（生物医学工程专业论文）光学显微镜自动聚焦系统设计与实现.pdf

华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 ii abstract optical microscope is a precision instrument. it is playing an important role in biology, medicine and chemistry for its advantage of high precision, strong ability of anti- interference and stability. in biomedical application, factitious error is easy to be brought in when observing the specimen by manual focusing, and the automation level is low- grade. so, if applying autofocus control to optical microscope, the speed of experiment and analysis will be increased and the quality of microscope imaging would be improved. in this paper, a microscope autofocus system is designed. the autofocus system is based on mcu control and digital image process. the system capture biology specimen image through ccd camera and image grab card, then judge the definition of image through image evaluation arithmetic and communicate with mcu under the control of auto- search arithmetic. objectives movement is then driven by stepper motor through mechanical gear. in autofocus system, by directly matching flexible shaft coupling and focusing axis of microscope, integrating micro- step driver, the mechanical tolerance of gear was diminished while the accuracy of focus was improved effectively. then, it is proved that the auto- correlation operator is one effective approach to evaluate low- contrast image specially based on the performance comparison of some image analysis operators. biology experiments have shown that the proposed scheme meets the requirement of autofocus both on accuracy and speed. key words: microscope autofocus stepper motor digital image process 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体， 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密， 在 年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪论 1.1 课题意义 显微镜（microscope）一词，于 1625 年由法布尔首先提出，并一直沿用至今。 1610 年意大利物理学家伽利略（galileo）制造了具有物镜、目镜及镜筒的复式显微 镜。1611 年开普勒（kepler）阐明了显微镜的基本原理。19 世纪中叶，在显微镜的 发展史中， 贡献最为卓越的是德国的物理学家、 数学家和光学大师恩斯持 阿贝 （ernst abbe） 。他提出了显微镜的完善理论，阐明了成像原理、数值孔径等问题。他在 1870 年发表了有关放大理论的重要文章。两年后，又发明了油浸物镜，并在光学玻璃、 显微镜的设计和改进等方向取得了光辉的业绩1。 从 19 世纪末至 20 世纪上半叶，欧洲的一些科学家致力于提高显微镜的分辨率 及观察效果，继而设计并制造出了反射镜、消色差物镜、大数值孔径物镜、油浸物 镜、萤石玻璃校正的复消色差物镜、暗视野聚光镜、偏光附件及补偿目镜等光学部 件，使显微镜的性能不断地提高，应用范围也越来越广，显微镜的造型也相应的日 趋完善。随后人们又利用光波的某些特征和现象，对成像光路作了改进。1902 年， 艾夫斯（e. e. lves）奠定了现代双目镜的基本系统。近年来，由于新技术、新理论 在显微镜中的运用，20 世纪 60 年代中期研制出诺尔曼斯基（nomarski）微分干涉差 显微镜。这类显微镜在很多学科的研究工作中显示出优越的性能。可以预见，随着 科学技术的不断发展， 不久的将来显微镜的性能会越来越好， 用途也会越来越广泛1。 现代的光学显微镜已经发展成为一种精密的光学仪器，以其精度高、抗干扰能力 强、长期稳定性好等优点，在生物、医学、化学等行业中占有特殊的地位，发挥着 非常重要的作用。在生物医学应用中，用显微镜对样品进行显微观察及监测时，如 果仅仅靠手动聚焦，容易带来一定的人为误差，而且自动化程度低。 20 世纪中叶以来，半导体微电子技术、超大规模集成电路技术、光电技术、计 算机技术、图像处理与模式识别技术的突飞猛进给传统的光学与机械工业注入了新 的生命，使它进入了以光机电一体化为标志的新时代。电子与控制技术的进步使传 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 统的光学仪器向智能化、自动化的方向发展。而在显微成像领域，自动聚焦技术的 应用就显得越来越重要。显微镜采用自动聚焦技术的目的是为了减小人为操作对显 微成像质量的影响，提高实验与分析的速度。 本课题的研究工作正是围绕如何实现显微镜的自动聚焦展开。本系统采用 ccd 获取显微镜下的显微图像，对其进行分析后，驱动显微镜的聚焦执行机构以找到正 确的聚焦平面。利用显微图像实现计算机视觉，必然要依靠快速跟进的聚焦装置， 以便自动、实时、准确地得到高质量的清晰图像。性能良好且判断准确的聚焦准则 及策略，对于精确的视觉信息获取起着至关重要的作用。 1.2 技术背景 自动聚焦技术于 20 世纪 70 年代最初应用于照相系统。传统的对焦技术大部分 是基于测距原理的，如超声波测距法2、反射能量法3, 4和一些基于三角测距原理的 方法5。随着电子技术和信号处理技术的发展，产生了基于视频信号分析的自动对焦 技术，并应用于摄像系统6, 7。 随着计算机技术的发展和对数字图像处理技术的深入研究，利用计算机处理图 像，并控制自动聚焦执行机构的运动及其方向，从而实现自动聚焦，是显微镜的自 动聚焦方案之一。利用显微数字图像特征，提取离焦参量，是通过软件来实现的， 因此针对不同的样品可以灵活采用不同的图像清晰度评价标准，其针对性强，准确 度高，是一种较为直接的自动聚焦方法。 在采用 ccd 和图像采集卡的基础上，运用数字图像处理技术进行自动聚焦是一 条很好的思路。图像处理技术发展到今天，许多技术己日趋成熟，在各个领域的应 用也取得了巨大的成功和显著的经济效益。如在生物医学研究领域，为进行显微血 细胞特性的快速分析，将数字图像处理技术引入血细胞形态分析中，能够提取出较 明显的几何形态的特征向量。在病理切片的显微检测中，利用数字图像分析技术， 能够准确地提取并测量细胞的某些特征参数，为探索疾病的发病机理提供了准确的 依据，实现了细胞诊断的自动化。在安全领域，利用图像处理的模式识别等方法， 可以实现监控、指纹识别、案件侦破等。另外，图像分析或者显微图像处理技术在 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 冶金矿业、材料分析、质量检测、测量分析等方面也得到广泛的应用，并逐步的向 更加深入及更高的层次发展。显微图像的数字化使得显微镜的性能得到了进一步的 提高。 近年来，随着 pc 机性能的大幅提升和 ccd 价格的不断下降，基于 pc 的显微镜 自动聚焦系统开始出现8。这种系统利用 pc 强大的运算能力，对 ccd 相机采集到 的显微图像进行清晰度评价，进而驱动显微镜的聚焦轴运动直到找到正确的聚焦点。 在自动聚焦执行机构的研究中，人们多以步进电机驱动显微镜的载物台或物镜， 开发了各种不同等级的步进电机驱动控制器。文献8采用了步进电机的 8 级细分驱 动，并配备了 262:1 的微齿轮减速箱作为运动控制部件，提高了分辨率；文献9开 发了步进电机 4 级细分驱动器来控制镜头的运动，实现了流水线上工件的连续图像 采集测量。 在自动聚焦的评价方法方面，文献10和11中比较了各种图像清晰度评价函数 的优劣，得到了适合各自系统的自动聚焦分析算法；文献12采用了成本较高的数字 ccd 相机作为图像采集部件，实现了自动聚焦单元。文献13提出了一种基于熵函 数的自动对焦方法；文献14提出了基于能量和熵的聚焦评价方法；文献15提出了 一种基于小波变换的多分辨率分析方法来实现数字图像自动聚焦的新算法； 文献16 提出了一种基于图像清晰度的自动聚焦算法；文献17提出了一种基于尺度变化的 dct自动聚焦算法。 在自动聚焦的产品化方面，北京航空航天大学机器人所研制的“塑料微流控芯片 微对准自动装配系统”采用基于显微视觉方式，对微流控芯片实现高精度、全自动 的键合前对准装配8； 四川大学在在olympus bx系列的显微镜上加装自动控制平台， 使显微镜能够在计算机的控制下沿 xyz轴移动，结合图像分析软件使自动图像分析 仪能够自动读片，自动分割出可疑肿瘤细胞18；武汉大学科学仪器工程技术中心自 主研制的可自动换片细胞显微图像分析仪，其全自动三维平台包含了一般三维控制 平台所不具有的自动上下片装置，三轴原点绝对定位装置，可以在一个玻片扫描完 毕后，自动将此玻片放回玻片盒，并从玻片盒中取出下一个玻片放入载物台玻片夹 中，自动开始新的扫描，而无需任何人工干预19。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 4 1.3 论文研究的主要工作 本硕士论文在对显微镜自动对焦技术进行分析的基础上， 设计出一种以 pc 为控 制核心的光学显微镜自动聚焦系统。通过一系列实验，对系统进行了完善。具体内 容如下： 第一章介绍了课题的研究意义、自动对焦技术现状，确定本论文的研究内容。 第二章阐述了显微镜成像的基本原理，进而提出了本系统的结构。 第三章设计了系统的硬件部分， 包括 ccd 和图像采集卡、 步进电机驱动控制器、 传动与限位装置等。 第四章为软件设计。包括单片机控制程序的设计，以及上位机上两个核心算法 的实现。然后在生物实验的基础上，针对本系统的特性分析比较了各种图像清晰度 评价算子，并得到了适合于本系统的算法。最后对系统的性能进行了比较分析。 第五章为全文的研究总结，并对课题的后续研究进行了展望。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 5 2 系统结构 本论文中的显微镜自动聚焦系统是利用计算机来分析处理调焦过程中采集的一 系列图像，用图像清晰度评价函数来判断离焦状态，再通过串口通讯方式控制步进 电机，驱动调焦执行结构，使显微镜的物镜在行程范围内上下移动，最终使物镜运 动到清晰聚焦的位置。 2.1 显微镜成像原理 当 ccd 接在显微镜的出光口时，成像光路以光注入的方式将图像成像在 ccd 的像敏面上的，所以 ccd 实际感应到的像只能是显微镜光路中的实像。如图 2- 1 所 示，ccd 靶面置于显微镜的像方焦面上，显微镜下的样品经物镜第一次放大后得到 一个中间像（实像） ，该实像经过目镜二次放大后得到最终的实像，经过二次放大的 实像被投影在 ccd 靶面上20。 图 2- 1 光学显微镜成像原理 fig.2- 1 principle of optical microscope 所以，ccd 所采集到的图像的放大倍数，己经不是简单的物镜和目镜放大倍数 的乘积。但是，它也不是单纯的物镜的放大倍数。可以根据需要使用显微测微尺等 通过测量的方法来标定计算精确的放大倍数。 显微镜能否得到清晰的图像与很多因素有关，如显微镜的景深、对生物样品的光 照、ccd 的灵敏度等等。而这些因素中最重要的是显微镜的景深，因为确保生物样 品处于显微镜景深范围之内，是成像的第一步，同时应该尽量消除或者减少光照变 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 6 化及不均匀等因素的影响。 人眼通过显微镜调焦在某一平面（对准平面）上时，在对准平面前和后一定范围 内物体也能清晰成像，能清晰成像的远、近物平面之间的距离称作显微镜的景深。 使用不同放大倍数和不同数值孔径的物镜时景深有很大差异，随着放大倍数的增大， 景深变小。关于显微镜系统的景深，许多人给出了不同的计算公式。虽然意见都不 完全相同， 却都认为景深应该和光波长、 显微镜物镜数值孔径na、 介质折射率n和 显微镜放大率m这几个参数相关。其中两个最著名的公式是 born as1117 稳压管 as1117 +5v +3.3v +3.3v 外围器件; 单片机数字电源; 单片机模拟电源; 表 3- 2 电路接地方式 table 3- 2 grounding of circuit 地 连接方式 地 gnd（数字地） 0 欧姆电阻 a2gnd（功率地） gnd（数字地） 0 欧姆电阻 agnd（模拟地） 图 3- 2 电机运转时电路地线电位波形 fig.3- 2 ground voltages in motor running condition gnd a2gnd 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 12 如上图 3- 2 所示，上部曲线为电机运转时功率地（a2gnd）的波形，其峰值为 50mv；下部曲线为电机运转时 gnd（数字地）的波形，其峰值为 25mv。由于 3.3v 器件的逻辑电平标准为： voh=2.4v； vol=2v； vil=0.8v， 而 gnd 的 25mv 的干扰相对与 vol（0.4v）和 vil（0.8v）而言很小，所以，通过 0 欧姆 电阻将 a2gnd和 gnd一点接地后，可以明显削弱功率器件对数字系统的干扰。 3.2 聚焦执行机构 系统采用普通两相双极型步进电机作为执行元件26，基本步距角为 1.8，显 微镜为 bx51（olympus corp.，japan） 。实际测试表明，当显微镜的粗调旋钮旋转 360时，显微镜物镜行程约 20mm。为了消除机械传动机构的回程差，提高聚焦控 制精度。一方面，我们采用弹性联轴器实现了步进电机与显微镜聚焦轴的直接耦合。 这样，电机每转动一个基本步距角，物镜在垂直方向上移动约 100um。另一方面， 考虑到生物医学实验时细胞胞体厚度为 10um 左右， 因此需要对电机做细分驱动才能 满足聚焦精度的实验要求。设计时，我们对步进电机进行 128 级细分驱动，使得每 个微步距对应的物镜最小行程约为 1um，聚焦执行机构的分辨率达到了细胞显微成 像的要求。同时，细分驱动方式有助于电机长时间的平稳运行，减少噪声。 步进电机的细分驱动采用的是斩波恒流方式。步进电机通过细分驱动器的驱动， 可以使其步距角变小。如驱动器工作在 10 细分状态时，其步距角只为“电机固有步 距角”的十分之一，也就是说，当驱动器工作在整步状态时，控制系统每发一个步 进脉冲，电机转动 1.8；而细分驱动器工作在 10 细分时，电机只转动了 0.18。 细分功能完全是由驱动器靠精确控制电机的相电流所产生的，与电机无关。 步进电机的细分技术实质上是一种电子阻尼技术，其主要目的是提高电机的运 转精度，实现步进电机步距角的高精度细分。其次，细分技术的附带功能是减弱或 消除步进电机的低频振动。驱动器细分后的主要优点为：完全消除了电机的低频振 荡；提高了电机的输出转矩；提高了电机的分辨率，由于减小了步距角、提高了步 距的均匀度。因此，在性能上的优点是细分的真正优点。由于细分驱动器要精确控 制电机的相电流，所以对驱动器有很高的技术要求。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 13 本系统采用的步进电机为两相双极型的电机，其内部结构如图 3- 3 所示。 a+、a- 为电机的绕组 a 的两个接头；b+、b- 为电机绕组 b 的两个接头。当绕 组 a 和 b 中有电流通过时，两个绕组的合成磁势便决定了电机转子的位置。 图 3- 3 两相双极型步进电机结构 fig.3- 3 structure of 2- phase bipolar stepper motor 在没有细分的二相激励整步条件下，电机的磁势图如图 3- 4： 图 3- 4 两相整步激励下的电机磁势图 fig.3- 4 magnetic diagram in full- step driving condition 在这种情况下，电机在四步内走完一个广义角 360，也就是说每步走 90。 对应到电机的步距角就是 1.8/step。如果以 （a+，b+） 、 （a- ，b+） 、 （a- ，b- ） 、 （a+， 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 14 b- ）的时序给电机绕组通电，则电机的转子依次从 step1 转到 step4，从而完成一个 时序周期。 为了实现细分，首先要建立细分的数学模型。 细分的首要条件是： （1）电机每步的合成磁势大小相同。 （2）电机每步转动角度的大小相同。 在此前提下，推导出如下正余弦模型： 图 3- 5 两相四细分激励下的电机磁势图 fig.3- 5 magnetic diagram in 4- grade micro- step driving condition 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 15 如图 3- 5 所示，该模型的特点是，在保证相同细分步距角和相同合成磁势大小的 前提下，利用正交分解，得到两相细分电流值。 a+和 b+表示整步方式下，电机中绕组 a 和 b 通正相电流时的磁矢量，它们之 间的夹角为 90 。在四细分条件下，a+和 b+的合成磁矢量产生了从 s0 到 s4 的渐 变，它们的模量相等，相位以/8 递增。 作出相电流的时序图： 图 3- 6 四细分时的电机绕组相电流时序 fig.3- 6 current curve in 4- grade micro- step driving condition 只要按照上图所示的时序给电机的绕组供电，即可以实现电机的细分驱动。 如果在整步方式下，绕组 a 或 b 中的电流为 i，则在本系统中的 128 级细分条 件下，绕组 a 中的电流为： cos 1282 i i iai = （i=0，1，2 128） (3- 1) 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 16 绕组 b 中的电流为： sin 1282 i ibii = （i=0，1，2 128） (3- 2) 驱动芯片采用 lmd18245t（national semiconductor，usa） 。该驱动芯片为 dmos 全桥电机驱动器 lmd18245，只需外接两个电阻和两个电容，即可实现电 机的全桥驱动、数字电流控制、过流保护、过热保护、欠压保护、防止对管直通 等功能，充分体现了集成功放电路外围电路简单、性能稳定可靠、控制功能全面 的特点27。 lmd18245 是为中小型直流电机及两相步进电机设计的功率放大集成电路。ns 公司在该种芯片的制造过程中应用了多种技术以达到在单个芯片上同时集成双极性 逻辑电路、cmos 逻辑电路以及 dmos 功率开关电路的目的，从而使芯片内部不仅 包含了 dmos 开关功率放大电路，还包含了直流电机和步进电机驱动及控制所需的 所有电路模块，如四位 d/a 转换器、电机电流传感放大器、比较器、单稳电路、输 入及控制逻辑、过流保护、欠压保护、过热保护等。在负载电流的测量上，针对在 电机回路中串入传感电阻测量电机电流，将导致较大功率损耗的缺陷，ns 公司采用 了一种基本上无功率损耗的新型电流传感技术，使低成本下的无功率损耗电流测量 成为可能。由于采用了固定切断时间的斩波放大器（fixed off- time chopper）及内置 四位 d/a 转换器，该芯片可以很容易完成电机电流的数字控制，实现步进电机的微 步驱动。另外，lmd18245 中的全 dmos h桥功率开关低导通电阻特性，使其具 有很高的功放效率28。 lmd18245 的内部功能框图如图 3- 7 所示。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 17 图 3- 7 lmd18245 内部结构图27 fig.3- 7 internal structure of lmd18245 lmd18245 的主要性能参数如下： （1）工作温度范围： - 40+125 （2）电机电源电压范围：+12v+55v （3）最大逻辑电压：+12v （4）最大输出持续电流：3a （5）最大输出峰值电流：6a （6）最小输入脉冲宽度：2us （7）电流传感器最大线性误差（0.5a3a） ：9% 其控制方式采用固定关断时间斩波放大（fixed off- time chooper） 技术，工作 过程如下： 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 18 上电后， 在 brake信号无效， 且保护逻辑无输出的情况下， 电机按 direction 信号的方向转动。电流传感放大器采样电机电枢电流，经 13 脚的 rc 网络转换为电 压值，与 d/a 转换输出的预定阀值相比较。如果当前的电流使转换的电压值小于阀 值，则控制 h桥导通，电源电压全部加在电机绕组线圈上，使负载电流以指数规律 增加。 接在 cs out 端的阻容网络上的电压值 vcs 也随之增长。当负载电流增加 到或超过阀值电流时，使比较器翻转，触发单稳电路翻转，关断 h 桥。输出开关关 断的时间由单稳电路的时间常数决定，其计算公式为： 1.1 off trc= (3- 3) 其中，r、c 分别为引脚 3 所接的电阻和电容。 当关断时间到达的时候，则输 出开关重新闭合，电枢电流又呈指数规律增长，重复前面的过程，形成电枢电流的 固定关断时间斩波控制。 另外，为了克服该芯片内置的 4bit dac 只能实现最多 16 级细分的缺点，直接 采用了微控制器的两路 12bit dac 来实现步进电机的 128 级细分驱动。 3.3 微控制器 微控制器采用 c8051f 系列 soc （system on chip）单片机 c8051f020 （silicon laboratories corp.，usa） ，负责步进电机的驱动控制、显微镜物镜的限位、与上位 机 pc 通讯等。 随着现代电子设计技术的发展，在微控制领域，传统的 8051 单片机由于集成度 低、 内置的外设资源少， 已经逐渐被新的混合信号单片机替代。 新型单片机， 如 silicon 公司的 c8051f 系列，就是一种是完全集成的混合信号系统级芯片（soc） 。它具有 与 8051 兼容的高速 cip- 51 内核，与 mcs- 51 指令集完全兼容，片内集成了数据采集 和控制系统中常用的模拟、数字外设及其他功能部件；内置 flash程序存储器、内 部 ram， 大部分器件内部还有位于外部数据存储器空间的 ram， 即 xram。 c8051f 单片机具有片内调试电路，通过 4 脚的 jtag 接口可以进行非侵入式、全速的在系统 调试29。 本驱动器采用的是 c8051f 单片机的 020 型。该型号的单片机具有以下特点： 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 19 （1）64kb flash；4k ram （2）64 i/o （3）2 uart； 带有 i2c 总线 （4）5 16bits 定时器 （5）8 12bits adc；100kbps （6）2 12bits dac （7）2 模拟电压比较器 （8）jtag 调试下载接口 图 3- 8 cip- 51 内核单片机与其它 51 内核单片机的速度对比29 fig.3- 8 speed compare of cip- 51 and other 51core mcu c8051f 系列器件使用 silicon labs 的专利 cip- 51 微控制器内核。cip- 51 mcs- 51tm指令集完全兼容，可以使用标准 803x/805x 的汇编器和编译器进行软件开 发。 cip- 51 内核具有标准 8052 的所有外设部件，包括 5 个 16 位的计数器/定时器、 两个全双工 uart、256 字节内部 ram、128 字节特殊功能寄存器（sfr）地址空 间及 8/4 个字节宽的 i/o 端口。 cip- 51 采用流水线结构，与标准的 8051 结构相比指令执行速度有很大的提高。 在一个标准的 8051 中， 除 mul 和 div 以外所有指令都需要 12 或 24 个系统时钟 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 20 周期，最大系统时钟频率为 12- 24mhz。而对于 cip- 51 内核，70%的指令的执行时 间为 1 或 2 个系统时钟周期，只有 4 条指令的执行时间大于 4 个系统时钟周期。 cip- 51 工作在最大系统时钟频率 25mhz 时，它的峰值性能达到 25mips。下图给出 了几种 8 位微控制器内核工作在最大系统时钟时的峰值速度的比较关系。 c8051f020 采用的是+3.3v供电，在电路中，以一片 7805 的输出+5v电压，然 后再经过一片 as1117 将其转换为+3.3v 对单片机供电。as1117 是低压差稳压器 （ldo：low drop out） ，它的工作原理是通过负反馈调整输出电流使输出电压保持 不变，效率一般为 60%- 75%，属于一种线性电源，输出电压的纹波极小，非常适合 给单片机提供干净的电源。 虽然 c8051f020 是+3.3v 供电的，但是其 i/o 引脚可以耐+5v 电压。尤其是在 本电路中，电机控制面板上有很多的手动控制模块需要大量的用到单片机的 i/o 资 源，这种耐+5v电压的特性很好的保证了单片机 i/o 口线的安全。 c8051f020 器件有 大量的数字资源需要通过 4 个低端 i/o 端口 p0、p1、p2 和 p3 才能使用。p0、p1、 p2 和 p3 中的每个引脚既可定义为通用的端口 i/o（gpio）引脚，又可以分配给一 个数字外设或功能（例如： uart0 或/int1） 。 系统设计者控制数字功能的引脚分配， 只受可用引脚数的限制。这种资源分配的灵活性是通过使用优先权交叉开关译码器 实现的。优先权交叉开关译码器又称为“交叉开关” ，按优先权顺序将端口 0- 3 的引 脚分配给器件上的数字外设。端口引脚的分配顺序是从 p0.0 开始，可以一直分配到 p3.7。当交叉开关配置寄存器 xbr0、xbr1 和 xbr2 中外设的对应使能位被设置 为逻辑1时，交叉开关将端口引脚分配给外设。如果一个数字外设的使能位未被 设置为逻辑1 ，则其端口将不能通过器件的端口引脚被访问29。 另外，c8051f020 的易用之处还在于它支持 jtag 的在线编程和调试。传统的 8051 系列单片机都需要现在仿真器上把程序调试通过，然后通过专用的烧写器将 hex文件格式的程序烧写到芯片中。 而使用 jtag 接口的芯片就完全避免这些麻烦。 jtag （joint test action group）是 1985 年制定的检测 pcb 和 ic 芯片的一个标准， 1990 年被修改后成为 ieee的一个标准，即 ieee1149.1- 1990。通过这个标准，可对 具有jtag接口的芯片的硬件电路进行边界扫描和故障检测。 具有jtag接口的芯片， 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 21 相关 jtag 引脚的定义为：tck 为测试时钟输入；tdi 为测试数据输入，数据通过 tdi引脚输入 jtag接口；tdo 为测试数据输出，数据通过 tdo 引脚从 jtag 接口 输出；tms 为测试模式选择，tms 用来设置 jtag接口处于某种特定的测试模式； trst 为测试复位，输入引脚，低电平有效30。在电路设计中，只要把 c8051f020 的几根 jtag口做到电路板的一个 10 针接口上， 就可以通过一个 usb转串口的调试 下载器把程序在线下载到芯片里，并完全支持断点调试，极大的加快了开发速度， 较少了开发成本。 在本电路的设计中，步进电机的细分驱动需要单片同时提供两路正弦细分波形 以控制电机绕组中的电流。电机驱动芯片 lmd18245 中内置了一个 4bit 的 dac，但 是 4bit 的分辨率对于本系统的最高 128 级细分是不够用的，所以需要另外增加 dac 芯片。c8051f020 内置的两路 12bit dac 可以提供理论上高达 2048 级细分，完全满 足系统的设计要求。每个 dac 的输出摆幅均为 0v 到（vref- 1lsb） ，对应的输入 码范围是 0 x000 到 0 xfff。可以用对应的控制寄存器 dac0cn 和 dac1cn 使能/ 禁止 dac0 和 dac1。在被禁止时，dac 的输出保持在高阻状态，dac 的供电电 流降到 1ua 或更小。每个 dac 的电压基准在 vrefd 引脚提供。每个 dac 都具 有灵活的输出更新机制，既可以根据软件命令更新输出，也可以基于定时器溢出的 更新输出，允许无缝的满度变化并支持无抖动输出更新，适合于波形发生器应用29。 3.4 传动与限位装置 步进电机与显微镜的耦合有齿轮箱、皮带等方式，但是存在精度低、安装复杂、 有回程差等缺点。因此，我们采用弹性联轴器直接耦合电机与显微镜的聚焦轴的方 式，有效地消除了回程差。虽然由于弹性联轴器没有变速比，需要电机提供更大的 扭转力矩。但是步进电机驱动芯片 lmd18245t提供了高达 3a 的驱动电流，完全可 以满足驱动要求27。 在显微镜聚焦轴的上下运动过程中，如果没有限位装置，显微镜的物镜很容易 碰撞到载物台而划伤或破裂。设计中，采用霍尔开关起限位作用。霍尔开关的是一 种有源磁电转换器件，它是在霍尔效应原理的基础上，利用集成封装和组装工艺制 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 22 作而成，它可方便的把磁输入信号转换成实际应用中的电信号。 图 3- 9 霍尔开关电路连接图 fig.3- 9 circuit of hall switch 系统中使用的霍尔开关是是沪丰机床电器制造厂的 njk5002c 型31。它的特性 是： （1）响应频率：50100khz （2）重复定位精度：小于 0.02mm （3）回差复位，无开关瞬态抖动 （4）工作电压最低为 5v，可用数字电路供电 （5）开关量输出可以直接与数字电路接口。 图 3- 10 霍尔开关电子特性 fig.3- 10 electronic characteristic of hall switch 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 23 如图 3- 9 和图 3- 10 所示，霍尔开关以+5v供电，其相应输出端 vout 直接连接到 单片机的中断口。将霍尔开关固定在物镜附近并随物镜垂直移动，同时，在霍尔开 关于载物台的投影位置放一个小磁钢，两者之间的垂直距离为 z。当霍尔开关与小磁 钢的距离达到负跳变点时，霍尔开关输出一个 ttl 电平负跳变，单片机检测到该电 平跳变后发出指令停止电机的转动。 3.5 本章小结 本章介绍了系统硬件部分的结构与功能。硬件部分由以 c8051f020 为核心的步 进电机驱动控制电路板、传动装置和限位装置构成。在硬件电路的设计中，出于降 低电路噪声、提高电路性能的考虑，采用了高度集成的 c8051f020 作为主控芯片， 搭配高性能的电机驱动器 lmd18245，较好的完成了步进电机的 128 级细分驱动。 传动装置采用了弹性联轴器直接耦合电机与显微镜调焦轴，减小了回程差，提高了 机械精度。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 24 4 系统软件功能设计 显微自动聚焦软件包括运行于单片机上的电机控制程序和运行于 pc 机上的主 控程序。 电机控制程序和主控程序通过单片机和 pc 机的串行口通讯， 实现自动聚焦。 主控程序中有两个核心的算法：自动搜索算法和图像清晰度评价算法。前者自动控 制显微镜物镜上下运动，在最短时间内找到最佳聚焦平面，后者对 ccd 拍摄的图像 进行清晰度评价和自动分析，然后将分析结果换算成控制指令发送给下位机，控制 电机运动到最佳聚焦位置。 4.1 单片机程序设计 图 4- 1 单片机主程序结构 fig.4- 1 structure of mcu main program 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 25 单片机程序采用 c51 语言开发，在 keilc 开发环境下，通过 jtag 接口对 c8051f020 进行在线编程和调试。单片机的程序由主程序、外部中断处理程序和串 口中断处理程序组成。主程序负责配置单片机的初始化（看门狗、时钟、i/o 端口、 串口等）和电机运行方式的配置，外部中断处理程序负责处理手动控制模块的动作， 串口中断处理程序负责执行响应上位机的自动搜索程序32。 单片机主程序流程图见图 4- 1，整体结构上采用轮询方式。具体执行过程如下： 单片机在完成初始化后，读取并配置步进电机控制面板上设定的电机运行参数，然 后在一个一个 while（1）死循环中监测 p2.4 和 p2.5 口线的状态。p2.4 和 p2.5 口线 对应着电机控制面板上的正转和反转按钮，当这两根口线出现逻辑高电平，也就是 面板上的正转或反转按钮被按下时，电机持续正传或反转。 图 4- 2 单片机外部中断结构 fig.4- 2 structure of mcu external interrupt program 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 26 单片机外部中断程序流程图见图 4- 2。 单片机外部中断程序是为了响应电机控制面板上的手动控制按钮。每当面板上 有按钮按下时，74hc148 优先编码器就会将该按钮编码，然后向单片机的外部中断 口产生一个中断。单片机响应该中断后，主程序转入外部中断处理程序。首先读取 74hc148 的编码值，然后根据该编码值做出相应的处理。 单片机串口中断处理程序流程图见图 4- 3： 图 4- 3 单片机串口中断结构 fig.4- 3 structure of mcu serial interrupt program 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 27 在串口中断程序中，单片机首先读取来自串口缓冲区的数据，然后根据这些数 据的值决定要执行的动作。 4.2 自动搜索算法 从显微镜手动聚焦的过程中可以看出，显微成像聚焦就是图像从模糊到清晰再 到模糊的反复调节，最终到达清晰的过程。所以，自动搜索算法的功能在于控制电 机在显微镜物镜的行程内运动，结合图像清晰度评价算法，以求找到最佳聚焦平面。 显微镜聚焦过程要求极高的精度， 如果焦距调整步长过大，很可能使载物台跨过正 确的聚焦位置，从而导致聚焦错误甚至聚焦不能结束。反之，如果选取小步长进行 聚焦，可以作到正确聚焦， 但是整个聚焦过程可能耗时很长，降低了系统性能。 4.2.1 算法原理 已经有很多文献报道过一些针对显微镜自动聚焦优化的搜索算法，常用的有爬 山法、两步法等。爬山法的过程如下所示： （1）初始化起点位置 i = 1，移动方向 direction 和移动步长 movestep，计算评 价函数值 energy1，并令 maxenergy = energy1； （2）按照 direction 和 movestep 移到新位置 i，并计算评价函数值 energyi。 如果 energyi pvdata; if（*ansfrommcu=1） /物镜已经运动到行程底端 grabandjudge（）; /采集并计算图像清晰度值 direction=2; /改写 pc 要发送的数据 control=2; array.setat（0,direction）; /填充 pc 要发送的数据 array.setat（1,control）; 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 32 array.setat（2,lstep）; array.setat（3,sstep）; array.setat（4,over）; m_com.setoutput（colevariant（array） ）; /发送数据 else if（*ansfrommcu=2） /遍历中；开始下一个 1 lstep grabandjudge（）; direction=2; control=2; lstep=1; array.setat（0,direction）; m_com.setoutput（colevariant（array） ）; else if（*ansfrommcu=3） /到了行程顶端；开始计算并行进到 /maxclear 位置； byte maxclearpoz=searchmaxclear（）; direction=1; control=3; array.setat（0,direction）; /填充 pc 要发送的数据 m_com.setoutput（colevariant（array） ）; m_ntraversaltimes+; /全局遍历次数自增 for（int i=0;i1 然后再执行该算法。下面的程序以图像的自相关算子为例，说明的程序的基本内 容： void cautofocusdlg:onclearjudgefromfile（） for（int seq=1;seq46;seq+） /共处理一个序列共 45 幅图像 cfile bmpfile; /定义一个文件类的对象 cstring filename; filename.format（%d.bmp,seq）; bmpfile.open（filename,cfile:modecreate+cfile:modenotruncate）; /打开图像文件 dibimage.read（ /读入图像文件到 dibimage 对象中 csize sizewh=dibimage.getdimensions（）; /获取图像的长和宽 int sum=0,cor1=0,cor2=0,cor3=0; for（int x=0;x（sizewh.cx- 1）;x+） /以下为图像的自相关运算 for（int y=0;ysizewh.cy;y+） cor1=（dibimage.getpixel（x,y）.rgbred）*（dibimage.getpixel（x+1,y）.rgbred） +cor1; for（int i=0;isizewh.cx;i+） for（int j=0;jsizewh.cy;j+） sum=sum+dibimage.getpixel（i,j）.rg