單色激發(fā)光源外圍控制電路設(shè)計(jì)
【關(guān)鍵字】熒光顯微，手控板，自動校準(zhǔn)，多級菜單
1．引言
熒光顯微技術(shù)在生物學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域已得到了廣泛應(yīng)用,是觀測活細(xì)胞與周圍環(huán)境之間、細(xì)胞內(nèi)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(xué)、納米科技等領(lǐng)域已進(jìn)入分子生物學(xué)、基因醫(yī)學(xué)、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(shù)已經(jīng)越來越引起人們的重視[1]。
由于不同熒光物質(zhì)(生物、生化物質(zhì)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(shè)備的生產(chǎn)廠商有德國的TILL、日本的奧林巴斯等公司，其相關(guān)產(chǎn)品有德國TILL公司生產(chǎn)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(nèi)有臺灣明美科技生產(chǎn)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(gòu)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(shí)現(xiàn)了波長全程或指定范圍內(nèi)連續(xù)或重復(fù)掃描(激發(fā)光無級變化)、設(shè)定波長、時間記錄、設(shè)定步長、步進(jìn)掃描等功能。我們在自己的單色激發(fā)光源光學(xué)系統(tǒng)已基本成形的基礎(chǔ)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(jī)的光學(xué)掃描應(yīng)用程序，通過USB接口來控制整個光學(xué)系統(tǒng)。也可以在無PC機(jī)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(jī)通過RS232協(xié)議與FX2通訊，通過手控板的人機(jī)界面實(shí)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(jìn)行監(jiān)測，由FX2控制的數(shù)模轉(zhuǎn)換電路及信號調(diào)理電路實(shí)現(xiàn)對光柵掃描定位器的控制功能，有機(jī)發(fā)光顯示器（Organic Light Emitting Display，OLED）組成的顯示接口電路作為人機(jī)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(qū)動電路組成的電源控制電路配合FX2實(shí)現(xiàn)單色激發(fā)光源的各部分電路按照預(yù)定程序加電，在系統(tǒng)異常的情況下可以關(guān)閉氙燈和光柵掃描器的電源。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路及信號調(diào)理電路用于采集光電轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，完成系統(tǒng)的自動校準(zhǔn)。
圖1 外圍電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
3．具體設(shè)計(jì)原理及方案
3．1 自動校準(zhǔn)電路的設(shè)計(jì)
對于每一套單色光源系統(tǒng)，即使采用相同的光學(xué)器件，在具體參數(shù)上也會不盡相同。所以對于每一套光學(xué)系統(tǒng)，在使用之初和使用一段時間之后，必須對系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，以達(dá)到精確的測量。自動校準(zhǔn)電路正是基于此目的，方便用戶而設(shè)計(jì)的。
3．1．1自動校準(zhǔn)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(shè)計(jì)時選用光柵的一級光譜，由衍射定理可以推導(dǎo)出單色光源輸出波長和相關(guān)角度之間的關(guān)系表達(dá)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(shè)計(jì)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(zhuǎn)光柵來得到變化的波長λ，實(shí)現(xiàn)波長的連續(xù)調(diào)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(guān)系，用式(2)表示
=k Vi +b (2)
式中，k和b是常數(shù)。實(shí)驗(yàn)中我們通過確定兩個已知波長(如400nm和588nm)對應(yīng)的輸入電壓，即可求出k和b，從而確定在整個光譜范圍內(nèi)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(shù)關(guān)系。
3．1．2 自動校準(zhǔn)的硬件設(shè)計(jì)
利用PC機(jī)上的光學(xué)掃描應(yīng)用程序，很方便實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動校準(zhǔn)。當(dāng)整個單色光源系統(tǒng)在無PC機(jī)的環(huán)境下運(yùn)行時，我們采用手控板來發(fā)送校準(zhǔn)命令，用FX2內(nèi)部集成的增強(qiáng)型8051來控制整個校準(zhǔn)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(shù)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shù)模轉(zhuǎn)換模塊發(fā)送-10V~+10V的模擬電壓，對整個波長段進(jìn)行掃描。數(shù)模轉(zhuǎn)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(shù)模轉(zhuǎn)換器。AD7895和AD5322在FX2的控制下，實(shí)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(yīng)的輸入電壓，通過公式2即可求出k和b。并將這兩個參數(shù)存儲在EEPROM中。
圖2 模數(shù)轉(zhuǎn)換及信號調(diào)理電路
圖3 數(shù)模轉(zhuǎn)換及信號調(diào)理電路
3．2 手控板的設(shè)計(jì)
手控板的主要功能是實(shí)現(xiàn)在無PC機(jī)的情況下，實(shí)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(jī)控制，外部控制），發(fā)送自動校準(zhǔn)命令及發(fā)送波長數(shù)據(jù)等。
3．2．1 硬件設(shè)計(jì)
在手控板電路設(shè)計(jì)方案上，我們選擇了手控板的微處理機(jī)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(shù)據(jù)“翻譯”為相應(yīng)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(shè)置的波長和其它參數(shù)。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(jié)構(gòu)圖
3．2．2 多級菜單的軟件設(shè)計(jì)
人機(jī)界面的設(shè)計(jì)是手控板設(shè)計(jì)中比較復(fù)雜的工作，其涉及到多級菜單的編寫。根據(jù)手控板菜單結(jié)構(gòu)圖（如圖5所示），首先建立一個結(jié)構(gòu)，并定義一個結(jié)構(gòu)變量KbdTabStruct。該結(jié)構(gòu)中共有7個結(jié)構(gòu)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(dāng)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(shù)。這樣就可以做一個結(jié)構(gòu)數(shù)組，在結(jié)構(gòu)數(shù)組里為每一個菜單項(xiàng)編制一個單獨(dú)的函數(shù)，并根據(jù)菜單的嵌套順序排好本菜單項(xiàng)的索引號，以及本級菜單項(xiàng)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(dāng)前狀態(tài)索引號
BYTE KeyF1State; // 按下F1”鍵時轉(zhuǎn)向的狀態(tài)索引號
BYTE KeyF2State; // 按下F2”鍵時轉(zhuǎn)向的狀態(tài)索引號
BYTE KeyF3State; // 按下F3”鍵時轉(zhuǎn)向的狀態(tài)索引號
BYTE KeyF4State; // 按下F4”鍵時轉(zhuǎn)向的狀態(tài)索引號
BYTE KeyCancelState; // 按下取消鍵時轉(zhuǎn)向的狀態(tài)索引號
void (*CurrentOperate) ( ); // 當(dāng)前狀態(tài)應(yīng)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(shí)際運(yùn)用的菜單達(dá)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?yàn)椴藛蔚男薷亩薷?，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(guān)菜單進(jìn)行操作即可。
4．結(jié)束語
按照本文的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對單色光源光學(xué)系統(tǒng)的有效控制。本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：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(shí)現(xiàn)自動校準(zhǔn)等功能；簡單實(shí)現(xiàn)且易于維護(hù)的多級菜單提供了友好的人機(jī)界面，提高了系統(tǒng)的智能化水平。本外圍控制電路經(jīng)過一定的改進(jìn)，配合單色光源光學(xué)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(dá)到國外同類產(chǎn)品的水平，能夠廣泛運(yùn)用于各種熒光顯微檢測系統(tǒng)中。
參考文獻(xiàn)
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