电子论文-单色激发光源外围控制电路设计.pdf

基金项目 国家自然科学基金资助项目 基金项目 国家自然科学基金资助项目 No 30327001 单色激发光源外围控制电路设计单色激发光源外围控制电路设计 董俊 瞿安连 华中科技大学生物物理与生物化学研究所 武汉 430074 摘要 单色激发光源是单细胞荧光显微系统中的重要组成部分 本文简要介绍了荧光显微 检测系统中单色激发光源外围控制电路的组成 并详细介绍了单色激发光源控制电路中自动 校准电路以及手控板电路设计 通过外围电路的设计 使得整个单色激发光源系统安全 有 效 便于操控 关键字 荧光显微 手控板 自动校准 多级菜单 Design of Peripheral Control Circuit for Monochromator DONG Jun QU An lian Institute of Biophysics and Biochemistry Huazhong University of Science and Technology Wuhan 430074 Abstract Monochromator is a very important part in living cell fluorescence microscopy system In this paper we introduce the configuration of the peripheral control circuit and more details about the automatic calibration and manus control system is included The design of peripheral circuit improves the security and intelligence Keywords fluorescence microscopy manus control automatic calibration multi level menus 中图分类号 TP216 3 文献标识码 A 1 引言 引言 荧光显微技术在生物学和医学领域已得到了广泛应用 是观测活细胞与周围环境之间 细胞内生物大分子之间相互作用的有力工具 随着世界科技发展不断深入 尤其是生物 医学 纳米科技等领域已进入分子生物学 基因医学 原子层次的发展新阶段 单个分子 或少许分子的荧光显微检测技术已经越来越引起人们的重视 1 由于不同荧光物质 生物 生化物质或荧光探针 需要不同波长的激发光才能发射荧光 所以必须具备能控制或改变激发光波长的单色激发光源系统 国际上荧光检测设备的生产厂 商有德国的TILL 日本的奥林巴斯等公司 其相关产品有德国TILL公司生产的Polychrome 系列单色光源系统 以及日本奥林巴斯最新推出的MVX10研究级荧光显微系统 国内有台 湾明美科技生产的InCyt I P型钙离子双波长比值荧光影像及测量系统 他们的单色光源系 统大多都采用氙灯作为光源 闪耀光栅作为分光元件 构成波长可连续无级变化的激发光系 统 而抛弃了过去靠滤光片组来获得单色光的方法 实现了波长全程或指定范围内连续或重 复扫描 激发光无级变化 设定波长 时间记录 设定步长 步进扫描等功能 我们在自己 的单色激发光源光学系统已基本成形的基础上 2 开发了单色光源外围的电路控制系统 2 系统总体介绍 系统总体介绍 单色光源外围控制电路如图 1 所示 由以 Cypress 公司的 USB2 0 接口芯片 EZ USB FX2 CY7C68013 以下简称 FX2 为核心处理器的硬件电路系统组成 整个系统可以利用 PC 机 的光学扫描应用程序 通过 USB 接口来控制整个光学系统 也可以在无 PC 机的情况下 通过手控板来控制整个系统 手控板的微处理机通过 RS232 协议与 FX2 通讯 通过手控板 的人机界面实现对整个单色光源系统的控制 温度监测电路配合 FX2 对氙灯光源室的温度 进行监测 由 FX2 控制的数模转换电路及信号调理电路实现对光栅扫描定位器的控制功能 有机发光显示器 Organic Light Emitting Display OLED 组成的显示接口电路作为人机界 面的显示 光敏电阻监测氙灯的工作状态 继电器及其驱动电路组成的电源控制电路配合 FX2 实现单色激发光源的各部分电路按照预定程序加电 在系统异常的情况下可以关闭氙 灯和光栅扫描器的电源 模数转换电路及信号调理电路用于采集光电转换的数据 完成系 统的自动校准 图1 外围电路系统结构图 3 具体设计原理及方案 具体设计原理及方案 3 1 自动校准电路的设计自动校准电路的设计 对于每一套单色光源系统 即使采用相同的光学器件 在具体参数上也会不尽相同 所以对于每一套光学系统 在使用之初和使用一段时间之后 必须对系统进行校准 以达 到精确的测量 自动校准电路正是基于此目的 方便用户而设计的 3 1 1 自动校准的原理 单色光源采用衍射光栅中的闪耀光栅作为分光元件 设计时选用光栅的一级光谱 由 衍射定理可以推导出单色光源输出波长和相关角度之间的关系表达式为式 1 2 sin 2 cos 2d 1 式中 为输出波长 d为光栅刻槽之间的间距 为光栅背离角度 即入射光线与衍射光线之间的夹角 为入射光线与衍射光线之间的二等分线距离光栅法线的夹角 我们设计的单色光源系统保持入射光和反射光的方向不变 即保持二者的夹角 不变 而通过旋转光栅来得到变化的波长 实现波长的连续调节 并且特定的光栅其刻槽间距 也是固定的 因此 衍射输出波长与光栅定位器的输入电压 Vi 成线性关系 用式 2 表示 k Vi b 2 式中 k 和 b 是常数 实验中我们通过确定两个已知波长 如 400nm 和 588nm 对应的 输入电压 即可求出 k 和 b 从而确定在整个光谱范围内单色激发光源系统的输出波长和 光栅定位器的输入电压之间的函数关系 3 1 2 自动校准的硬件设计自动校准的硬件设计 利用 PC 机上的光学扫描应用程序 很方便实现系统的自动校准 当整个单色光源系 统在无 PC 机的环境下运行时 我们采用手控板来发送校准命令 用 FX2 内部集成的增强 型 8051 来控制整个校准过程 首先在光路的输出端连接上一个多波段 400nm 469nm 588nm 窄带滤光片和光电倍增管 光电倍增管的输出电压通过放大到 10V 10V 后连接 到模数转换电路模块 4 ADC的电路如图2所示 其中采用的AD7895是ANALOG DEVICE 公司生产的 12 位串行高速 ADC 转换时间 3 8 s 输入范围可选 其中 AD7895 10 输入范 围为 10V 10V 通过电路中的数模转换模块发送 10V 10V 的模拟电压 对整个波长段 进行扫描 数模转换模块如图 3 所示 其中采用的 AD5322 是 12 位精度 单电源供电 输 出缓冲为轨 轨的串行数模转换器 AD7895 和 AD5322 在 FX2 的控制下 实现同步的发 送与采集 我们通过确定两个已知波长 如 400nm 和 588nm 对应的输入电压 通过公式 2 即可求出 k 和 b 并将这两个参数存储在 EEPROM 中 REFIN 1 VIN 2 SCLK 4 GND 3 SDATA 5 BUSY 6 CONVST 7 VDD 8 U11 AD7895 5V SCLK 2 5VRef SDATA BUSY CONVST 5 6 7 U6B LF347 C55 R33 R30 R27 RP3 C56 R15 R1 V 1 2 VIN BNC DIN 9 SYNC 7 SCLK 8 VDD 2 VrefA 4 VrefB 3 VoutA 5 VoutB 6 LADC 1 GND 10 U10 AD5322 C31C32 R32 C310 R31 C35 3 2 47 6 V V V V U11 LF347 12V 12V 5VRef 3 33V DAC DIN DAC SYNC DAC CLK FX2端口 DAC OUT 图2 模数转换及信号调理电路 图3 数模转换及信号调理电路 3 2 手控板的设计手控板的设计 手控板的主要功能是实现在无 PC 机的情况下 实现对整个单色光源系统的控制 主 要包括选择单色光源的控制方式 手控板控制 PC 机控制 外部控制 发送自动校准命 令及发送波长数据等 3 2 1 硬件设计硬件设计 在手控板电路设计方案上 我们选择了手控板的微处理机通过RS232协议与FX2通讯 由 FX2 控制将手控板电路发送的数据 翻译 为相应的模拟电压来控制光栅扫描器 手控板 系统的框图如图 4 所示 图中 OLED 显示和键盘扫面电路用于提供与用户交互的界面 I2C 存储电路用于存储用户设置的波长和其它参数 RS232 和电源接口电路用于手控板的微处 理器与 FX2 通讯并为手控板供电 图 4 手控板系统框图 图 5 手控板菜单结构图 3 2 2 多级菜单的软件设计多级菜单的软件设计 人机界面的设计是手控板设计中比较复杂的工作 其涉及到多级菜单的编写 根据手 控板菜单结构图 如图 5 所示 首先建立一个结构 并定义一个结构变量 KbdTabStruct 该结构中共有 7 个结构元素 分别是 6 个字符型变量和 1 个指针变量 6 个字符型变量分 别为当前及各个按键的索引号 也就是操作的状态号 最后 1 个指针变量指向需执行函数 这样就可以做一个结构数组 在结构数组里为每一个菜单项编制一个单独的函数 并根据 菜单的嵌套顺序排好本菜单项的索引号 以及本级菜单项的上 下卷动的索引号和上 下 级菜单的索引号 5 具体程序如下所述 typedef struct BYTE KeyStateIndex 当前状态索引号 BYTE KeyF1State 按下 F1 键时转向的状态索引号 BYTE KeyF2State 按下 F2 键时转向的状态索引号 BYTE KeyF3State 按下 F3 键时转向的状态索引号 BYTE KeyF4State 按下 F4 键时转向的状态索引号 BYTE KeyCancelState 按下取消键时转向的状态索引号 void CurrentOperate 当前状态应该执行的功能操作 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 手控板中实际运用的菜单达 29 屏 分为 5 层 采用上面的方法 较好地解决了多层莱 单显示的问题 主程序一旦编制完毕则不需要因为菜单的修改而修改 除非要添加新的功 能 添加菜单或变量时只需按照顺序向菜单库或变量库中加入 删除或修改菜单也只需对 菜单库中相关菜单进行操作即可 4 结束语 结束语 按照本文的设计 实现了对单色光源光学系统的有效控制 本文作者创新点 整个单 色光源系统能够在脱离 PC 的环境下 通过手控板实现自动校准等功能 简单实现且易于 维护的多级菜单提供了友好的人机界面 提高了系统的智能化水平 本外围控制电路经过 一定的改进 配合单色光源光学系统 可以形成一套完整的单色激发光源系统 在性能上 将完全能够达到国外同类产品的水平 能够广泛运用于各种荧光显微检测系统中 参考文献参考文献 1 王桂英 王深 徐至展 等 生物单分子光学探测方法的进展 J 激光生物学报 2003 12 3 174 178 2 周云燕 兰李 杨志勇 等 荧光测钙装置中单色激发光源的设计和应用 J 光 电工程 2004 7 3 梁铨廷 物理光学 第二版 北京 机械工业出版社 1999 159 218 4 王红玲 胡细东 陈威等 光子计毅式 PMT 在荧光检测系统中的应用 J 微计算 机信息 2005 21 2 144 145 5 陆铮 罗嘉 单片机 C 语言下 LCD 多级菜单的一种实现方法 J 工矿自动化 2006 2 作者简介 董 俊 男 1981 汉族 湖北枝江人 生物医学工程专业硕士研究生 主要从事生物医学信号处理方面的研究工作 瞿安连 1946 男 汉族 江苏常州人 博士生导师 教授 主要从事生物医学信号处理及生物物理仪器的研究工作 Author Resume DONG Jun 1981 Male the Han nationality Birthplace Hubei Province Master Major Measure and Deal wi