺在X軸和y軸兩個方向上的二維移動，再加上在Z軸方向上的實時自動跟蹤調焦，可實現(xiàn)對觀察物(切片或培養(yǎng)皿)進行實時掃描，使整個觀察過程能顯示出清晰的圖像;通過預先設定載物臺的運動規(guī)則，使顯微鏡能按程序觀察到規(guī)定的視場;通過快速接近(相當于粗調)或精細調節(jié)(相當于微調)兩種方式可自動精確調焦和自動跟蹤調焦(調焦精度小于0.5 gm);單片機控制電路和計數(shù)脈沖及在X軸和y軸兩方向上的重復定位精度(±0.02 mm)能滿足醫(yī)學臨床檢驗的需要;可聯(lián)網(wǎng)進行遠程遙控顯微鏡，以利于醫(yī)學學術交流或教學交流。

伺服控制系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示，圖中的虛線框是顯微鏡的伺服控制系統(tǒng)，它通過分布式微控制器系統(tǒng)網(wǎng)絡來驅動顯微鏡平臺的精確運動，具有自動精確調焦和自動跟蹤調焦的功能。

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