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浙江大学硕士学位论文微球跳跃状态实时监测系统的研究 摘要 本论文论述了包括光源系统、摄像光学系统、调焦扫描系统、视频采集系统 和监测软件在内的完整的微球跳跃状态实时监测系统的设计过程。监测系统可对 位于1 2 米处中2 5 毫米视场内直径为0 2 o 5 毫米的多个微球在涂敷过程中的 运动状态进行实时视频监测。 设计了特殊的光源照明抑制真空涂敷室荧光的影晌；利用可视达公司产品 q m 1 显微望远系统和国产的g d s 一5 0 摄影镜头相结合设计的组合光学系统获得 微球涂敷时的清晰像；由c c d 及视频采集卡将光学图像转换成数字图像，通过 计算机视频图像判读系统对多个微球的运动情况作实时的监测，一旦发现有微球 停止运动给出告警，实现涂敷作业的自动监视。 微球跳跃状态实时监测系统具有下列性能： 1 ) 可以实现两种视场( 近景视场和远景视场) 的微球监测，满足全局监测 和局部放大监测的不同需要； 2 ) 在近景视场监测时提供视场扫描功能，用户可以自定义扫描路线； 3 ) 可以长时间不间断的监测和视频存储，存储的视频可以随时回放： 4 ) 计算机视频图像判读系统可同时对多个微球运动状态进行判别，检测出 其中因粘盘而停止的微球。 本监测系统是为监测微球跳跃状态而设计的，但是系统设计的思路和方法可 以适用于其它的监测系统。 塑垩查兰堡主兰些丝壅 堂壁型! 垦鉴查壅堕堕型墨竺塑塑塞 a b s t r a c t i nt h i sp a p e rw ed i s c u s sak i n d o fr e a l - t i m em o n i t o r i n gs y s t e mi n c l u d i n g i l l u m i n a t es y s t e m ，o p t i c a ls y s t e m ，s c a n n i n ga n df o c u s i n gs y s t e m ，v i d e ot r a n s p o r t s y s t e ma n ds o f t w a r es y s t e m t h i sm o n i t o r i n gs y s t e mc a nm o n i t o rb o u n c i n gs t a t eo f m i c r o s h l ：l e r e sw h i c h ，w i t had i a m e t e rr a n g ef o r m2 0 0m i c r o n st o5 0 0m i c r o n s ，a r e p l a c e df r o mo b s e r v a t i o np o i n ta b o u t1 2m e t e r w eh a dd e s i g n e das p e c i a li l l u n a m a t es y s t e mt oh o l dd o w nt h ee f f e c t o f f l u o r e s c e n tl i g h t t h r o u g ht h eo p t i c a ls y s t e mb u i l t u pw i t ht e l e m i c r o s c o p eq m - 1a n d g e n e r a ls h o o t i n gl e n s ，m i c r o s p h e r e sa r ei m a g e do n t ot h ec c d v i d e od e t e c t i o n s y s t e mb y1 l e a n so f p e r s o n a lc o m p u t e rc a p t u r e da n dd i s p o s e de v e r yv i d e oi m a g ew i t h an e wt e c h n o l o g yo fd i g i t a li m a g ep r o c e s s i n gw h i c hc a ne f f e c t i v es p e c i f yb a c k g r o u n d ， m o v i n go b j e c t sa n ds t a t i co b j e c t s aw a r n i n gs i g n a lc o u l db eg i v e na sl o n ga st h e s y s t e md e t e c t e das t a t i co b j e c t t h em o n i t o r i n gs y s t e mc o u l dc o m p l e t es u c hf u n c t i o n sa sb e l o w ： l 、m o n i t o r i n gm i c r o s p h c r e si nt w of i e l d so fv i e w ( c l o s e v i e wa n dd i s t a n t - v i e w ) w h i c hc a nb es w i t c h e db yo p e r a t o r ； 2 ) 、j 【g h e nm o n i t o r i n gm i c r o s p h e r e sh it h ef i e l do fc l o s e - v i e w , o p e r a t o rc a l ls c a l a t h ef i e l di nas e l f - d e f i n i n gr o u t e 3 ) l o n g - t e r ma n dn o b r e a km o h i t o r i n ga n dv i d e os a v i n g ，v i d e oc a l lb er e p l a y e d a t a n y t i m e ； 4 ) d i s t a li m a g ed i s t i n g u i s hs y s t e mc a ne f f e c t i v es p e c i f ym o v i n gm i c r o s p h e r e s a n ds t a t i cm i c r o s p h e r e s t h i ss y s t e mw a sd e s i g n e df o rm o n i t o r i n gm i c r o s p h e r e s ，b u tt h et h o u g h t sa n d m e t h o d sc a nb es u i t a b l ef o ro t h e rm o n i t o t i n gs y s t e m i i i 浙江大学硕上学位论文微球跳跃状态实时监测系统的研究 1 1 概述 第一章绪论 支撑人类活动的初级能源从古代以来的木材、水力转向到近代工业革命以 后的煤、石油、天然气等化石燃料，二次世界大战后新出现的原子能发展起来。 目前人类所使用的主要能源是煤和石油，而科学家预测2 0 0 年后地球上的煤和 石油资源就会枯竭，因此人类寻找替代能源正变得越来越迫切。中国是世界上 人口最多的国家，也是能源生产和能源消费大国之一。能源安全是我国经济安 全乃至国家安全的前提。为了寻求高效、干净、安全经济的能源，科学家对此 进行着孜孜不倦的研究。 用氢的同位素氘和氚产生热核聚变一直被认为是能够长期解决人类能源问 题的最有效方法。核聚变反应燃料是氢的同位素氘、氚及惰性气体3 h e ( 氦一3 ) ， 氘和氚在地球上蕴藏极其丰富。据测算，每1 l 海水中含3 0 m g 氘，而3 0 m g 氘 聚变产生的能量相当于3 0 0 l 汽油，这就是说，l l 海水可产生相当于3 0 0 l 汽油 的能量。一座1 0 0 万k w 的核聚变电站，每年耗氘量只需3 0 4 k g 天然存在于海 水中的氘有4 5 亿吨，把海水通过核聚变转化为能源，按目前世界能源消耗水平， 可供人类用上亿年“1 。 据专家预测，到2 1 世纪中叶，世界上数目众多的核聚变设施有可能联网， 从而实现聚变能发电的工业化，到那时，浩瀚无边的大海将成为取之不尽用之 不竭的能源宝库。因此激光核聚变的工业化腾飞必将引发场能源革命。其意义 将不亚于人类最初对火的利用。 另外，由于核聚变需要极高的温度，一旦某一环节出现问题，燃料温度下 降，聚变反应就会自动中止。也就是说，绝对不会发生类似前苏联切尔诺贝利 核( 裂变) 电站的事故，它是安全的。因此，核聚变能是一种未来最有希望的能 源，长远来看，它的开发和利用从可以满足人类长期能源的需求。 浙江大学硕士学位论文微球跳跃状态实时监测系统的研究 1 2 激光惯性约束核聚变 早在1 9 3 8 年，人们就发现了核聚变。然而，距1 9 4 2 年第一座核裂变反应 堆建成己半个多世纪了，受控核聚变还是迟迟没有实现有益的能量输出。如此 举步维艰的根本原因，是轻元素原子核的聚合远比重元素原子核的分裂困难得 多。因为两个带正电的原子核间既彼此吸引又互相排斥，当两个原子核之间相 距只有约万亿分之三毫米时，它们之间的吸引力才会大于静电斥力，两个原子 核也才可能聚合到一起同时释放出巨大的能量。而满足这样的条件需要的是几 千万甚至几亿摄氏度的高温，人们形象地称之为“点火”1 。 随着激光技术的发展，使可控核聚变的“点火”难题有了解决的可能。激 光惯性约束核聚变( i n e r t i a lc o n f i n e m e n tf u s i o n ，i c f ) 被认为是聚变能发展颇 有前景的方向之一。 1 9 8 8 年美国r l m cc r o r y 等人在r o c h e s t e r 大学2 4 束o m e g a 激光装置 上利用3 5 1 n m 、1 1 5 k j 、脉宽6 0 0 7 0 0 p s 的高斯脉冲激光进行冷冻靶内爆实 验研究，第一次测得了1 0 0 2 0 0 倍液体d t 燃料的压缩密度。1 ；1 9 9 1 年日本大 阪大学的s n a k a i 等人在g e k k 0 0 激光装置上进行了以液体或固体氘为燃料的塑 料冷冻靶实验，获得了6 0 0 倍固体氘密度的压缩度。这一实验证实了1 0 0 0 倍液 体d t 点火密度的实现已为期不远，这是惯性约束聚变能源应用研究的一大进 展“3 。美国能源部计划在2 0 1 5 年用此技术实现聚变点火演示性实验。1 9 8 6 年我 国激光核聚变实验装置“神光”研制成功。目前我国的神光i i 激光核聚变实验 装置的总体性能跻身全球同类装置前五强。 图i - 1 激光惯性约束核聚变的原理 激光惯性约束聚变的原理如图1 1 所示，在极短的时间内把大量的能量( 强 激光) 注入到一定量的聚变燃料中，将聚变燃料的密度和温度增大，这样就可 2 浙江大学硕士学位论文微球跳跃状态实时监测系统的研究 以使得核燃料氘氚( d t ) 在惯性约束作用下还来不及向四周飞散就完成聚变。 要实现受控聚变反应必须满足劳逊判据( l a w s o nc r i t e r i o n ) 1 1 1 5 ) 即： 口f 1 0 2 0 s m 3( 1 - 1 ) 其中p 为热核反应时等离子体密度，r 为约束时间，在满足劳逊判据的情 况下，等离子体的密度和约束时间可以在一定范围内变动。 目前，i c f 的实现是通过高能激光束或粒子束打在毫米亚毫米级的d _ t 燃 料微球( 靶丸) 上，通过靶表面低z 烧蚀层的消融、内部燃料聚爆等物理过程 ，最终使微球中的燃料满足劳逊判据，发生聚变燃料而释放能量。 由此可见，充d t 微球的设计生产是激光惯性约束聚变的关键技术之一， 而微球表面的低z 烧蚀层涂敷的质量对它的性能有着至关重要的影响。 1 。3 微球涂敷系统 作为激光惯性约束聚变技术最重要靶型的低温冷冻靶，其核心是直径0 1 l m m 的低温冷冻微球。 利用液氦低温把聚变燃料氘、氚( d t ) 气体在热核聚变靶丸中进行冷冻，并 在内壁形成均匀的固体或液体氘氚层，习惯上把这种直接和间接驱动靶叫低温 靶。由于冷冻靶具有较高的初始燃料密度和较低的冲击波预热灵敏特性，从而 减少了高温高密度压缩需要的能量，在同样条件下的冷冻与非冷冻靶相比，热 核聚变的中子产额有明显的增加。习惯上又把这种靶称为高增益靶或高密度高 压缩靶。在低温靶球( 即充d t 微球) 表面覆盖一层均匀、光滑、低z 的有机材 料( 烧蚀层) ，有利于提高d t 压缩比，实现聚变点火温度。按靶物理设计的要 求，激光聚变核燃料容器必须具有高球形度、高表面光洁度、高抗张力强度、 均匀性好且能在较长时间内保存住热核燃料等性能。1 9 9 0 年以来，我国相继成 功制备了满足l f 一1 2 强激光装置上各种内爆物理实验所需的聚变玻璃靶球，还 用微封装法制备了空心塑料微球等。 要得到均匀光滑的有机涂层，微球在涂敷过程中必须保持随机运动，为达 到这个目的，人们研究了反弹盘、光悬浮、声悬浮、静电悬浮、磁悬浮、分子 浙江大学顺士学位论文微球跳跃状态实时监测系统的研究 束悬浮和粘滞性气体射流悬浮等方法”“8 “， 为止，在激光聚变靶的微球塑料涂敷方面， 和反弹盘技术。 1 3 1 分子束悬浮技术 这些方法有各自的优缺点。到目前 比较成功的技术是分子束悬浮技术 分子束悬浮系统由聚束环、微通道板、晶体振动装置和电源组成。当一束 气流经过微通道板后分成多束，中心部分的气流垂直向上，边缘周围的气流受 聚焦环的作用而改变方向，从而会聚在微通道板上方某一高度位置，如图卜2 所示“。 幽1 2 分子束悬浮不意图 当微球处于该位置时，在横向方向受到边缘气流横向分量作用，横向合力 为零，横向位置不变；在纵向方向，它受到中心气流和边缘气流纵向分量的向 上升力与自身向下重力作用，当升力和自身重力大小相等时，就可以保证微球 在该位置上悬浮。随着涂敷材料不断沉积在微球的上半面，球的对称性遭到破 坏，重力使球不断调向，从而使整个微球表面获得均匀涂层。 在悬浮头下方装一套振幅与频率可调的晶体振动装置，其振动力有助于克 服微球涂敷前与微通道板间的静电粘附，聚束环上面的喇叭型圆盘，主要作用 是防止在气流不稳或其它波动时微球飞跑。为了提高工艺效率，人们正在设计 带多个凹面结构的悬浮器，以同时悬浮多个微球。 分子束悬浮涂层有最好的表面光洁度和厚度均匀性，技术已比较成熟，几 乎所有的有机单体均可通过此法聚合成膜。但是操作时须有较低的背景压力， 从而导致悬浮的惰性气体的流速可控制范围很窄，难以制备厚涂层。 4 浙江大学硕士学位论文微球跳跃状态实时监测系统的研究 1 3 2 反弹盘技术 反弹盘采用了压电陶瓷片作为震动源，当压电陶瓷片两端施加某一频率的 交变电源后，由压电效应产生机械震动，从而使微球产生受激随机运动，在运 动过程中微球表面可涂敷上比较均匀的烧蚀层( 有机材料) 。采用玻璃制成的反 弹盘具有较好的机械震动效果“。 反弹盘式微球涂敷装置如图卜3 所示。 倒卜3 反弹盈式微球椽敷装置 反弹盘式涂敷装置的缺点是：微球与盘面由于静电吸附作用很难维持随机 运动，而且盘中的灰尘等杂质也有可能引起涂层污染。因此反弹盘式微球涂敷 装置成品率较低。 反弹盘式涂敷装置最大优点在于每次可对几十个微球同时涂敷，尽管其成 品率不高，但是同时涂敷的微球数目多，一次涂敷仍然有相当数目的微球涂敷 成功，因此，与分子束悬浮技术一次只能涂敷一个微球相比，成品率较高；而 且该装置结构较分子束悬浮系统简单，成本也较低。 1 4 微球涂敷监测系统 微球涂层厚度一般需要达到1 0 0 u m ，但其沉积速率只有1 u m h r ，这样每次 涂敷需要1 0 0 小时。在整个涂敷过程中，操作员需要实时了解微球的涂敷状态， 如微球是否保持随机运动，微球是否互相粘连，是否有杂质进入涂敷系统等。 微球涂敷系统中都留有观察孔，由于微球很小，肉眼难以识别，而且仅以 肉眼观察，由于疲劳难以做到长时间稳定的观察。因而有必要开发出自动化的， 浙江大学硕士学位论文微球跳跃状态实时监测系统的研究 能稳定持续运行的监测系统。 不同的涂敷系统由于结构不同，观察窗的位置、孑l 径大小也不同，因此监 测系统应根据实际情况设计。本项目中的微球涂敷系统如图1 - 4 所示。 勰察躺 图1 - 4 反弹盘式徽球涂敷系统 在这个系统中使用了玻璃反弹盘，盘内可以同时涂敷多个微球，涂敷原料 及等离子体从侧面注入，用特制的光源照明反弹盘，弹盘及正在涂敷的微球经 过光学系统成像在c c d 面上，并由高速图像卡处理、传送到计算机中，再经过 相关软件处理最终显示在计算机的显示器上，同时可根据需要将监测内容保存 在计算机硬盘上。 根据微球涂敷系统的特殊结构和要求，监测系统设计时应考虑以下几点： 1 由于系统只有正上方的观察窗，照明和观察都需要在垂直方向上进行； 2 涂敷时等离子体产生荧光，必须采用可穿透荧光区特殊光学照明系统； 3 可对大小两种不同视场作实时监测，以满足全局观测和局部细节观测； 4 实现连续1 0 0 小时的视频采集、连续3 小时的视频存储及视频回放； 5 实时视频图像处理，如电子放大、运动检测等； 图卜5 和图卜6 是本次项目完成后，实际的四套微球涂敷系统和监测系统 全景图。 浙江大学硕士学位论文 微球跳跃状态实时监测系统的研究 图l 一5 微球涂敷系统和监测系统全景图1 图卜6 微球涂敷系统和监测系统全景图2 7 浙江 学砸士学位诒文微球跳跃状态实时监测系统的研究 第二章监测系统总体设计及其光源和摄像光学系统 本章21 主要介绍微球涂敷状态实时监测系统的总体设计方案，2 2 和 2 3 分别介绍光源系统部分和光学成像系统部分的设计。 2 1 总体方案介绍 在本项目中，每一台镀膜机有四个真空室独立展开涂敷工作，需要为每个 真空室配备一套监测系统，而每套监测系统都包括光源系统、成像系统、扫描 调焦控制系统、视频采集显示系统。 监测系统框图如图2 一l 所示。为了能穿透荧光区域，崎测系统使用特殊的 幽2 一i 监控系缆框目 光源照明微球，光学成像系统使微球成缩小的像并用c c d 接收，c c d 输出的模 拟电信号经过视频采集卡a d 转换成数字信号输入至计算机，计算机监测系统 软件对采集来的视频信号作相应的处理，如：缩放显示、压缩存储、回放、运 动判别等。同时计算机通过串行口控制调焦扫描系统实现成像系统的视场切换 和扫描观测。 本章的后两节将分别介绍照明系统和光学成像系统，视频采集系统、调焦 扫描系统以及监测软件设计将放在后面几章中详细叙述。 扫描系统以及监测软件设计将放在后面几章中详细叙述。 浙江大学硕士学位论文 微球跳跃状态实时监测系统的研究 2 2 照明系统的设计 得到微球的清晰像必须具有良好的照明系统、照亮正在涂敷的微球，此时， 摄像系统才能获得对比度好，且符合要求的微球像。根据微球涂敷系统的特殊 结构和要求( 参见1 4 微球涂敷监测系统) ，照明系统的设计必须要解决两个 问题： 1 光源照明和监测摄像都要通过涂敷系统上方的窗口进行； 2 由于涂敷过程中真空室会产生荧光，照明光线要能透过等离子体荧光区 域，使得c c d 能接收到清晰的微球像。 为此，我们提出了两种光源照明的解决方案：点光源半透半反照明系统和 环形光源全反照明系统。特别是环形光源全反照明系统，不但解决了上述两个 难题，同时还完全消除了观察窗口产生的眩光。 2 2 1 点光源半透半反照明系统 为了解决第一个问题，该方法是用一个半透半反的镜片，让照明光照到真 空窒中的微球，由弹盘反射回来的光再经半透半反镜反射，通过摄像光学系统 由c c d 接收“。其原理示意图见图2 2 。 睾遂攀 图22 点光源半透半反照明示意图 其中的点光源选用带反射碗的金属卤钨灯，其发光效率是普通白炽灯的两 倍，光强足以抑制等离子荧光的干扰。采用半透半反镜也很好的解决了照明与 9 浙江大学硕上学位论文微球跳跃状态实时临测系统的研究 取像需在同一个窗口进行的难题。但是该照明方案却带来了另一个问题，如图 2 ，2 所示，观察窗口是一片表面光洁度度极高的石英玻璃，当点光源经半透半反 镜垂直照射到观察窗口时，很大一部分光能被石英玻璃上表面直接反射回半透 半反镜从而直接进入成像系统，形成眩光。 图2 3 是卤钨灯照明下拍摄的眩光图像，中间一片白色亮斑为反射回的眩 光，在眩光掩盖下看不到弹盘，更分辨不出微球。 图2 - 3 眩光 解决眩光问题的方法之一是让观察窗口倾斜一定角度，使得窗口上表面的 的反射光偏离光轴而无法进入成像系统。但是这样需要改变涂敷系统的结构， 实现起来比较困难。 2 2 2 环形光源全反照明系统 经过多次试验，我们想出了一种新的照明方法即环形光源全反照明。该方 法不但解决了同窗口照明及荧光问题，还完全消除了观察窗口产生的眩光。环 形光源全反照明系统示意图如图2 - 4 。 环形光源紧贴着观察窗口向下照明，由弹盘反射回来的光通过环形光源中 1 0 浙江人学硕士学位论文微球跳跃状态实时监测系统的研究 垒 图2 4 耶彤光源全反 c l 明不恿圈 间的通光孔，再经过全反镜反射进入光学成像系统。由于光源紧贴着观察窗口， 石英玻璃上表面反射的眩光无法投射到全反镜，从而有效的避免了眩光进入成 像系统。 环形光源由一圈2 8 个高亮度l e d 光源组成，与金属卤钨灯比l e d 体积和 所需电压小，使用寿命更长，可靠性更高，而且它的发热少，不需要冷却装置。 为了能抑制荧光，我们分析了荧光光谱后，选用中心波长五= 5 2 2 n m 的绿光l e d 作光源。 图2 5 是从测向窗口观察到的绿光l e d 光源照明穿透荧光区的实物图。左 面是没开光源时的情景，右图是以绿光l e d 光源照明时的情景。我们还在摄像 光学系统后设置了滤波片以增加最后图像的对比度。 图2 - 5 以绿光l e d 光源照明效果图 浙江大学硕士学位论文微球跳跃状态实时监测系统的研究 2 3 摄像光学系统的设计 需要监测的微球距离光学系统较远( 大于1 米) ，而微球尺寸又很小 ( 0 2 m m 0 5 m m ) ，只用一个简单的摄像镜头难以完成任务，所以考虑使用复 合光学系统。 2 3 1 摄像光学系统构成 本项目的摄像光学系统由q m 1 显微望远镜和g d s 一5 0 摄影镜头组成。其 结构示意图如图2 - 6 所示： 步进电机g d o镜头接筒 支承板 c c d o 图2 - 6 摄像光学结构图 图中各部件( 有一些固定用零件忽略) 以支承板为载体，长工作距离显微 望远镜放置在前端，将微球放大成像，但此时整个弹盘作为视场还不能完整的 在1 2 ”c c d 光敏面上成像，所以还需要一个通用光学摄像镜头( 此处为 g d s 一5 0 ) 再次成像，将整个视场的像压缩到正好能被1 2 ”c c d 以全视场成像。 图中还有两个步进电机，由单片机统一控制在不同视场条件下调节两个光学系 统的焦距之用的。需要调焦时，步进电机通过同步传动带使得光学系统的焦距 变化，以适应不同视场需要。 q m 1 望远镜是美国可视达公司出品的，是一种典型的折反射望远系统，系 统由球面反射主镜和负弯月形透镜( 校正板) 组成。在一定条件下，弯月形副 镜可不产生色差，且能补偿球面主镜所产生的球差。此外，光阑和厚透镜的位 置接近于主镜的球心，产生的轴外像差很小“。由于全部光学表面均为球面，加 浙江大学硕士学位论文微球跳跃状态实时监测系统的研究 工比较容易。但口径增大时，厚透镜大而重影响其便携性。 q m 一1 是一个多功能望远显微系统，通过调节主镜，它的工作距离可以在 5 6 0 m m 1 2 1 9 m m 范围内变化，而且工作距离在5 6 0 m m 时可分辨率直径为3 u m 的细小目标，在1 2 1 9 r n m 处仍可明显分辨直径l o o u m 微球。监测系统的工作距 离在q m 1 的工作范围之内，只要安装稳妥，照明充分，就可清晰分辨直径数 百微米的微球。 2 3 2 摄像光学系统分析 组成摄像光学系统的两部分都是外购而来，现分析其组合系统的工作原理。 组合光学系统示意图如图2 7 所示： 图2 - 7 组合光学系统不恿图 设组合系统的焦距、物距和像距分别为，z ，z ，q m 一1 的焦距、物距和像 距分别为z ，g l , q ，g d s 一5 0 的焦距、物距和像距分别为石，9 2 , 致，并约定以下 分析中用到的参数单位默认为毫米。 弹盘( 物面) 到组合系统入瞳的距离为：i i = 1 0 2 0 ；q m l 的f 数为1 2 9 ， 入射光瞳为9 6 。按f 数与入瞳的关系可以求得到在此工作距离下q m 一1 的焦距 z = 1 2 3 8 4 ，再根据高斯公式联立方程求解，：，舍去不合理的解得 ，j = 一3 4 0 5 6 ，可以看出q m - 1 对弹盘成虚像。 g d s 一5 0 通用摄像镜头的焦距工= 5 0 ，根据g d s 一5 0 的实际位置由，i 计算 出g d s 一5 0 的物距l = 一3 8 8 6 7 9 ，再一次根据高斯公式联立方程可求解出像距 浙江大学硕士学位论文 微球跳跃状态实时监测系统的研究 疋。望远显微光学系统q m 一1 与通用摄像光学系统的组合光学系统光路图如图 2 - 8 所示。 l 孽 k c e d 一一”_ 4 9 2 q ：! 一 = = 鼍j 。卜拳 1 p 一 墟 l 掣 撼 图2 - 8 组合光学系统光路图 如图所示，q m 一1 先将目标a b 的像取出，在远处成放大的虚像a b ，q m 一1 因为其本身的分辨率很高，可将处于真空室中的微球放大而不失分辨率；再由 g d s 一5 0 将虚像a b 缩小为实像a ”b ”并且适合于c c d 光敏面积大小，让c c d 接收对全视场图像。 1 4 浙江大学硕士学位论文微球跳跃状态实时监测系统的研究 第三章下位机控制系统的设计 在本次项目中要实现两个监测视场的切换，以满足全局监测和局部监测的 需要，视场切换时要调节组合光学系统的焦距变化，因此监测系统应有调焦功 能；当处于局部( 小视场) 监测时，视场应能作水平方向及垂直方向移动，以 便可以遍历全部目标，因此监测系统还要有水平及垂直扫描功能。 本章首先简单介绍扫描调焦系统的机构设计，然后介绍该系统的控制系统 设计，最后详细叙述扫描调焦系统的软件设计。 3 1 扫描调焦系统的组成 扫描调焦系统的结构组成如图3 一l 所示，按功能可以分为扫描机构和调焦 机构两大部分。 图3 l 扫描调焦机构 扫描机构位于支承板下方，控制摄像光学系统作水平和垂直移动。 步进电机0 通过皮带轮带动丝杆转动，使整个摄像光学系统沿着燕尾导轨 作水平方向的移动。只要燕尾导轨和丝杠的加工误差在允许的范围之内，水平 方向扫描可以顺利实现。燕尾导轨的两端都装有限位开关，用于初始定位以及 防止位移过头，水平移动的行程为2 0 a m 。 浙江大学硕士学位论文微球跳跃状态实时崎测系统的研究 步进电机1 带动偏心圆凸轮，凸轮转动时通过固定在支承板上的顶针使光 学系统以转轴为支点作上下摆动，从而实现垂直扫描。凸轮上也装有限位开关， 垂直扫描的行程为1 0 n i n 。 调焦机构位于支承板上方，控制摄像光学系统两组镜头的光学调焦。 步进电机2 通过皮带轮带动g d s 一5 0 摄像镜头调焦滚筒旋转，进而带动 g d s 一5 0 内部透镜组前后移动实现调焦，在调焦滚筒行程两端也装有限位开关。 步进电机3 通过皮带轮带动q m 一1 望远镜头调焦螺杆旋转，螺杆一头套有一 金属帽，帽沿随螺杆旋转而前后移动，行程两端也装有限位开关由金属帽的帽 沿触发，由于金属帽在触发开关时一直处于转动状态，因此我们制作了种按 钮是滚珠的限位开关。 3 2 下位机控制系统硬件设计 由上述机构介绍可知，扫描调焦控制系统主要控制4 个步进电机运行、停 止、变速或转向，还应能接收各个电机限位碰撞时的限位信号并做出相应处理。 同时控制系统通过通信线与上位机( p c 机) 相连，接收上位机的控制指令，并 返回本系统的状态信息。 四个- - e l i 混合式步进电机分别由四个电机驱动器驱动。电机驱动器的连线 示意图如图3 2 所示。 v c c 和g n d 连接电机驱动的直流工作电源，般电源电压越高电机转动的 力矩越大，但是电压越高电机不动时会产生较大的热量，因此要谨慎选择电机 驱动的工作电压。在本项目中，0 号步进电机( 控制水平扫描) 使用的工作电 压为2 4 v ，其余三个步进电机( 控制垂直扫描及调焦) 使用的工作电压为12 v 。 a + 、a 一和b + 、b 一分别连接二相混合式步进电机a 相和b 相两组输入线。 浙江大学硕士学位论文微球跳跃状态实时监测系统的研究 藏流曦檬藏端 攫漉瑰滞地蠛 攮屯撬钱 相 接电瓣蠖b 相 公莛雨橱 熬棒稽号赣 端 方渤撩镧惦母辕a 端 目3 2 电机驱动器的连线不意慝 c p + 、c p 一接收由单片机产生的脉冲，c p + 固定连接单片机的高电平( 一般为 + 5 v ) ，由c p 一接收脉冲信号输入，在c p 停止施加时，即电机锁定时，要保证c p 为高电平，使内部光耦戴止。每输入一个步进脉冲，步进电机就转过一个固定 的角度，这个角度称为步距角“。步距脉冲经脉冲分配器形成三相的步进控制 信号，并由驱动电路对这种步进控制信号进行功率放大之后激励步进电机的两 个激磁绕组，使步进电机运动。只要连续给步进电机送步进脉冲，步迸电机就 会一步一步地接连旋转运动，而且输入的步进脉冲频率越高，步进电机就旋转 得越快。但是要注意，步进脉冲的最高频率是受步进电机的最高工作频率限制 的，一般是在几百赫兹到几万赫兹的范围内，如果步进脉冲的频率超过了允许 的范围，就会引起步进电机的运行“失步”。 c w + 、c w 一接收由单片机产生的方向控制信号，同样c w + 固定连接单片机的 + 5 7 电平，c w 一接收方向控制信号输入。 控制系统采用p h il i p s 的p 8 9 c 6 1 作为控制器，这是一款增强型5 1 单片机。 它采用高性能的8 0 c 5 1 设计，以先进的c m o s 工艺制造并包含非易失往f l a s h 程序存储器可通过并行编程或在系统编程( i s p ) 的方法进行编程。它与一般c 5 1 相比，运行速度可以提高一倍，中断优先级更多，更胜任一些复杂的控制工作， f l a s he p r o m 可在系统编程，方便使用，而且抗干扰性强“”。 控制系统的示意图如图3 - 3 所示。 浙江大学硕上学位论文 微球跳跃状态实时监测系统的研究 图3 - 3控制系统的不葸图 单片机的p o 口的8 个引脚分成四组作为四个步进电机驱动器的c p 、c w 控 制输入，向c p 输出的是维持电机转动的脉冲信号，向c w 输出的是电机转向电 平。其中p 0 0 、p 0 1 连接0 号驱动的c p 一、c w 一接口，p o 2 、p 0 3 连接1 号驱 动的c p 一、c 砰一接口，依此类推。 四个步进电机各自设置了两组限位开关。这些限位开关实际上就是只有通 断两态的控制器，当电机转到设定的极限位置时，限位装置与限位开关接触， 使其导通，单片机引发一个外部中断。每个电机两个限位开关，这样四个电机 就有八个中断源，每个电机的两个中断源信号为一组，接入一个二输入与门， 相与后分为两路：一路接单片机p 2 口的对应引脚，另一路再和别的电机的中断 源信号输入到一个四输入与门中，相与后输入到单片机外部中断口i n t o 。单片 机进入中断服务程序后，先从p 2 口判断中断来自哪个电机，再向其c w 一输出反 向运转指令。 单片机通过m a x 2 3 2 芯片与连接p c 机的串行口进行二者间的数据通讯。 p 8 9 c 6 1 的输出t t l 电平为5 v ，不能直接与p c 的串口相连，要通过电平转换 芯片m a x 2 3 2 完成t t l 电平与r s 2 3 2 之间的电平转换。 串口通讯可以分为异步和同步两种方式。异步方式规定了字符数据的传送 格式，即帧式，每个数据以相同的帧式传送。帧信息包括由起始位，数据位， 奇偶校验位和停止位。同步方式以数据块为单元传送数据，不再需要起始位和 停止位标志，仅在数据块开始处用同步字符来指示“”。同步传送方式速率较快， 但对硬件设备要求较高，而异步方式更容易实现，所以本系统采用了r s 一2 3 2 异步串行通讯方式。 浙江大学硕士学位论文微球跳跃状态实时临测系统的研究 3 3 下位机控制系统的编程环境 3 3 1 编程语言及开发工具的选择 对于8 0 5 1 系列单片机现有四种语言支持，分别是汇编、p l m 、c 和b a s i c 。 b a s i c 通常附在p c 机上，是初学编程的第一种语言。一个新变量名定义之 后可在程序中作变量使用，非常易学，根据解释的行可以找到错误而不是当程 序执行完才能显现出来。b a s i c 由于逐行解释自然很慢，每一行必须在执行时 转换成机器代码，需要花费许多时间不能做到实时性。b a s i c 为简化使用变量， 所有变量都用浮点值。b a s i c 是用于要求编程简单丽对编程效率和运行速度要 求不高的场合。 p l m 是i n t e t 从8 0 8 0 微处理器开始为其系列产品开发的编程语言。它很 像p a s c a l ，是一种结构化语言，但它使用关键字去定义结构。p l m 编译器好像 汇编器一样可产生紧凑代码。p l m 总的来说是”高级汇编语言”，可详细控制着 代码的生成。但对5 l 系列，p l m 不支持复杂的算术运算、浮点变量而无丰富 的库函数支持。学习p l m 无异于学习一种新语言。 c 语言是一种源于编写u n i x 操作系统的高级语言，它是一种结构化语言， 可产生紧凑代码。c 语言可以进行许多机器级函数控制而不用汇编语言。与汇 编语言相比，c 语言有如下优点： 1 对单片机的指令系统不要求了解，仅要求对5 1 的存储器结构有初步了 解： 2 寄存器分配、不同存储器的寻址及数据类型等细节可由编译器管理； 3 程序有规范的结构，可分为不同的函数，这种方式可使程序结构化； 4 具有将可变的选择与特殊操作组合在一起的能力，改善了程序的可读 性： 5 编程及程序调试时间显著缩短，从而提高效率； 6 提供的库包含许多标准子程序，具有较强的数据处理能力； 7 已编好程序可容易植入新程序，因为它具有方便的模块化编程技术。 c 语言作为一种非常方便的语言而得到广泛的支持，c 语言程序本身并不依 赖于机器硬件系统，基本上不做修改就可根据不同的单片机较快地移植过来。 1 9 浙江大学硕士学位论文微球跳跃状态实时监测系统的研究 5 1 的汇编语言非常像其他汇编语言。指令系统比第一代微处理器要强一些。 5 1 的不同存储区域使得其复杂一些。尽管懂得汇编语言不是最终目的，看懂一 些却可帮助了解影响任何语言效率的5 l 特殊规定，例如，懂得汇编语言指令 就可以使用在片内r a m 作变量的优势，因为片外变量需要几条指令才能设置累 加器和数据指针进行存取。要求使用浮点和启用函数时，只有具备汇编编程经 验才能避免生成庞大的、效率低的程序，这需要考虑简单的算术运算或先算好 的查表法“”。 用c 语言来开发单片机系统软件最大的好处是编写代码效率高、软件调试 直观、维护升级方便、代码的重复利用率高、便于跨平台的代码移植等等，因 此c 语言编程在单片机系统设计中己得到越来越广泛的运用。 在本项目中，我们选用c 语言作为控制系统p 8 9 c 6 1 的编程语言，同时，选 用德国k e i l 公司出品的集成开发环境v i s i o n 2f o rw i n d o w s 作为程序编辑、 编译、链接及调试的开发平台。 使用pv i s i o n 2 工具的软件开发流程如图3 - 4 所示： hv i s i o n 2i d e 编辑器和剩俸m a k e ) 薹巽 0上 c x 5 1a x 5 1 编译嚣氟缩罂 li a 辩iel i b 5 1册e 5 1 l 括躔痒痒管理罄 蜜时拇棱 上 、 i ，上r1 l 鹾与l 链蓑嚣建我罄 上 跨标吵 图3 - 4 软件编译流程 uv i s i o n 2i d e 将项目管理和带交互式错误纠正的功能丰富的编辑器、选 项设置、制作工具以及在线帮助等结合起来。 2 0 浙江大学预士学位论文微球跳跃状态实时监测系统的研究 由uv i s i o n 2i d e 创建的源文件，经过c x 5 1 编译器或a x 5 1 汇编器处理， 生成可重新定位的目标文件。其中c x 5 1 编译器完全遵照a n s ic 语言标准，支 持c 语言的所有标准特征，还增加了可以直接支持8 0 5 1 结构的特征。 l i b 5 1 库管理器可以从由汇编器和编译器创建的目标文件下建立目标库。 这些库是按特定格式排列的目标模块程序的集合，以后链接器可以使用它们。 当链接器处理一个库时，仅使用库中用于创建程序的目标模块。 b l s l 链接器定位器使用从库中提取出来的目标模块和由编译器或汇编器 生成的目标模块，创建个绝对目标模块。绝对目标模块不包括可重定位的代 码和数据。所有的代码和数据驻留在固定存储器位置。 3 3 2 在系统编程( i s p ) 最终生成的绝对目标模块文件( 如h e x 文件) 可以用于编程e p r o m 或由p v i s i o n 2 调试器进行调试和模拟。在本项目中，我们利用p 8 9 c 6 1 的i s p ( i n s y s t e mp r o g r a m m i n g 在系统可编程) 功能将程序写入单片机存储器中。 i s p 不需要将微控制器从系统中移出，在系统编程特性包含了一系列内部 的硬件资源，与内部固件相结合可实现通过串口对p 8 9 c 6 1 的远程编程。固件 由p h i l i p s 提供并嵌入到每一个芯片当中。p h i l i p s 的在系统编程特性使嵌入式应 用中的在线编程成为可行，并最大限度减小了额外的元件开销和电路板面积。 i s p 功能使用芯片的5 个管脚：t x d 、r x d 、v c c 、v s s 和v p p ，见图3 5 。 1 l - 【 山 v 阼 t l _ 一 r s t魄 l1 x t a l 2 t * d l牛 p 8 9 c 6 0 x 2 lf _ 一 p 8 9 e 6 j 2 亡一 3 r丁 嗡 + 5 v p n 铆o “ 1 f 轴 = 图3 5 在系统编程的管脚配置 只需要一个小的连接器，就可实现通过外部电路使用该特性的应用接口。 2 1 浙江大学硕士学位论文微球跳跃状态实时监测系统的研究 其中v p p 电压必须充分的去耦而且不能超过手册规定的最大值“。 i s p 特性可以适应用户应用中较宽的范围的波特率而不依赖于振荡器频率。 它还可以适应较宽范围的振荡器频率。这是通过对一个接收到的字符中单个位 进行位时间测量来实现的，并用这个信息根据基于振荡器频率的定时器值对波 特率进行编程。为此i s p 特性要求主机必须向芯片发送一个初始化字符大写的 u 以使芯片对波特率进行设定。i s p 固件提供对接收字节的自动回送。 一旦波特率的设定完成之后i s p 固件将只接受i n t e l h e x 格式的记录。i n t e l h e x 格式的记录包含了用于表示十六进制数的a s c i i 字符。 由专门的i s p 软件将包含i n t e h e x 格式的程序通过串行线写入单片机。可 以从网站上得到各种免费的i s p 软件，本项目中我们选用的是周立功单片机发 展有限公司开发的i s p 软件。 3 4 下位机控制系统的软件设计 控制系统按功能主要有三个模块： 电机控制模块：控制4 个步进电机运行、停止、变速或转向。 限位响应模块：接收各个电机限位碰撞时的限位信号并做出相应处理。 串行口通信模块：接收上位机的控制指令，并返回本系统的状态信息。 三个功能模块分别在定时器0 中断、外部中断0 和串行中断u a r t 三个中断 程序里执行，因此主程序里主要做参数初始化、中断初始化及中断优先级设置 等初始化工作，然后就进入无限循环等待中断的触发。 在程序中为每个电机设置一个固定的数据结构用来存储电机的实时状态， 如转速、位置、转向等，该结构如下： s t r u c td r i v e r d a t a b y t ems t a ： 电机状态：复位状态( d r _ n u l l ) ；正在初始化( d r _ i n i t ) ：运动中 ( d r s t a r t ) ：就绪停止( d r s t o p ) i n ti i l s l g n ： i n tmm a x p o s 正反向标志 最大位置 浙江大学硕士学位论文微球跳跃状态实时监测系统的研究 i n tmm i d p o s i n t _ p o s ： i n tm _ d e t p o s i n tm - h i t p o s i n tmd h i t ： b y t emb d e t ： b y t emb h i t ： c h a rmm a x t i c h a rmt i ： 中间位置 当前位置 目标位置 碰撞时的位置 碰撞反转间隔 定位标志 碰撞标志 周期，即转速 ，猎数器 3 4 1 电机转动控制 从图3 - 3 示意图可知电机的控制信号是由p o 口的8 个引脚输出，其中p o 0 、 p o 2 、p o 4 、p o 6 输出c p 信号，p o 1 、p 0 3 、p o 5 、p 0 7 输出c w 信号。 c p 信号是方波脉冲，可以通过对单片机定时器0 ( 定时器1 在串行通信中 使用) 编程实现。脉冲输出程序流程图如图3 - 6 。 图36 脉冲输出程序流程图 退出中断程序 退出