單色激發(fā)光源外圍控制電路設(shè)計

【摘要】單色激發(fā)光源是單細胞熒光顯微系統(tǒng)中的重要組成部分。本文簡要介紹了熒光顯微檢測系統(tǒng)中單色激發(fā)光源外圍控制電路的組成，并詳細介紹了單色激發(fā)光源控制電路中自動校準(zhǔn)電路以及手控板電路設(shè)計。通過外圍電路的設(shè)計，使得整個單色激發(fā)光源系統(tǒng)安全，有效，便于操控。
【關(guān)鍵字】熒光顯微，手控板，自動校準(zhǔn)，多級菜單

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)計原理及方案

3．1 自動校準(zhǔn)電路的設(shè)計

    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)進行校準(zhǔn)，以達到精確的測量。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(V_i)成線性關(guān)系，用式(2)表示

=k V_i +b                           (2)

式中，k和b是常數(shù)。實驗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

利用PC機上的光學(xué)掃描應(yīng)用程序，很方便實現(xiàn)系統(tǒng)的自動校準(zhǔn)。當(dāng)整個單色光源系統(tǒng)在無PC機的環(huán)境下運行時，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

    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(zhǔn)命令及發(fā)送波長數(shù)據(jù)等。

3．2．1 硬件設(shè)計

在手控板電路設(shè)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(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

人機界面的設(shè)計是手控板設(shè)計中比較復(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編制一個單獨的函數(shù)，并根據(jù)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(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(guān)菜單進行操作即可。

4．結(jié)束語   

    按照本文的設(shè)計，實現(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：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(zhǔn)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(jīng)過一定的改進，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到國外同類產(chǎn)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

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[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(shè)計和應(yīng)用［J］ ．光電工程，2004，7。

[3] 梁銓廷．物理光學(xué)．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(yīng)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。