專利名稱：一種快速同步掃描控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種快速同步掃描控制裝置，該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)CXD成像與激光快速波長切換及軸向快速掃描的同步。該裝置可應(yīng)用于顯微成像或光譜分析領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在顯微成像或光譜分析領(lǐng)域，需要快速切換激光波長去激發(fā)樣品，同時需要進行X、Y、Z軸的三維掃描。比如在激光共聚焦顯微系統(tǒng)或全內(nèi)反射顯微成像系統(tǒng)中，經(jīng)常會在細胞內(nèi)轉(zhuǎn)入多種熒光蛋白，這就需要用不同波長的激光去激發(fā)細胞內(nèi)的熒光蛋白使其發(fā)射熒光，同時還要對細胞進行Z軸掃描，以獲取細胞內(nèi)各個層面的信息。因此激光切換的速度越快，Z軸掃描的速度越快，就能夠獲得越高的采樣頻率及越高頻率的細胞信息，這對生命 科學(xué)的研究是很有價值的。在實際應(yīng)用中，實現(xiàn)激光波長切換和Z軸掃描同步采樣的方式主要分為兩種，一種是軟件同步控制，另一種是硬件同步控制。軟件同步控制方式是在應(yīng)用程序中通過對程序執(zhí)行流程進行安排，以達到波長切換和Z軸掃描與采樣的同步控制，這種方式的優(yōu)點是實現(xiàn)簡單和控制方便，僅通過修改程序代碼就能夠?qū)崿F(xiàn)不同的控制方式，但是它的缺點是激光切換的速度受到操作系統(tǒng)對事件和進程的響應(yīng)時間、應(yīng)用程序與操作系統(tǒng)的交互時間及應(yīng)用程序與底層硬件的通信時間等多方面不可控因素的影響，因此波長切換和Z軸掃描的速度不能達到很高，而且嚴格同步也很困難，如果用looms的時間曝光采樣，平均采樣速率一般約為200ms/幀。另一種硬件同步控制方式與軟件控制方式相比，能夠獲得更高速度，例如，目前市面上的掃描裝置用IOOms的時間曝光采樣，采用硬件同步控制，平均采樣速率一般約為150ms/幀。在實際使用中，不斷提高采樣頻率以獲得更高頻率的細胞信息具有非常重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種快速同步掃描控制裝置，以提高現(xiàn)有技術(shù)中激光采樣頻率。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的快速同步掃描控制裝置，包括單片機控制模塊I、通信模塊2、軸向掃描模塊3、通道選擇模塊4 ;其中，單片機控制模塊I通過通信模塊2與計算機6進行交互，接收掃描控制裝置運行參數(shù)并反饋裝置運行狀態(tài)給計算機6 ；單片機控制模塊I通過軸向掃描模塊3向信號采集設(shè)備9的軸向運動設(shè)備7發(fā)出指令，使其到達上述運行參數(shù)指定的位置；單片機控制模塊I通過通道選擇模塊4向信號采集設(shè)備9的激光波長選擇設(shè)備8發(fā)出指令，使其選擇激光參數(shù)；單片機控制模塊I接收信號采集設(shè)備9發(fā)出的同步信號。所述通信模塊接口是標(biāo)準(zhǔn)通信接口，如RS232或USB通信接口。
所述的軸向掃描模塊3包括具有模擬電壓輸出控制接口和數(shù)模轉(zhuǎn)換器12，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器12將單片機控制模塊I輸出的掃描位置數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號，通過所述模擬電壓輸出控制接口輸出，以控制軸向運動設(shè)備7定位。所述的通道選擇模塊4對指定的一路或多路通道輸出TTL電平信號或模擬電壓信號。所述的激光波長選擇設(shè)備8為聲光可調(diào)諧器(Acousto-Optic Tunable Filter,A0TF)或聲光調(diào)制器(Acousto-Optical Modulator, AOM)。所述的同步信號為TTL信號。所述的信號采集設(shè)備為任意能夠發(fā)出用于指示 同步的TTL信號的設(shè)備。本發(fā)明提供的快速同步掃描控制裝置可以在現(xiàn)有信號采樣設(shè)備的基礎(chǔ)上，采用單片機為核心，形成掃描控制系統(tǒng)，其采樣速率幾乎能達到接近極限的激光波長切換速度和軸向掃描速度。如果用IOOms的時間曝光采樣，平均采樣速率達到101. 74ms/幀。


圖I是本發(fā)明的掃描控制裝置結(jié)構(gòu)框圖。圖2是單片機控制模塊的結(jié)構(gòu)框圖。圖3是通信模塊的結(jié)構(gòu)框圖。圖4是軸向掃描模塊的結(jié)構(gòu)框圖。圖5是通道選擇模塊的結(jié)構(gòu)框圖。圖6是單片機主程序執(zhí)行流程圖。圖7是單片機串口中斷程序執(zhí)行流程圖。圖8是單片機外部中斷程序執(zhí)行流程圖。圖中主要組件符號I-單片機控制模塊，2-通信模塊，3-軸向掃描模塊，4-通道選擇模塊，5-同步信號，6-計算機，7-軸向運動設(shè)備，8-激光波長選擇設(shè)備，9-信號采集設(shè)備。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖實施例對本發(fā)明作進一步詳細描述。如圖I所示，是本發(fā)明的掃描控制裝置結(jié)構(gòu)框圖。其中，以單片機控制模塊I為核心，其通過通信模塊2與計算機6交互信息，根據(jù)計算機2發(fā)送來的運行參數(shù)和指令控制信號采集設(shè)備9的各個部件。單片機控制模塊I通過軸向掃描模塊3與信號采集設(shè)備9的軸向運動設(shè)備7相連，并控制該軸向運動設(shè)備7按照計算機發(fā)送的運行參數(shù)移動到指定的掃描位置；通過通道選擇模塊4與激光波長選擇設(shè)備8相連，控制該激光波長選擇設(shè)備8按照運行參數(shù)選擇掃描的激光波長或強度等參數(shù)。單片機控制模塊I同時還接收來自信號采集設(shè)備9的同步信號5。如圖2所示，為本實施例的單片機控制模塊I的結(jié)構(gòu)圖。該模塊以單片機10作為控制核心，單片機控制模塊I通過通信模塊2將單片機10和計算機6相連，主要用于計算機6與單片機10的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)單片機與計算機之間的雙向數(shù)據(jù)通信交互。單片機10與軸向掃描模塊3之間進行數(shù)模轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換控制信號的交互；與通道選擇模塊8進行通道選擇信號的交互；同時從信號采集設(shè)備9接收同步TTL (Transistor-TransistorLogic)信號。如圖3所 示，為通信模塊2的結(jié)構(gòu)圖。該模塊的核心是通信接口 11，該接口可以是RS232，也可以是USB或其他標(biāo)準(zhǔn)的通信接口，負責(zé)完成計算機端和單片機端之間的通信。
如圖4所示，為本發(fā)明軸向掃描模塊3的結(jié)構(gòu)圖。軸向掃描模塊3與單片機控制模塊I和軸向運動設(shè)備7相連，主要用于接收單片機控制模塊I的控制信號和數(shù)據(jù)，在控制信號的控制下，軸向掃描模塊3將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成軸向運動設(shè)備7的控制信號，傳送給軸向運動設(shè)備7，完成對其的控制，實現(xiàn)軸向位置的精確定位。該模塊以模數(shù)轉(zhuǎn)換器12為核心，單片機控制模塊I發(fā)送的數(shù)據(jù)通過鎖存寄存器14給模數(shù)轉(zhuǎn)換器12，單片機控制模塊I發(fā)送的控制信號經(jīng)掃描緩沖13后控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器12工作。單片機控制模塊I控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器12根據(jù)傳送過來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化并輸出相應(yīng)的模擬電壓信號，控制軸向運動設(shè)備7的移動位置。在這里，采用E-662 Physik Instrumente,Germany作為軸向運動設(shè)備7。該設(shè)備有兩種控制方式，一種是串口發(fā)送命令控制，另一種是通過輸出0 IOV的電壓進行控制。軟件控制一般采用串口方式，這種方式的速度比直接輸出電壓方式慢，因此在實施例中采用軸向掃描模塊3輸出0 IOV的電壓去控制軸向運動設(shè)備7。本發(fā)明的通道選擇模塊4的結(jié)構(gòu)圖，如圖5所示。通道選擇模塊4與單片機控制模塊I和激光波長選擇設(shè)備8相連，主要用于接收單片機的通道編碼，并將其轉(zhuǎn)換成對激光波長選擇設(shè)備8的控制。激光波長選擇設(shè)備8可用于同時選通或切換不同波長的激光。單片機控制模塊I發(fā)出的通道編碼信號經(jīng)解碼緩沖15后進入解碼器16。通道編碼信號經(jīng)解碼器I6解碼后產(chǎn)生通道選擇信號，通道選擇信號控制多路開關(guān)17選通相應(yīng)的通道，在運行參數(shù)指定的通道輸出光強控制信號。而輸出光強控制信號的強度由多路光強控制信號來控制。多路光強控制信號可以選擇一路或多路TTL光強控制信號或模擬光強控制信號，由TTL或模擬選擇信號控制多路開關(guān)18來選擇。在本實施例中所采用的激光波長選擇設(shè)備8為AOTF或A0M，這里以A0TF0PT0-ELECTR0NIC，F(xiàn)rance生產(chǎn)的AOTF為例進行說明。該設(shè)備有兩種控制方式，一種是通過串口發(fā)送命令控制，另一種是通過輸出TTL電平或模擬電壓進行控制，軟件控制一般采用串口方式，這種方式的速度比直接輸出電平或模擬電壓方式慢，因此本實施例中采用了通道選擇模塊4輸出TTL電平去控制激光波長選擇設(shè)備8或采用控制模擬電壓輸出去控制激光波長選擇設(shè)備8。本實施例中所采用的同步信號5為TTL信號，信號采集設(shè)備9可以為任意能夠發(fā)出用于指示同步的TTL信號的設(shè)備，將TTL信號輸入單片機控制模塊I中，用于協(xié)調(diào)控制軸向運動設(shè)備的運動和激光波長及運行參數(shù)的選擇。本發(fā)明實現(xiàn)掃描控制的過程如下本發(fā)明以單片機控制模塊I為核心，該模塊與通信模塊2、軸向掃描模塊3和通道選擇模塊4相連，完成對這些模塊輸入輸出的控制，同時接收來自采集設(shè)備9的同步信號，完成各個模塊和設(shè)備的同步控制。首先由計算機6將應(yīng)用程序中軸向位置或通道選擇的設(shè)置和讀取等操作指令，以通信命令的方式發(fā)送給單片機控制模塊1，該模塊內(nèi)的程序接收到指令后，對指令進行解析，將掃描參數(shù)存儲在單片機10內(nèi)，并通過軸向控制模塊3或通道選擇模塊4對相應(yīng)的設(shè)備進行設(shè)置。當(dāng)單片機控制模塊I將掃描起始位置、終止位置、掃描步長、通道號等參數(shù)設(shè)置好后，并且收到計算機6發(fā)送過來的啟動命令后，單片機控制模塊I即可控制軸向運動設(shè)備7和激光波長選擇設(shè)備8按照預(yù)先設(shè)定的掃描方式進行掃描。在啟動采集后，采集設(shè)備9發(fā)送過來的同步信號的下跳沿會觸發(fā)單片機控制模塊I的外部中斷程序，在該外部中斷處理程序中，單片機控制模塊I同步地進行軸向步進或波長選擇，控制激光波長切換和軸向掃描。由于該同步操作在外部中斷程序中進行，因此延時很短，幾乎可以達到極限的軸向掃描和波長切換速度。單片機控制模塊I內(nèi)的程序流程圖如圖6所示。當(dāng)掃描控制系統(tǒng)啟動后，單片機控制模塊I會等待計算機6發(fā)送過來的串口命令，當(dāng)計算機6將串口命令發(fā)送過來時，單片機控制模塊I會執(zhí)行串口中斷程序，將命令字符存儲在單片機的RAM (Random AccessMemory)中，直到遇到命令結(jié)束標(biāo)志字符，表示數(shù)據(jù)接收完成，進入解碼命令的步驟，否則回到接收串口命令的步驟，繼續(xù)接收串口命令。命令接收完成后，單片機就對命令進行解析，并判斷命令的類型，若該命令為參數(shù)命令，則將解析數(shù)據(jù)，并分別將其存儲到相應(yīng)的掃描起始位置、終止位置、步長、通道號等變量中；若該命令為啟動命令，則設(shè)置啟動標(biāo)志并啟動掃描控制裝置運行。 單片機是通過外部中斷信號產(chǎn)生外部中斷，在中斷程序中對軸向運動設(shè)備7和激光波長選擇設(shè)備8進行控制。因此采集數(shù)據(jù)時，采集設(shè)備9發(fā)出的TTL同步信號會觸發(fā)單片機的外部中斷，此時若設(shè)置了啟動標(biāo)志，單片機就會控制軸向運動設(shè)備7和激光波長選擇設(shè)備8同步工作。單片機一直處于循環(huán)待機狀態(tài)等待外部信號，若是計算機發(fā)送過來串口命令，則進入串口中斷程序，對命令進行解析；若是外部中斷信號，則進入外部中斷程序，對軸向運動設(shè)備7和激光波長選擇設(shè)備8進行同步控制，而是否開始采集數(shù)據(jù)則由計算機進行控制。當(dāng)系統(tǒng)開始采集數(shù)據(jù)時，信號采集設(shè)備9發(fā)出的TTL同步信號會觸發(fā)單片機控制模塊I的外部中斷程序。此時，單片機控制模塊I就按照預(yù)先設(shè)定的方式進行相應(yīng)波長切換和軸向掃描。在接收完參數(shù)命令時，單片機就解析出了掃描起始位置、終止位置、步長、通道號等數(shù)據(jù)，并將這些參數(shù)保存在RAM中。在數(shù)據(jù)采集開始時，單片機先從RAM中讀出掃描起始位置作為當(dāng)前位置，并將該值通過單片機的IO端口輸出給軸向控制模塊3，軸向控制模塊3中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出模擬電壓控制軸向運動設(shè)備7，軸向運動設(shè)備7將根據(jù)模擬電壓的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的位置進行定位。在以后的每一次外部中斷中，當(dāng)前位置值都會累加一次步長，同時將該值輸出給軸向控制模塊3來控制軸向運動設(shè)備7的位置。當(dāng)當(dāng)前位置累加到終止位置時，則又將當(dāng)前位置設(shè)置為起始位置，重復(fù)以上步驟。對激光波長選擇設(shè)備8的控制則是通過單片機的IO輸出給通道切換模塊4來完成，如單片機的IO與每個通道進行對應(yīng)，若單片機的IO輸出高電平，則相應(yīng)的通道打開，對應(yīng)于該通道的激光就能通過；相反，若單片機的IO輸出低電平，則相應(yīng)的通道關(guān)閉，對應(yīng)于該通道的激光關(guān)閉。在實際應(yīng)用中，一般常用兩種工作模式，一種稱為“位置優(yōu)先”，意思是軸向控制模塊3控制軸向運動設(shè)備7從起始位置到終止位置循環(huán)一次，通道切換模塊4控制激光波長選擇設(shè)備8切換一次激光波長；另一種稱為“通道優(yōu)先”，意思是通道切換模塊4控制激光波長選擇設(shè)備8將所有激光波長切換一輪(就是指每個通道都打開關(guān)閉一輪)，軸向控制模塊3控制軸向運動設(shè)備7增加一個步長，如此循環(huán)。上述過程中，單片機控制模塊I的程序開啟了兩個中斷程序，一個是串口中斷程序，一個是外部中斷程序。如圖7所示，為串口中斷程序的流程圖。在進入串口中斷程序后，首先判斷該命令是否為有效字符，就是將命令的第一個字符與預(yù)先定義的字符進行比較，若該字符與其中一個預(yù)定義的字符相同，則為有效字符，否則為無效字符。如果是有效字符，就表示后面發(fā)送過來的是有效的命令字符，單片機需要將后面的接收到的命令字符存儲在一個數(shù)組中，同時結(jié)束該串口中斷程序，返回主程序，等待接收下一個命令字符；如果不是有效字符，則不進行存儲，直接結(jié)束該串口中斷程序，返回主程序，使單片機處于循環(huán)待機狀態(tài)。外部中斷過程的流程圖如圖8所示，首先判斷是否啟動掃描，就是看是否設(shè)置了啟動命令，如果沒有就直接結(jié)束外部中斷程序，返回主程序，使單片機處于循環(huán)待機狀態(tài)；如果啟動掃描，則繼續(xù)判斷是否需要切換波長，如果需要切換波長，則輸出信號給通道切換模塊4控制激光波長選擇設(shè)備8進行激光波長切換；然后再繼續(xù)判斷是否進行軸向掃描，如果需要進行軸向掃描，則將當(dāng)前位置累加一個步長，并輸出信號給軸向掃描模塊3控制軸向運動設(shè)備進行定位。當(dāng)該過程完成后，外部中斷程序結(jié)束，返回主程序，使單片機處于循環(huán)待機狀態(tài)，等待下一次中斷。如此循環(huán)，直到采集過程結(jié)束，采集設(shè)備9不再發(fā)出同步信 號，單片機也就不會再執(zhí)行外部中斷程序去控制軸向運動設(shè)備7和激光波長選擇設(shè)備8，此時單片機又回到循環(huán)待機狀態(tài)，等待下一次采集的開始。本發(fā)明提供的快速同步掃描控制裝置可以在現(xiàn)有信號采樣設(shè)備的基礎(chǔ)上，采用單片機為核心，形成掃描控制系統(tǒng)，其采樣速率幾乎能達到接近極限的激光波長切換速度和軸向掃描速度。如果用IOOms的時間曝光采樣，平均采樣速率達到101. 74ms/幀。
權(quán)利要求
1.一種快速同步掃描控制裝置，其特征在于包括單片機控制模塊(I)、通信模塊(2)、軸向掃描模塊(3)、通道選擇模塊(4);其中， 單片機控制模塊(I)通過通信模塊(2)與計算機(6)進行交互，接收快速同步掃描控制裝置運行參數(shù)并反饋裝置運行狀態(tài)給計算機(6)； 單片機控制模塊(I)通過軸向掃描模塊(3)向信號采集設(shè)備(9)的軸向運動設(shè)備(7)發(fā)出指令，使其到達上述運行參數(shù)指定的位置； 單片機控制模塊(I)通過通道選擇模塊(4)向信號采集設(shè)備(9)的激光波長選擇設(shè)備(8)發(fā)出指令，使其選擇激光參數(shù)； 單片機控制模塊(I)接收信號采集設(shè)備(9)發(fā)出的同步信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的快速同步掃描裝置，其特征在于所述的通信模塊接口是標(biāo)準(zhǔn)通信接口。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的快速同步掃描裝置，其特征在于所述的軸向掃描模塊(3)包括具有模擬電壓輸出控制接口和數(shù)模轉(zhuǎn)換器(12)，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器(12)將單片機控制模塊(I)輸出的掃描位置數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號，通過所述模擬電壓輸出控制接口輸出，以控制軸向運動設(shè)備(7)定位。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的快速同步掃描裝置，其特征在于所述的通道選擇模塊(4)對指定的一路或多路通道輸出TTL電平信號或模擬電壓信號。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的快速同步掃描裝置，其特征在于所述的激光波長選擇設(shè)備(8)為聲光可調(diào)諧器或聲光調(diào)制器。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的快速同步掃描裝置，其特征在于所述的同步信號為TTL信號。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的快速同步掃描裝置，其特征在于所述的信號采集設(shè)備為任意能夠發(fā)出用于指示同步的TTL信號的設(shè)備。
全文摘要
一種快速同步掃描裝置，該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)CCD成像與激光快速波長切換和軸向快速掃描的同步，其可應(yīng)用于顯微成像或光譜分析領(lǐng)域。該裝置包括有單片機控制模塊、通信模塊、軸向掃描模塊和通道選擇模塊，單片機控制模塊為整個系統(tǒng)的控制核心，單片機控制模塊通過通信模塊與計算機進行交互，接收裝置運行參數(shù)并反饋裝置運行狀態(tài)給上位機。單片機同時能夠接收信號采集設(shè)備發(fā)出的同步信號，結(jié)合預(yù)設(shè)的運行參數(shù)，發(fā)出相應(yīng)的控制信號通過軸向掃描模塊控制軸向運動設(shè)備，使其到達指定的位置；通過通道選擇模塊控制激光波長選擇設(shè)備實現(xiàn)對激光波長的選擇和光強的控制。
文檔編號G05B19/042GK102768498SQ20111011599
公開日2012年11月7日 申請日期2011年5月5日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月5日
發(fā)明者張翔, 徐濤, 紀(jì)偉, 羅志勇 申請人:中國科學(xué)院生物物理研究所