显微镜平台自动控制系统设计
PI参数自整定扫描探针显微镜控制器的设计
Ａ Ｍ） 和 扫 描 隧 道 显 微 镜 （ ｃ ｎ ｉｇ ｕ ｎｌ ｇ Ｆ ｓａ ｎｎ ｔｎ ｅ ｎ ｉ ｍｉ ｏｃｐ ， Ｔ ） 为 代 表 的 扫 描 探 针 显 微 镜 ｃ ｓｏ ｅ Ｓ Ｍ 【 ｒ
（ｃｎ ｉｇｐｏ ｅｍｉ ｏｃ ｐ ， Ｐ ＿ 是 纳 米 技 术 发 ｓａ ｎｎ ｒｂ ｃ ｓｏ ｅ Ｓ Ｍ）２ ｒ Ｊ
根据 自己的 经验 和对 于 图像 好 坏 的判 断 来 设 定 的 ，
是 习惯 上 称之 为 ＰＤ控 制 。Ｐ 参 数 自整 定 Ｓ Ｍ 控 Ｉ Ｉ Ｐ 制 器 包 含 两 个 关 键 模 块 ： 个 是 Ｐ 参 数 自寻 优 模 一 Ｉ 块， 另一 个是 Ｐ 控 制模 块 。 两个 模块 在 闭环 上 的连 Ｉ
２ 工 作原 理
在 Ｐ Ｄ控 制 中 ， Ｉ 由于微 分项 敏 感 于 噪声 ， Ｉ Ｐ Ｄ反 馈控 制 系统 往 往 忽 略 微 分 项 ， 际上 是 Ｐ 控 制 ， 实 Ｉ 只
展的重要 基础 ， Ｐ 是 一 系 列利 用特 殊 探 针 和 样 品 ＳＭ
之 间不 同相 互 作 用 来成 像 的仪 器 ， 于探 针 本 身 测 由 量 相互 作 用 的范 围 有 限 ， 测量 表 面相 互 作 用 变 化 在 幅度 较大 的样 品 时 ， Ｐ 需要 一 套 高 度 反 馈 控 制技 ＳＭ 术 。传统 Ｓ Ｍ 中 的 扫 描 控 制 系 统 大 多 仍 采 用 ＰＤ Ｐ Ｉ 控制 技术 ， 但反 馈 控 制 系统 的 Ｐ Ｄ参 数 是 由操 作 者 Ｉ
定 Ｐ 参 数 扫 描 范 围 ；３ Ｉ （ ）对 每 组 Ｐ 参 数 作 性 能 扫 Ｉ
Ｉ
Ｉ算 计机
Ｉ
电模 源块
显微镜自动控制系统的设计
图３ ／ Ｄ Ａ转换
信 息 以 Ｗｉｄ ｗｓ 准 消息 的形式 发送 ， 体 内容 可 参 考 ＭＳ ｎｏ 标 具 ＤＮ．
第２ ８卷
因 ， 输 。 Ｒ等 ・ 一 ） 此得 出 Ｖ ｓ 击・， 到 一（ １ Ｖ
只要使 得 Ｒ 一 ２ 则 就 在 ± ３・ 之 间 Ｒ ， ｌ Ｒｒ ｋ
＾ １
随 Ｄｉ ｎ成线 性变 化 了．
Ｄ／ 的输 出 Ａ
并不 能用 来驱 动 电机 ， 扩大 输 需
中 图分 类 号 ： Ｐ １ Ｔ ２
文献标识码 ： Ａ
文 章 编 号 ：Ｏ ９ ６ ５ （０ ６ ０ — ０ ４ — ０ １Ｏ — ０ １２ ０ ）３ ０ ７ ４
显微 镜 已经 广泛 应用 到教 育 、 生物 、 医疗 等各领 域 ， 目前 显微 镜 的操 作 使用 不是 很方 便 ， 但 并且 有些
１ １ 硬 件 设 计 ．
电动机 的 驱 动 与 控 制 是 本 系统 的关 键 ， 以采 可 取多 种形 式 实 现． 们 采 用 了 步 进 电机 来 驱 动 载 物 我 台 Ｚ方 向运 动 以 到 达 调 焦 的 目的． 物 台水 平 方 向 载 的运动 由直 流 电 机 驱 动 ， 样 便 于调 节 载 物 台 的运 这 动 速度 ， 手感 更舒 适 ．
我 们采用 了 ８位 Ｄ Ａ 转换 器 Ｄ ０ ３ ， ／ ＡＣ ８ ２ 因为 载 物 台可 以往 复 运 动 （ 电机 可 以 正 反转 ） 所 以 Ｄ Ａ 即 ， ／ 必须 是双极 性输 出 ， 原理 图如 图 ３所示 ．
叵
一 臣 一 臣
图 ２ 直 流 电 机 控 制
设 ／转 器 参 电 为 则 ＝ Ｒ ＋ Ｄ 换 的 考 压 Ｖ， Ａ 一 ） （
显微镜系统设计实验报告
光学系统设计实验报告设计题目：测量显微镜光学系统专业班级：光信息08-1班学生姓名：学号：指导老师：一实验目的1.了解光学系统设计的基本步骤，学会基本外形尺寸的计算。
2.熟悉ZEMAX软件的操作，了解操作要领，学会应用基本的相差评价函数并进行优化。
二、实验器材ZEMAX软件、相关实验指导书三、设计要求1）设计说明书和镜头文件。
镜头文件包括物镜镜头文件、目镜镜头文件和光学系统镜头文件。
2）部分技术参数选择：①目镜放大率10②沿光轴,目镜最后一面到物面沿光轴的几何距离280毫米③对工件实边缘的对准精度为2.2微米④其它参数自定3）其他要求①视场大小自定，尽可能大些，一般达到商用仪器的一半。
②可以不加棱镜。
如加棱镜，折转角大小自定。
棱镜可以按照等效玻璃板处理。
③可以对物镜和目镜进行整体优化或独立优化。
④可以加上CCD。
四、具体设计1.系统结构设计思路1)系统结构框图物体经物镜所成的放大的实像与分划板重合，两者一同经目镜成一放大的虚像。
棱镜的型式为斯米特屋脊棱镜，它能使系统成正像，并且使光路转折45°角，以便于观察和瞄准（此处可以不加设计）。
为避免景深影响瞄准精度，物镜系统采用物方远心光路，即孔径光阑位于物镜像方焦面上。
（图1 显微镜系统结构图）2)等效光路原理图（图2 显微镜无光轴偏转的等效光路图）2.外形尺寸计算1)首先绘出光学系统的等效光路原理图。
如图所示，首先将棱镜作为等效空气平板处理。
2)求实际放大率。
系统的有效放大率由系统的瞄准精度决定。
用米字形虚线瞄准被测件轮廓，得系统有效放大率 由于工具显微镜一般要求有较大的工作距和物方线视场，又要求共轭距不能太长，因而工具显微镜的实际放大率和物镜的放大率均不宜过大。
取实际放大率为 3)求数值孔径 4)求物镜和目镜的放大率 目镜的放大率 物镜的放大率 5)求目镜的焦距⨯-=Γ30102.02.21.500055.061.061.0 nsinU ≈⨯⨯===δλk NA 3-=ΓΓ=e β⨯=Γ10e mm f ee 25250=Γ='⨯≥⨯=≥Γ222.21.55.725.72δk6)求视场光阑（分划板）的直径D ，考虑到像质及物方线视场的大小，取视场光阑的直径 7)求物方线视场的大小 8)求共轭距(存在等效空气平板)且有 9)求物镜的焦距 由高斯公式10)求物镜的通光口径D 物和孔径光阑直径D 孔 11)求斯米特屋脊棱镜的各尺寸(此次不设计) 3.光学部件的结构形式 1）显微镜物镜的光学性能参数主要性能参数是：数值孔径，垂轴放大率，视场。
实验室自动化系统
实验室自动化系统实验室自动化系统是一种集成为了先进技术和设备的系统，旨在提高实验室工作效率、减少人工操作、提高数据准确性和可靠性。
该系统通过自动化控制和监测实验室的各个环节，包括样品处理、仪器操作、数据采集和分析等，从而实现实验室工作的高效化和智能化。
一、系统架构和功能实验室自动化系统的架构主要包括硬件设备、软件平台和网络通信。
硬件设备包括实验室仪器设备、传感器、执行器等，软件平台包括实验控制软件、数据管理软件、分析软件等，网络通信用于实现各个设备之间的数据传输和远程控制。
该系统的主要功能包括：1. 样品处理自动化：通过自动化设备完成样品的标识、分装、配制等处理过程，减少人工操作和减少错误率。
2. 仪器操作自动化：实验室常用的仪器设备，如分析仪器、显微镜等，可以通过系统自动控制完成操作，减少人工干预，提高操作的准确性和稳定性。
3. 数据采集和管理：系统可以自动采集各个仪器的实验数据，并将数据存储于数据库中，实现数据的集中管理和快速检索。
4. 数据分析和报告生成：系统提供数据分析工具，可以对实验数据进行统计和分析，生成相应的报告和图表，便于实验结果的解读和分享。
5. 远程监控和控制：通过网络通信，实验室自动化系统可以实现远程监控和控制，实验人员可以在任何地点通过互联网对实验室进行实时监测和操作。
二、系统优势和应用实验室自动化系统具有以下优势和应用价值：1. 提高工作效率：自动化系统可以减少人工操作，提高实验室工作效率，节省人力资源。
2. 提高数据准确性和可靠性：自动化系统可以减少人为因素对实验结果的影响，提高数据的准确性和可靠性。
3. 降低实验成本：自动化系统可以减少实验过程中的人工错误和浪费，降低实验成本。
4. 提高实验室安全性：自动化系统可以减少实验人员接触有害物质和危（wei）险环境的机会，提高实验室的安全性。
5. 促进科研创新：自动化系统可以提高实验室工作效率，为科研人员提供更多时间和精力进行科研创新。
共聚焦显微镜激光高速扫描控制系统设计及实现
共聚焦显微镜激光高速扫描控制系统设计及实现胡茂海;杨晓春【摘要】Based on the traditional optical scanning and the effective combination of a high-frequency resonant scanner and a galvanometer scanner, a novel high-speed laser scanning method with sampling rate of 4M/s was proposed. The hardware platform of control system was built, the PC-client and microcontroller software were designed. The experimental results prove that the control system is rapid and stable, can realize real-time confocal scanning imaging.%在传统光学扫描方法基础上,有效地将检流式与共振式光学扫描振镜结合起来,提出一种速度可达4 M/s采样率的高速激光扫描方法,并基于单片机系统设计搭建了系统控制硬件平台,编写了上位机端和下位机端应用软件.实验结果表明:该控制系统扫描速度快,性能稳定可靠,能够应用于共聚焦显微镜,实现实时扫描成像.【期刊名称】《应用光学》【年(卷),期】2011(032)004【总页数】4页(P797-800)【关键词】激光扫描;共聚焦显微镜;单片机;控制系统【作者】胡茂海;杨晓春【作者单位】南京理工大学,电光学院,江苏,南京,210094;南京理工大学,电光学院,江苏,南京,210094【正文语种】中文【中图分类】TN202;TH742激光共焦扫描显微镜具有高横向、高纵向空间分辨率等显著特点[1-5],其在半导体工业、材料科学、生物学和医学等研究领域中有着广泛的应用。
显微镜自动对焦原理
显微镜自动对焦原理显微镜在科学研究和医学诊断中起着至关重要的作用，然而，常规显微镜对焦是一个复杂而费时的过程，尤其是在高倍镜下观察微小的样本时更为困难。
为了解决这一难题，显微镜自动对焦技术应运而生。
自动对焦技术能够自动调节显微镜的镜头，确保样本图像保持清晰和锐利。
本文将深入探讨及其在显微镜技术中的应用。
首先，我们需要了解显微镜自动对焦是如何实现的。
自动对焦技术一般包括两种原理：对比度法和相位法。
在对比度法中，系统会通过比较不同焦距下的样本图像的对比度来确定最佳的对焦位置。
而在相位法中，系统则会通过测量光波的相位变化来实现对焦。
这两种原理各有优劣，不同的应用场景下会选择不同的对焦方法。
在实际应用中，显微镜自动对焦系统通常由硬件和软件两部分组成。
硬件方面包括镜头、传感器和执行部件，软件方面包括控制算法和用户界面。
传感器是自动对焦系统的核心部件之一，它可以实时监测样本图像的清晰度，并将数据传输给控制算法进行处理。
控制算法则根据传感器反馈的数据来调节镜头位置，实现自动对焦功能。
用户界面则提供了操作人员与自动对焦系统进行交互的接口，方便用户对系统进行调整和监控。
除了硬件和软件方面的构成，显微镜自动对焦系统的性能也受到多种因素的影响。
首先是镜头的质量和稳定性，镜头的精密度和抗震性会直接影响系统对焦的准确性和稳定性。
其次是传感器的灵敏度和分辨率，传感器的性能决定了系统对样本图像的捕捉和分析能力。
最后是控制算法的复杂度和稳定性，良好的控制算法可以提高系统的对焦效率和精度。
在显微镜技术中，自动对焦技术的应用可以极大地提高工作效率和观察质量。
通过自动对焦系统，操作人员可以快速地获得清晰的样本图像，节省了大量调焦的时间。
在高倍镜下观察微小样本时，自动对焦系统可以确保图像保持清晰和稳定，避免了因为手动调焦而引起的显微图像模糊和失真。
因此，显微镜自动对焦技术在生物医学研究、材料科学和医学诊断等领域具有广阔的应用前景。
需要指出的是，尽管显微镜自动对焦技术在很大程度上简化了操作流程和提高了观察效率，但仍然存在一些局限性和挑战。
显微镜的快速自动对焦算法
显微镜的快速自动对焦算法显微镜是一种常用的实验设备，广泛应用于生物医学、材料科学等领域。
在显微镜使用过程中，对焦是一个非常重要的步骤，即使是有经验的操作者也需要花费很多时间来获取清晰的图像。
因此，开发一种快速自动对焦算法对于提高显微镜的效率和准确性至关重要。
快速自动对焦算法的目标是通过分析显微镜图像的特征来确定最佳对焦位置。
这个过程通常包括以下几个步骤：图像采集、特征提取、特征评估和对焦调整。
图像采集是快速自动对焦算法的基础。
现代显微镜通常配备了高性能的图像传感器，能够快速获取高质量的图像。
这些图像可以通过光学透镜系统将样本的细节放大到可见范围内。
接下来，特征提取是快速自动对焦算法中的核心步骤。
通过分析图像的灰度、对比度、清晰度等特征，可以获取与对焦相关的信息。
其中，灰度是图像中像素亮度的度量，对比度是图像中亮度差异的度量，清晰度是图像中细节的程度。
这些特征可以通过图像处理和计算机视觉算法来提取。
特征评估是快速自动对焦算法中的关键步骤。
通过对提取的特征进行评估，可以确定当前对焦位置的优劣。
一种常用的评估方法是计算图像的锐度或焦距相关的指标。
锐度是图像中细节的清晰度，是图像对焦质量的重要指标。
焦距相关的指标可以通过计算图像的梯度或峰值信号来获得。
对焦调整是快速自动对焦算法的最终步骤。
根据特征评估的结果，可以自动调整显微镜的对焦位置。
这可以通过控制显微镜的焦距、镜头位置或样本平台的移动来实现。
快速自动对焦算法的优势在于它可以快速、准确地确定最佳对焦位置。
与传统的手动对焦相比，自动对焦算法更加高效，可以大大节省操作者的时间和精力。
此外，自动对焦算法还可以减少操作者的主观因素对对焦结果的影响，提高对焦的一致性和可重复性。
然而，快速自动对焦算法也存在一些挑战和限制。
首先，对于不同类型的样品或不同的显微镜设置，可能需要针对特定的特征进行调整和优化。
其次，对于特定的应用场景，可能需要采用更复杂的算法来处理特殊情况。
显微镜的设计过程
显微镜的设计过程一个完整的显微镜系统设计是十分复杂的，涉及到光学设计、机械设计、电路设计等多方面知识；现代显微镜大多数与计算机技术和自动控制技术相结合，是光机电算相结合的高科技产品。
我在这里只想以我自己这几年的显微镜设计实践为基础，做一些简单的知识总结，希望各位高手多多指教。
首先，要根据显微镜的使用要求来进行显微镜选型设计。
显微镜已经有几百年的发展历史，它的形式也多种多样，根据不同的使用要求显微镜的各种参数有非常大的差异。
例如生物显微镜、金相显微镜、体式显微镜、测量显微镜、工具显微镜等等。
以最简单的普通生物显微镜为例，它也分很多种分类，按结构形式分有正置、倒置之分，按照明形式分亮视场照明和暗视场照明，按光源分荧光显微镜、激光显微镜，按共轭距分195mm和无穷远等等。
第二步，选好形式之后，初步选择它的外形尺寸和放大倍率、分辨率等主要参数。
这一步在一般大学里的工程光学或者应用光学课程中都可以学到。
按照国标，物镜放大率首选1.6x、2.5x、4x、6.3x、10x、16x、40x、63x、100x等倍率。
根据消色差程度的不同分为消色差物镜、平场消色差物镜、平场半复消色差物镜和平场复消色差物镜等4种。
当然消色差效果越好，结构越复杂，成本越高。
所以要根据使用情况尽量选择可以满足使用要求的成本又较低的。
显微目镜想对物镜的结构要简单很多，主要分为惠更斯目镜、平场目镜、广视场目镜、超广视场目镜等多种形式。
外形尺寸主要涉及物镜及目镜的轴向尺寸和横向尺寸，轴向尺寸包括焦距、共轭距、机械筒长、光学筒长、工作距离、目镜出瞳距、孔径光阑和视场光阑的位置等等，横向尺寸包括通光孔径、光阑直径、孔径角、数值孔径等等。
除了目镜和物镜以外还有其它的一些附属光学元件也要考虑到，比如场镜、分划板、滤光片、转向棱镜、偏振片等等。
这些初始结构的选择看似简单，但对后续详细设计来讲非常重要，如果初始结构计算不正确，那么将有可能使后续设计无法开展，或者设计到后来才发现前面初始结构计算不正确，导致前功尽弃。
一种光学显微自动聚焦系统设计与实现
ｐ ｓ ｄ ｓ ｈ ｍｅ ｍｅ ｔ ｔ ｅ ｒ ｑ ｉｅ ｎ ｆ ａ ｔ— ｏ ｕ ｉ ｇ ｂ ｔ ｎ ａ ｃ ｒｃ ｎ ｐ ｅ ． ｏ ｅ ｃ ｅ ｅｓ ｈ ｅ ｕ ｒ ｍｅ ｔ ｏ ｕ ｏ— ｃ ｓｎ ｏｈ ｏ ｃ ｕ ａ ｙ ａ ｄ ｓ ｅ ｄ ｆ
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Ｅｎ ｉｅ ｒｎ ｎ ｐｉａ ｉｎ ， ０ ７，３ ２ ： １ － ２ ． ｇｎ ｅ ｉｇ ａ ｄ Ａｐ ｌ ｔ ｓ２ ０ ４ （ ７） １ ９ １ ０ ｃ ｏ
Ａ ｂｓｒ ｃ ｔ ａ ｔ： Ａ ｎ ｖ ｌ ｐ ｉａ ａ ｏ ｏ ｕ ｍｉ ｒ ｓ ｏ ｃ ｎｔｏ ｌｄ ｏ ｅ ｏ ｔｃ ｌ ｕｔ—ｆ ｃ ｓ ｃ ｏ ｃ ｐｙ ｏ ｒ ｌｅ ｂｙ ＰＣ ｉ ｐ ｅ ｅ ｅ ｅ ｐｅ ｉｌｙ ｏｒ ｈｅ ｏ ｓ ｒ ｓ ｎｔｄ， ｓ ｃａ ｌ ｆ ｔ ｌ ｗ—ｃ ｎｔａ ｔ ｍａ ｅ ｆｏｍ ｃ ｎ— ｏ ｒ ｓ ｉ ｇ ｓ ｒ ｏ
维普资讯
Ｃ ｍ ｕｅ ｎｉ ｅｉ ｎ ｐ ｌａｉ ｓ ｏ ｐ ｔｒＥ ｇｎ ｒ ｇ ａ ｄＡ ｐｉ ｔ ｎ 计算机 工程 与应用 ｅ ｎ ｃ ｏ
一
种光学显微 自动聚焦 系统设 计与实现
易秋实 ， 张红 民， 吴 萍 ， 吕晓华 ， 清铭 ， 骆 曾绍群 Ｙ ｉ—ｈ ，ＨＡ Ｇ Ｈ ｎ — ｉ ， ｉｇ Ｌ ｉ — ｕ ， Ｕ ｉｇ ｒ ｎ ， Ｅ Ｇ Ｓ ａ— ｕ ＩＱ ｕ ｓｉＺ Ｎ ｏ ｇ ｒ ｎ ＷＵ Ｐｎ ，Ｖ Ｘ ａ ｈ ａ Ｌ Ｏ Ｑ ｎ — ｉｇ Ｚ Ｎ ｈ ｏ ｑ ｎ ａ ｏ ｕ
基于FACTORYI-O的自动控制系统实验平台设计
基于FACTORYI-O的自动控制系统实验平台设计基于FACTORYI/O的自动控制系统实验平台设计一、引言自动控制系统是现代工业制造过程中不可或缺的重要组成部分。
它通过对工业生产过程的监控和调节，实现了工艺参数的精确控制，提高了生产效率、质量和安全性。
在实验教学中，为了培养学生对自动控制系统的理解和应用能力，设计一个可靠、灵活、可视化的实验平台显得尤为重要。
本文将介绍一种基于FACTORYI/O的自动控制系统实验平台设计方案。
二、实验平台设计（一）硬件设计实验平台的硬件部分主要包括传感器模块、执行器模块、控制器模块和通信模块。
1. 传感器模块传感器模块用于监测实验过程中的各项参数，将其转换为电信号输入到控制器模块。
常用的传感器有温度传感器、压力传感器、流量传感器等。
在设计过程中，需要根据实验需求选择合适的传感器，并将其与控制器模块连接。
2. 执行器模块执行器模块用于根据控制器模块的指令调节工业生产过程中的执行器，例如电机、阀门等。
实验平台中的执行器模块与控制器模块之间应该建立可靠的通信连接，以实现指令的传递和执行。
3. 控制器模块控制器模块是实验平台的核心部分，负责接收传感器模块的信号、执行指令并控制执行器模块的运行。
在本设计方案中，我们选择采用基于FACTORYI/O软件设计的PLC控制器，其具有强大的控制能力和灵活性。
4. 通信模块通信模块用于实现控制器模块与电脑之间的数据传输。
在本设计方案中，我们选择采用以太网通信技术，实现高速、稳定的数据传输。
（二）软件设计实验平台的软件部分主要包括FACTORYI/O软件、PLC软件和数据处理软件。
1. FACTORYI/O软件FACTORYI/O是一款基于真实工业环境的虚拟工厂仿真软件，提供了丰富的工业设备和控制元件模型，可以模拟各种自动控制系统的工作场景。
在设计方案中，我们将使用FACTORYI/O软件来建立一个真实可信的工业环境，实现对自动控制系统的仿真和实验。
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显微镜平台自动控制系统设计
作者：康军
来源：《科技资讯》2014年第08期
摘要：在显微镜应用领域中，具有自动控制功能的显微镜平台发挥着越来越重要的作用。
本文介绍了一种高性能的显微镜平台控制系统，该系统基于ARM处理器LPC2146和运动控制芯片MCX314，使用高精度光栅作为位置检测元件，通过PID算法实现闭环控制。
其性能和可靠性达到了实际应用的要求，具有较高的实用价值。
关键词：显微镜 LPC2146 MCX314
中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）03（b）-0009-02
光学显微镜是一种显微目标成像、测量的仪器，广泛应用于生物学、材料检验、电子元件性能检测和分析等各个领域。
随着计算机技术和数字成像技术在显微镜领域的应用，人们对显微镜自动成像、自动化测量的要求越来越高。
本文介绍了一种高性能的显微镜平台自动控制系统，该系统通过RS232与计算机通讯，可在计算机控制下实现扫描拼接、三维重建扫描、自动聚焦等功能，大大降低了显微镜人工操作的劳动强度。
1 ARM处理器LPC2146
ARM处理器是目前广泛采用的32位处理器，基于ARM技术的微处理器应用约占据了32位RISC微处理器75%以上的市场份额。
显微镜平台控制系统要求响应速度快、控制精度高，传统的8位单片机已经难以满足要求。
本系统采用了32位ARM7处理器LPC2146作为控制系统的CPU，LPC2146具有32K SRAM和256K FLASH高速存储器，USB2.0接口，多个UART、SPI、SSP和I2C总线接口，多个32位定时器、PWM、45个高速GPIO口以及多达9个外部中断管脚，其硬件资源满足显微镜平台控制系统的要求。
2 电机运动控制
显微镜平台控制系统由步进电机驱动，共有3个电机轴，控制显微镜载物台水平方向（X、Y轴）和垂直方向（调焦Z轴），3轴可同时运行。
电机驱动脉冲频率最高为150 kHz，电机启停有加减速控制，防止高速启动丢步和急停时的震动，每轴可设置不同的加速度和速度。
光栅位置检测，以实现闭环控制，光栅精度±1 μm，分辨率0.1 μm。
LCD显示屏及按键，显示相关信息并允许用户通过按键手动操作显微镜平台。
控制系统可连接计算机工作，采用RS232通讯。
本系统采用运动控制芯片MCX314实现电机运动控制，电机运转时不需要CPU干预，能够保证电机运行更平稳，也使得CPU有更多时间处理其他任务。
MCX314可控制4轴电机，通过命令、数据和状态寄存器，可实现位置、速度、加速度等的运动控制和实时监控，输出脉冲频率达4MHz，每轴都有伺服反馈输入端、4个输入点和8个输出点，并有2个32位的光栅位置计数器和状态比较寄存器，可用于电机位置闭环控制。
3 电路设计
显微镜平台控制系统电路主要由以下几部分组成：CPU LPC2146、运动控制芯片
MCX314、步进电机驱动电路、电源、复位和EEPROM电路、LCD和按键，原理框图如图1所示。
显微镜平台控制系统可通过键盘或计算机（RS232）控制，可设定电机运动速度、方向、加速度等运动参数，可获取当前电机运行状态及其他相关信息。
RS232串口通讯由LPC2146实现，采用中断模式，串口有数据时引发中断，LPC2146在中断处理程序中读出数据并存入缓冲区，主程序判断缓冲区中接收到完整控制命令帧后，就对命令进行解析，并控制相应的电机执行动作。
LPC2146通过数据、地址总线设置MCX314命令和数据寄存器，MCX314按照设定的参数控制电机运转，处理加减速、限位开关触发检测、光栅计数等操作，无需CPU管理，使CPU有更多时间处理其他任务。
MCX314的中断信号接至LPC2146外部中断输入脚，
MCX314在电机运动状态变化或出现异常时会触发中断，CPU响应此中断就能够及时获取运行情况，并执行相应操作，使系统具有较高的响应速度。
步进电机驱动采用TB62209F驱动器，支持电流衰减设置、输出使能控制、输出力矩设置，最大驱动电流为1.8 A，支持16细分驱动。
显微镜平台采用0.9°步距角的步进电机，16细分后步距角约为0.056°。
X、Y轴丝杠导程为1 mm，则细分后最小运动步长约为0.15μm。
调焦Z轴丝杠导程为0.5 mm，细分后最小运动步长约为0.078μm。
一般显微镜配置的最高倍物镜为100X，其景深约为0.6μm，0.078μm最小步长满足了显微镜系统调焦的要求。
4 控制程序设计
显微镜平台控制系统程序基于μCOS-II系统，μCOS-II是具有任务优先级的抢占式多任务实时操作系统。
本系统分为5个任务：主任务、LCD及键盘处理任务和3个电机控制任务（对应显微镜的3个驱动轴）。
主任务具有最高任务优先级，能够快速响应用户控制命令，其主要功能是串口通讯管理及控制命令的解析。
3个电机控制任务分别管理3个电机，相互独立运行。
显微镜对平台定位精度有较高要求，尤其是调焦轴，由于高倍物镜景深很短（0.6 μm），定位精度直接影响图像清晰度，因此控制系统在电机控制任务中采用应用广泛的PID控制算法，利用光栅进行位置检测，实现闭环控制。
PID参数可通过RS232命令设置调整，并存储在
EEPROM中，系统上电时自动读出并应用。
LCD及键盘处理任务负责人机界面交互，显示相关状态信息，检测并执行用户的按键操作。
此外还有两个中断处理程序，负责管理串口中断和MCX314中断，及时接收串口命令并处理电机运动状态的变化。
控制系统软件架构如图2所示。
5 结语
根据显微镜应用的发展需求，设计了显微镜平台自动控制系统。
其硬件电路以ARM处理器LPC2146和运动控制芯片MCX314为核心，实现了电机控制、电机驱动、LCD显示和键盘管理、光栅计数等功能。
软件基于μCOS-II嵌入式实时多任务操作系统，并通过PID算法结合光栅反馈实现显微镜平台的闭环控制。
通过实际测试，该系统稳定可靠，能够较好满足显微镜平台的控制要求。
以此控制系统为硬件平台，配合不同的上位机软件，可实现各种不同的应用，具有很高的实用价值。
参考文献
[1] LPC214x User Manual[Z].NXP Semiconductors，2010.
[2] MCX314 User Manual[Z].NOVA electronics，2012.
[3] μC/OS-Ⅱ中文使用手册[Z].。