單色激發(fā)光源外圍控制電路設(shè)計(jì)

【摘要】單色激發(fā)光源是單細(xì)胞熒光顯微系統(tǒng)中的重要組成部分。本文簡(jiǎn)要介紹了熒光顯微檢測(cè)系統(tǒng)中單色激發(fā)光源外圍控制電路的組成，并詳細(xì)介紹了單色激發(fā)光源控制電路中自動(dòng)校準(zhǔn)電路以及手控板電路設(shè)計(jì)。通過(guò)外圍電路的設(shè)計(jì)，使得整個(gè)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(dòng)校準(zhǔn)，多級(jí)菜單

面的顯示，光敏電阻監(jiān)測(cè)氙燈的工作狀態(tài)，繼電器及其驅(qū)動(dòng)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(hào)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(dòng)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(dòng)校準(zhǔn)電路的設(shè)計(jì)

    對(duì)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(huì)不盡相同。所以對(duì)于每一套光學(xué)系統(tǒng)，在使用之初和使用一段時(shí)間之后，必須對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，以達(dá)到精確的測(cè)量。自動(dòng)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(dòng)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(shí)選用光柵的一級(jí)光譜，由衍射定理可以推導(dǎo)出單色光源輸出波長(zhǎng)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(zhǎng)；

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?cè)O(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(guò)旋轉(zhuǎn)光柵來(lái)得到變化的波長(zhǎng)λ，實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)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(zhǎng)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(shí)驗(yàn)中我們通過(guò)確定兩個(gè)已知波長(zhǎng)(如400nm和588nm)對(duì)應(yīng)的輸入電壓，即可求出k和b，從而確定在整個(gè)光譜范圍內(nèi)單色激發(fā)光源系統(tǒng)的輸出波長(zhǎng)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(dòng)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(dòng)校準(zhǔn)。當(dāng)整個(gè)單色光源系統(tǒng)在無(wú)PC機(jī)的環(huán)境下運(yùn)行時(shí)，我們采用手控板來(lái)發(fā)送校準(zhǔn)命令，用FX2內(nèi)部集成的增強(qiáng)型8051來(lái)控制整個(gè)校準(zhǔn)過(guò)程。首先在光路的輸出端連接上一個(gè)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(guò)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(shí)間3.8μs，輸入范圍可選，其中AD7895-10輸入范圍為-10V~+10V。通過(guò)電路中的數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊發(fā)送-10V~+10V的模擬電壓，對(duì)整個(gè)波長(zhǎng)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(guò)確定兩個(gè)已知波長(zhǎng)(如400nm和588nm)對(duì)應(yīng)的輸入電壓，通過(guò)公式2即可求出k和b。并將這兩個(gè)參數(shù)存儲(chǔ)在EEPROM中。

            

圖2 模數(shù)轉(zhuǎn)換及信號(hào)調(diào)理電路                      

圖3 數(shù)模轉(zhuǎn)換及信號(hào)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(wú)PC機(jī)的情況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)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(dòng)校準(zhǔn)命令及發(fā)送波長(zhǎng)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(guò)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(lái)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(chǔ)電路用于存儲(chǔ)用戶設(shè)置的波長(zhǎng)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(jí)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(jí)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(gè)結(jié)構(gòu)，并定義一個(gè)結(jié)構(gòu)變量KbdTabStruct。該結(jié)構(gòu)中共有7個(gè)結(jié)構(gòu)元素，分別是6個(gè)字符型變量和1個(gè)指針變量，6個(gè)字符型變量分別為當(dāng)前及各個(gè)按鍵的索引號(hào)，也就是操作的狀態(tài)號(hào)，最后1個(gè)指針變量指向需執(zhí)行函數(shù)。這樣就可以做一個(gè)結(jié)構(gòu)數(shù)組，在結(jié)構(gòu)數(shù)組里為每一個(gè)菜單項(xiàng)編制一個(gè)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(hào)，以及本級(jí)菜單項(xiàng)的上、下卷動(dòng)的索引號(hào)和上、下級(jí)菜單的索引號(hào)^[5]。具體程序如下所述：

typedef struct

{

  BYTE   KeyStateIndex;          //當(dāng)前狀態(tài)索引號(hào)

  BYTE   KeyF1State;              // 按下F1”鍵時(shí)轉(zhuǎn)向的狀態(tài)索引號(hào)

  BYTE   KeyF2State;        // 按下F2”鍵時(shí)轉(zhuǎn)向的狀態(tài)索引號(hào)

  BYTE   KeyF3State;        // 按下F3”鍵時(shí)轉(zhuǎn)向的狀態(tài)索引號(hào)

  BYTE    KeyF4State;                  // 按下F4”鍵時(shí)轉(zhuǎn)向的狀態(tài)索引號(hào)

  BYTE   KeyCancelState;         // 按下取消鍵時(shí)轉(zhuǎn)向的狀態(tài)索引號(hào)

  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(wèn)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(shí)只需按照順序向菜單庫(kù)或變量庫(kù)中加入，刪除或修改菜單也只需對(duì)菜單庫(kù)中相關(guān)菜單進(jìn)行操作即可。

4．結(jié)束語(yǔ)   

    按照本文的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(gè)單色光源系統(tǒng)能夠在脫離PC的環(huán)境下，通過(guò)手控板實(shí)現(xiàn)自動(dòng)校準(zhǔn)等功能；簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)且易于維護(hù)的多級(jí)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(guò)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(guó)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(cè)系統(tǒng)中。

參考文獻(xiàn)

[1] 王桂英，王深，徐至展，等．生物單分子光學(xué)探測(cè)方法的進(jìn)展［J］ ．激光生物學(xué)報(bào)， 2003，12(3) ：174-178。

[2] 周云燕，蘭李，楊志勇，等．熒光測(cè)鈣裝置中單色激發(fā)光源的設(shè)計(jì)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(jī)械工業(yè)出版社，1999．159~218。

[4] 王紅玲，胡細(xì)東，陳威等. 光子計(jì)毅式PMT在熒光檢測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］ ．微計(jì)算機(jī)信息，2005，21-2：144-145。

[5] 陸錚，羅嘉．單片機(jī)C語(yǔ)言下LCD多級(jí)菜單的一種實(shí)現(xiàn)方法［J］ ．工礦自動(dòng)化，2006，2。