单色激发光源外围控制电路设计
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【关键字】荧光显微，手控板，自动校准，多级菜单
1．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
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
3．1 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]：
(1)
式中 
为输出波长；
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β不变，而通过旋转光栅来得到变化的波长λ，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
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3.8μs，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。
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
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
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
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
[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。
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