顯微鏡平臺自動控制系統設計

康軍

摘 要：在顯微鏡應用領域中，具有自動控制功能的顯微鏡平臺發揮著越來越重要的作用。本文介紹了一種高性能的顯微鏡平臺控制系統，該系統基于ARM處理器LPC2146和運動控制芯片MCX314，使用高精度光柵作為位置檢測元件，通過PID算法實現閉環控制。其性能和可靠性達到了實際應用的要求，具有較高的實用價值。

關鍵詞：顯微鏡 LPC2146 MCX314

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）03（b）-0009-02

光學顯微鏡是一種顯微目標成像、測量的儀器，廣泛應用于生物學、材料檢驗、電子元件性能檢測和分析等各個領域。隨著計算機技術和數字成像技術在顯微鏡領域的應用，人們對顯微鏡自動成像、自動化測量的要求越來越高。本文介紹了一種高性能的顯微鏡平臺自動控制系統，該系統通過RS232與計算機通訊，可在計算機控制下實現掃描拼接、三維重建掃描、自動聚焦等功能，大大降低了顯微鏡人工操作的勞動強度。

1 ARM處理器LPC2146

ARM處理器是目前廣泛采用的32位處理器，基于ARM技術的微處理器應用約占據了32位RISC微處理器75%以上的市場份額。顯微鏡平臺控制系統要求響應速度快、控制精度高，傳統的8位單片機已經難以滿足要求。本系統采用了32位ARM7處理器LPC2146作為控制系統的CPU，LPC2146具有32K SRAM和256K FLASH高速存儲器，USB2.0接口，多個UART、SPI、SSP和I2C總線接口，多個32位定時器、PWM、45個高速GPIO口以及多達9個外部中斷管腳，其硬件資源滿足顯微鏡平臺控制系統的要求。

2 電機運動控制

顯微鏡平臺控制系統由步進電機驅動，共有3個電機軸，控制顯微鏡載物臺水平方向（X、Y軸）和垂直方向（調焦Z軸），3軸可同時運行。電機驅動脈沖頻率最高為150 kHz，電機啟停有加減速控制，防止高速啟動丟步和急停時的震動，每軸可設置不同的加速度和速度。光柵位置檢測，以實現閉環控制，光柵精度±1 μm，分辨率0.1 μm。LCD顯示屏及按鍵，顯示相關信息并允許用戶通過按鍵手動操作顯微鏡平臺。控制系統可連接計算機工作，采用RS232通訊。

本系統采用運動控制芯片MCX314實現電機運動控制，電機運轉時不需要CPU干預，能夠保證電機運行更平穩，也使得CPU有更多時間處理其他任務。MCX314可控制4軸電機，通過命令、數據和狀態寄存器，可實現位置、速度、加速度等的運動控制和實時監控，輸出脈沖頻率達4MHz，每軸都有伺服反饋輸入端、4個輸入點和8個輸出點，并有2個32位的光柵位置計數器和狀態比較寄存器，可用于電機位置閉環控制。

3 電路設計

顯微鏡平臺控制系統電路主要由以下幾部分組成：CPU LPC2146、運動控制芯片MCX314、步進電機驅動電路、電源、復位和EEPROM電路、LCD和按鍵，原理框圖如圖1所示。

顯微鏡平臺控制系統可通過鍵盤或計算機（RS232）控制，可設定電機運動速度、方向、加速度等運動參數，可獲取當前電機運行狀態及其他相關信息。RS232串口通訊由LPC2146實現，采用中斷模式，串口有數據時引發中斷，LPC2146在中斷處理程序中讀出數據并存入緩沖區，主程序判斷緩沖區中接收到完整控制命令幀后，就對命令進行解析，并控制相應的電機執行動作。

LPC2146通過數據、地址總線設置MCX314命令和數據寄存器，MCX314按照設定的參數控制電機運轉，處理加減速、限位開關觸發檢測、光柵計數等操作，無需CPU管理，使CPU有更多時間處理其他任務。MCX314的中斷信號接至LPC2146外部中斷輸入腳，MCX314在電機運動狀態變化或出現異常時會觸發中斷，CPU響應此中斷就能夠及時獲取運行情況，并執行相應操作，使系統具有較高的響應速度。

步進電機驅動采用TB62209F驅動器，支持電流衰減設置、輸出使能控制、輸出力矩設置，最大驅動電流為1.8 A，支持16細分驅動。顯微鏡平臺采用0.9°步距角的步進電機，16細分后步距角約為0.056°。X、Y軸絲杠導程為1 mm，則細分后最小運動步長約為0.15μm。調焦Z軸絲杠導程為0.5 mm，細分后最小運動步長約為0.078μm。一般顯微鏡配置的最高倍物鏡為100X，其景深約為0.6μm，0.078μm最小步長滿足了顯微鏡系統調焦的要求。

4 控制程序設計

顯微鏡平臺控制系統程序基于μCOS-II系統，μCOS-II是具有任務優先級的搶占式多任務實時操作系統。本系統分為5個任務：主任務、LCD及鍵盤處理任務和3個電機控制任務（對應顯微鏡的3個驅動軸）。主任務具有最高任務優先級，能夠快速響應用戶控制命令，其主要功能是串口通訊管理及控制命令的解析。3個電機控制任務分別管理3個電機，相互獨立運行。顯微鏡對平臺定位精度有較高要求，尤其是調焦軸，由于高倍物鏡景深很短（0.6 μm），定位精度直接影響圖像清晰度，因此控制系統在電機控制任務中采用應用廣泛的PID控制算法，利用光柵進行位置檢測，實現閉環控制。PID參數可通過RS232命令設置調整，并存儲在EEPROM中，系統上電時自動讀出并應用。LCD及鍵盤處理任務負責人機界面交互，顯示相關狀態信息，檢測并執行用戶的按鍵操作。此外還有兩個中斷處理程序，負責管理串口中斷和MCX314中斷，及時接收串口命令并處理電機運動狀態的變化。控制系統軟件架構如圖2所示。

5 結語

根據顯微鏡應用的發展需求，設計了顯微鏡平臺自動控制系統。其硬件電路以ARM處理器LPC2146和運動控制芯片MCX314為核心，實現了電機控制、電機驅動、LCD顯示和鍵盤管理、光柵計數等功能。軟件基于μCOS-II嵌入式實時多任務操作系統，并通過PID算法結合光柵反饋實現顯微鏡平臺的閉環控制。通過實際測試，該系統穩定可靠，能夠較好滿足顯微鏡平臺的控制要求。以此控制系統為硬件平臺，配合不同的上位機軟件，可實現各種不同的應用，具有很高的實用價值。

參考文獻

[1] LPC214x User Manual[Z].NXP Semiconductors，2010.

[2] MCX314 User Manual[Z].NOVA electronics，2012.

[3] μC/OS-Ⅱ中文使用手冊[Z].endprint

摘 要：在顯微鏡應用領域中，具有自動控制功能的顯微鏡平臺發揮著越來越重要的作用。本文介紹了一種高性能的顯微鏡平臺控制系統，該系統基于ARM處理器LPC2146和運動控制芯片MCX314，使用高精度光柵作為位置檢測元件，通過PID算法實現閉環控制。其性能和可靠性達到了實際應用的要求，具有較高的實用價值。

關鍵詞：顯微鏡 LPC2146 MCX314

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）03（b）-0009-02

光學顯微鏡是一種顯微目標成像、測量的儀器，廣泛應用于生物學、材料檢驗、電子元件性能檢測和分析等各個領域。隨著計算機技術和數字成像技術在顯微鏡領域的應用，人們對顯微鏡自動成像、自動化測量的要求越來越高。本文介紹了一種高性能的顯微鏡平臺自動控制系統，該系統通過RS232與計算機通訊，可在計算機控制下實現掃描拼接、三維重建掃描、自動聚焦等功能，大大降低了顯微鏡人工操作的勞動強度。

1 ARM處理器LPC2146

ARM處理器是目前廣泛采用的32位處理器，基于ARM技術的微處理器應用約占據了32位RISC微處理器75%以上的市場份額。顯微鏡平臺控制系統要求響應速度快、控制精度高，傳統的8位單片機已經難以滿足要求。本系統采用了32位ARM7處理器LPC2146作為控制系統的CPU，LPC2146具有32K SRAM和256K FLASH高速存儲器，USB2.0接口，多個UART、SPI、SSP和I2C總線接口，多個32位定時器、PWM、45個高速GPIO口以及多達9個外部中斷管腳，其硬件資源滿足顯微鏡平臺控制系統的要求。

2 電機運動控制

顯微鏡平臺控制系統由步進電機驅動，共有3個電機軸，控制顯微鏡載物臺水平方向（X、Y軸）和垂直方向（調焦Z軸），3軸可同時運行。電機驅動脈沖頻率最高為150 kHz，電機啟停有加減速控制，防止高速啟動丟步和急停時的震動，每軸可設置不同的加速度和速度。光柵位置檢測，以實現閉環控制，光柵精度±1 μm，分辨率0.1 μm。LCD顯示屏及按鍵，顯示相關信息并允許用戶通過按鍵手動操作顯微鏡平臺。控制系統可連接計算機工作，采用RS232通訊。

本系統采用運動控制芯片MCX314實現電機運動控制，電機運轉時不需要CPU干預，能夠保證電機運行更平穩，也使得CPU有更多時間處理其他任務。MCX314可控制4軸電機，通過命令、數據和狀態寄存器，可實現位置、速度、加速度等的運動控制和實時監控，輸出脈沖頻率達4MHz，每軸都有伺服反饋輸入端、4個輸入點和8個輸出點，并有2個32位的光柵位置計數器和狀態比較寄存器，可用于電機位置閉環控制。

3 電路設計

顯微鏡平臺控制系統電路主要由以下幾部分組成：CPU LPC2146、運動控制芯片MCX314、步進電機驅動電路、電源、復位和EEPROM電路、LCD和按鍵，原理框圖如圖1所示。

顯微鏡平臺控制系統可通過鍵盤或計算機（RS232）控制，可設定電機運動速度、方向、加速度等運動參數，可獲取當前電機運行狀態及其他相關信息。RS232串口通訊由LPC2146實現，采用中斷模式，串口有數據時引發中斷，LPC2146在中斷處理程序中讀出數據并存入緩沖區，主程序判斷緩沖區中接收到完整控制命令幀后，就對命令進行解析，并控制相應的電機執行動作。

LPC2146通過數據、地址總線設置MCX314命令和數據寄存器，MCX314按照設定的參數控制電機運轉，處理加減速、限位開關觸發檢測、光柵計數等操作，無需CPU管理，使CPU有更多時間處理其他任務。MCX314的中斷信號接至LPC2146外部中斷輸入腳，MCX314在電機運動狀態變化或出現異常時會觸發中斷，CPU響應此中斷就能夠及時獲取運行情況，并執行相應操作，使系統具有較高的響應速度。

步進電機驅動采用TB62209F驅動器，支持電流衰減設置、輸出使能控制、輸出力矩設置，最大驅動電流為1.8 A，支持16細分驅動。顯微鏡平臺采用0.9°步距角的步進電機，16細分后步距角約為0.056°。X、Y軸絲杠導程為1 mm，則細分后最小運動步長約為0.15μm。調焦Z軸絲杠導程為0.5 mm，細分后最小運動步長約為0.078μm。一般顯微鏡配置的最高倍物鏡為100X，其景深約為0.6μm，0.078μm最小步長滿足了顯微鏡系統調焦的要求。

4 控制程序設計

顯微鏡平臺控制系統程序基于μCOS-II系統，μCOS-II是具有任務優先級的搶占式多任務實時操作系統。本系統分為5個任務：主任務、LCD及鍵盤處理任務和3個電機控制任務（對應顯微鏡的3個驅動軸）。主任務具有最高任務優先級，能夠快速響應用戶控制命令，其主要功能是串口通訊管理及控制命令的解析。3個電機控制任務分別管理3個電機，相互獨立運行。顯微鏡對平臺定位精度有較高要求，尤其是調焦軸，由于高倍物鏡景深很短（0.6 μm），定位精度直接影響圖像清晰度，因此控制系統在電機控制任務中采用應用廣泛的PID控制算法，利用光柵進行位置檢測，實現閉環控制。PID參數可通過RS232命令設置調整，并存儲在EEPROM中，系統上電時自動讀出并應用。LCD及鍵盤處理任務負責人機界面交互，顯示相關狀態信息，檢測并執行用戶的按鍵操作。此外還有兩個中斷處理程序，負責管理串口中斷和MCX314中斷，及時接收串口命令并處理電機運動狀態的變化。控制系統軟件架構如圖2所示。

5 結語

根據顯微鏡應用的發展需求，設計了顯微鏡平臺自動控制系統。其硬件電路以ARM處理器LPC2146和運動控制芯片MCX314為核心，實現了電機控制、電機驅動、LCD顯示和鍵盤管理、光柵計數等功能。軟件基于μCOS-II嵌入式實時多任務操作系統，并通過PID算法結合光柵反饋實現顯微鏡平臺的閉環控制。通過實際測試，該系統穩定可靠，能夠較好滿足顯微鏡平臺的控制要求。以此控制系統為硬件平臺，配合不同的上位機軟件，可實現各種不同的應用，具有很高的實用價值。

參考文獻

[1] LPC214x User Manual[Z].NXP Semiconductors，2010.

[2] MCX314 User Manual[Z].NOVA electronics，2012.

[3] μC/OS-Ⅱ中文使用手冊[Z].endprint

摘 要：在顯微鏡應用領域中，具有自動控制功能的顯微鏡平臺發揮著越來越重要的作用。本文介紹了一種高性能的顯微鏡平臺控制系統，該系統基于ARM處理器LPC2146和運動控制芯片MCX314，使用高精度光柵作為位置檢測元件，通過PID算法實現閉環控制。其性能和可靠性達到了實際應用的要求，具有較高的實用價值。

關鍵詞：顯微鏡 LPC2146 MCX314

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）03（b）-0009-02

光學顯微鏡是一種顯微目標成像、測量的儀器，廣泛應用于生物學、材料檢驗、電子元件性能檢測和分析等各個領域。隨著計算機技術和數字成像技術在顯微鏡領域的應用，人們對顯微鏡自動成像、自動化測量的要求越來越高。本文介紹了一種高性能的顯微鏡平臺自動控制系統，該系統通過RS232與計算機通訊，可在計算機控制下實現掃描拼接、三維重建掃描、自動聚焦等功能，大大降低了顯微鏡人工操作的勞動強度。

1 ARM處理器LPC2146

ARM處理器是目前廣泛采用的32位處理器，基于ARM技術的微處理器應用約占據了32位RISC微處理器75%以上的市場份額。顯微鏡平臺控制系統要求響應速度快、控制精度高，傳統的8位單片機已經難以滿足要求。本系統采用了32位ARM7處理器LPC2146作為控制系統的CPU，LPC2146具有32K SRAM和256K FLASH高速存儲器，USB2.0接口，多個UART、SPI、SSP和I2C總線接口，多個32位定時器、PWM、45個高速GPIO口以及多達9個外部中斷管腳，其硬件資源滿足顯微鏡平臺控制系統的要求。

2 電機運動控制

顯微鏡平臺控制系統由步進電機驅動，共有3個電機軸，控制顯微鏡載物臺水平方向（X、Y軸）和垂直方向（調焦Z軸），3軸可同時運行。電機驅動脈沖頻率最高為150 kHz，電機啟停有加減速控制，防止高速啟動丟步和急停時的震動，每軸可設置不同的加速度和速度。光柵位置檢測，以實現閉環控制，光柵精度±1 μm，分辨率0.1 μm。LCD顯示屏及按鍵，顯示相關信息并允許用戶通過按鍵手動操作顯微鏡平臺?？刂葡到y可連接計算機工作，采用RS232通訊。

本系統采用運動控制芯片MCX314實現電機運動控制，電機運轉時不需要CPU干預，能夠保證電機運行更平穩，也使得CPU有更多時間處理其他任務。MCX314可控制4軸電機，通過命令、數據和狀態寄存器，可實現位置、速度、加速度等的運動控制和實時監控，輸出脈沖頻率達4MHz，每軸都有伺服反饋輸入端、4個輸入點和8個輸出點，并有2個32位的光柵位置計數器和狀態比較寄存器，可用于電機位置閉環控制。

3 電路設計

顯微鏡平臺控制系統電路主要由以下幾部分組成：CPU LPC2146、運動控制芯片MCX314、步進電機驅動電路、電源、復位和EEPROM電路、LCD和按鍵，原理框圖如圖1所示。

顯微鏡平臺控制系統可通過鍵盤或計算機（RS232）控制，可設定電機運動速度、方向、加速度等運動參數，可獲取當前電機運行狀態及其他相關信息。RS232串口通訊由LPC2146實現，采用中斷模式，串口有數據時引發中斷，LPC2146在中斷處理程序中讀出數據并存入緩沖區，主程序判斷緩沖區中接收到完整控制命令幀后，就對命令進行解析，并控制相應的電機執行動作。

LPC2146通過數據、地址總線設置MCX314命令和數據寄存器，MCX314按照設定的參數控制電機運轉，處理加減速、限位開關觸發檢測、光柵計數等操作，無需CPU管理，使CPU有更多時間處理其他任務。MCX314的中斷信號接至LPC2146外部中斷輸入腳，MCX314在電機運動狀態變化或出現異常時會觸發中斷，CPU響應此中斷就能夠及時獲取運行情況，并執行相應操作，使系統具有較高的響應速度。

步進電機驅動采用TB62209F驅動器，支持電流衰減設置、輸出使能控制、輸出力矩設置，最大驅動電流為1.8 A，支持16細分驅動。顯微鏡平臺采用0.9°步距角的步進電機，16細分后步距角約為0.056°。X、Y軸絲杠導程為1 mm，則細分后最小運動步長約為0.15μm。調焦Z軸絲杠導程為0.5 mm，細分后最小運動步長約為0.078μm。一般顯微鏡配置的最高倍物鏡為100X，其景深約為0.6μm，0.078μm最小步長滿足了顯微鏡系統調焦的要求。

4 控制程序設計

顯微鏡平臺控制系統程序基于μCOS-II系統，μCOS-II是具有任務優先級的搶占式多任務實時操作系統。本系統分為5個任務：主任務、LCD及鍵盤處理任務和3個電機控制任務（對應顯微鏡的3個驅動軸）。主任務具有最高任務優先級，能夠快速響應用戶控制命令，其主要功能是串口通訊管理及控制命令的解析。3個電機控制任務分別管理3個電機，相互獨立運行。顯微鏡對平臺定位精度有較高要求，尤其是調焦軸，由于高倍物鏡景深很短（0.6 μm），定位精度直接影響圖像清晰度，因此控制系統在電機控制任務中采用應用廣泛的PID控制算法，利用光柵進行位置檢測，實現閉環控制。PID參數可通過RS232命令設置調整，并存儲在EEPROM中，系統上電時自動讀出并應用。LCD及鍵盤處理任務負責人機界面交互，顯示相關狀態信息，檢測并執行用戶的按鍵操作。此外還有兩個中斷處理程序，負責管理串口中斷和MCX314中斷，及時接收串口命令并處理電機運動狀態的變化?？刂葡到y軟件架構如圖2所示。

5 結語

根據顯微鏡應用的發展需求，設計了顯微鏡平臺自動控制系統。其硬件電路以ARM處理器LPC2146和運動控制芯片MCX314為核心，實現了電機控制、電機驅動、LCD顯示和鍵盤管理、光柵計數等功能。軟件基于μCOS-II嵌入式實時多任務操作系統，并通過PID算法結合光柵反饋實現顯微鏡平臺的閉環控制。通過實際測試，該系統穩定可靠，能夠較好滿足顯微鏡平臺的控制要求。以此控制系統為硬件平臺，配合不同的上位機軟件，可實現各種不同的應用，具有很高的實用價值。

參考文獻

[1] LPC214x User Manual[Z].NXP Semiconductors，2010.

[2] MCX314 User Manual[Z].NOVA electronics，2012.

[3] μC/OS-Ⅱ中文使用手冊[Z].endprint