自动显微镜伺服控制系统的研制

　　1　引　言

　　自动倒置显微镜是与尿沉渣分析仪主机配套的、可独立用来与医学科研和临床检验相结合的、集光机电算于一体的新型医用光电仪器。它可在临床检验中实现视频化、数字化、自动化、智能化,能高效、准确地进行检测。

　　该系统由光学系统(含有大视场长工作距离的平场物镜)、可实施自动调焦的三维数控伺服装置、由单片CPU控制的线性数字调光装置、精密机构和图像处理软件等组成。该系统的特点是:采用了国外高当显微镜使用的无限像距光学系统,分辨率高、成像清晰;具有大数值孔径超长工作距离平场物镜;具有大数值孔径长工作距离聚光镜;使用了计算机控制技术,能实现自动调焦、线性数字调光及自动图像处理。

　　自动控制伺服系统是实现显微镜自动化的关键技术。所研制的自动显微镜伺服系统借鉴了工业在线分布式监控的四轴单动或四轴三联动的计算机数控伺服系统。本文重点讨论了伺服系统的研发过程。

　　2　系统的组成及工作原理

　　研制的自动控制伺服系统是由PC机经RS_232通信接口向微控制器系统发送数据和命令,并通过微控制器驱动控制环节和执行环节。该系统具有如下功能:可对显微镜载物台在X轴和Y轴两个方向上的开环位移进行控制;可通过计算机图像的灰度值闭环控制物镜的上下移动,以实现自动调焦;物镜转换器可自动切换;通过载物台在X轴和Y轴两个方向上的二维移动,再加上在Z轴方向上的实时自动跟踪调焦,可实现对观察物(切片或培养皿)进行实时扫描,使整个观察过程能显示出清晰的图像;通过预先设定载物台的运动规则,使显微镜能按程序观察到规定的视场;通过快速接近(相当于粗调)或精细调节(相当于微调)两种方式可自动精确调焦和自动跟踪调焦(调焦精度≤0.5μm);单片机

　　控制电路和计数脉冲以及在X轴和Y轴两方向上的重复定位精度(±0.01mm)能满足医学临床检验的需要;可联网进行远程遥控显微镜,以利于医学学术交流或教学交流。伺服控制系统的原理框图如图1所示。

　　图1中的虚线框是显微镜的伺服控制系统,它通过分布式微控制器系统网络来驱动显微镜平台的精确运动,具有自动精确调焦和自动跟踪调焦的功能。

　　由CCD采集到的图像经图像采集卡送入计算机,PC机根据算法分析当前图像的清晰度。若图像不是最清晰的,则PC机通过RS_232通信端口发送调焦命令送给微控制器系统,微控制器系统把相应的控制信号传送给Z轴调焦电机,由Z轴调焦电机推动调焦机构做相应的运动,从而改变图像的清晰度。如此反复的由PC机与伺服系统共同作用,直至找到图像最清晰的位置为止,从而完成自动精确调焦的全过程。