显微镜平台自动控制系统设计

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].