微型熒光顯微鏡圖像采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

【摘 要】在生物科學(xué)研究“行為的神經(jīng)環(huán)路基礎(chǔ)”問題時(shí)，科研人員提出了微型熒光顯微鏡的概念，本文介紹我們開發(fā)的一款微型熒光顯微鏡，并結(jié)合STM32F407微控制處理器與CMOS圖像傳感器設(shè)計(jì)了相應(yīng)的圖像采集系統(tǒng)。

【關(guān)鍵詞】微型熒光顯微鏡；圖像采集；CMOS圖像傳感器；STM32

一、引言

“行為的神經(jīng)環(huán)路基礎(chǔ)”是神經(jīng)科學(xué)和認(rèn)知科學(xué)研究中的一項(xiàng)重大問題[1]，而受傳統(tǒng)熒光顯微鏡的尺寸及質(zhì)量的限制，科研人員在研究這一問題時(shí)必須把動(dòng)物固定住觀測(cè)，這就嚴(yán)重影響了觀測(cè)的結(jié)果。因此，研發(fā)一種微型的、重量極輕的安裝在無束縛動(dòng)物的頭部觀測(cè)神經(jīng)活動(dòng)的熒光顯微鏡將極大推動(dòng)生物科學(xué)的研究。現(xiàn)代微集成技術(shù)和數(shù)字電路技術(shù)是一項(xiàng)重要的進(jìn)步，利用這項(xiàng)技術(shù)容易得到低廉的產(chǎn)品、優(yōu)良的效果和創(chuàng)新性的應(yīng)用，其影響力已經(jīng)出現(xiàn)在多個(gè)研究領(lǐng)域，包括通訊，計(jì)算和基因組學(xué)等。[2]此技術(shù)的發(fā)展使得研制微型熒光顯微鏡成為現(xiàn)實(shí)。本文簡(jiǎn)單介紹了研制的微型熒光顯微鏡的鏡體，著重研究了微型熒光顯微鏡圖像采集系統(tǒng)，提出了以stm32f407和cmos圖像傳感器為核心的解決方案。

二、微型熒光顯微鏡簡(jiǎn)介

其中： 1.圖像傳感器、2A～B. 固定半圓環(huán)、3. 調(diào)節(jié)螺母、4. 消色差透鏡、5. 濾光片、6. LED安裝體、7. 聚光透鏡體、8. LED模塊、9. 聚光透鏡、10. 激發(fā)濾光片、11. 物鏡、12. 物鏡體、13. 分色鏡、14. 鏡體、15. 內(nèi)支架、16. 消色差透鏡體、17. 螺桿、18.圖像傳感器安裝接口

微型熒光顯微鏡可以實(shí)現(xiàn)對(duì)自由活動(dòng)的動(dòng)物（譬如小鼠，頭部大小在1到3個(gè)厘米見方，身體重量在幾十克）進(jìn)行大腦神經(jīng)活動(dòng)成像研究。其只需安裝在動(dòng)物的頭部，并不需要進(jìn)行動(dòng)力傳輸，也不承擔(dān)外部負(fù)載，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)不需要考慮機(jī)械強(qiáng)度，即不需要進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，只需要做結(jié)構(gòu)的微型化、輕量化、合理化設(shè)計(jì)。如圖1所示，是我們實(shí)驗(yàn)室研制的微型熒光顯微鏡的機(jī)械結(jié)構(gòu)，其體積只有10.5mm×9.5mm×19.5mm，質(zhì)量?jī)H1.5g，完全可以達(dá)到使用需求。整個(gè)光學(xué)成像過程是：LED模塊發(fā)出的光線通過聚光透鏡，聚光透鏡將光進(jìn)行聚光；聚光后的光照射到激發(fā)濾光片上，能夠激發(fā)熒光的光透過激發(fā)濾光片，剩余的光被激發(fā)濾光片反射；能夠激發(fā)熒光的光照射到分色鏡上，其他對(duì)成像有影響的光直接透過分色鏡，剩余的光被反射到物鏡上；反射到物鏡上的光通過物鏡照射到被測(cè)細(xì)胞上；細(xì)胞表面的反射光再通過物鏡照射到分色鏡上，某些特定的光可以通過分色鏡照射到濾光片上，濾光片對(duì)光進(jìn)行濾光；濾光后的光照射到消色差透鏡上，消色差透鏡將兩種不同波長(zhǎng)的光聚焦到一點(diǎn)，形成光學(xué)圖像。光學(xué)圖像照射到圖像傳感器上轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像，然后上傳至顯示器顯示圖像。

三、圖像采集系統(tǒng)基本設(shè)計(jì)方案

本文設(shè)計(jì)的針對(duì)于微型熒光顯微鏡的圖像采集系統(tǒng)如圖2所示分為4個(gè)模塊：圖像采集模塊、LED模塊、主控制模塊和USB傳輸模塊。LED模塊主要實(shí)現(xiàn)LED燈的亮度控制及閃爍頻率的控制，負(fù)責(zé)為熒光顯微鏡提供光源。圖像采集模塊負(fù)責(zé)顯微圖像數(shù)據(jù)的采集。主控制模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)圖像數(shù)據(jù)的接收與上傳，并能夠通過USB模塊接受上位機(jī)的命令以控制圖像采集模塊和LED模塊的工作狀態(tài)。

四、圖像采集模塊及LED模塊

圖像采集模塊和LED模塊都是直接安裝在微型熒光顯微鏡的鏡體上，在這合為一體介紹。圖像采集模塊的設(shè)計(jì)主要是圖像傳感器與數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞降倪x擇。圖像傳感器主要分為兩大類：CCD和CMOS。雖然CCD的成像質(zhì)量更高，但CMOS芯片一般都集成有AD轉(zhuǎn)換電路、驅(qū)動(dòng)電路、時(shí)鐘控制電路及微控制和處理電路，具有高度的集成性，[3]適用與小型化設(shè)計(jì)。本文中選用APTINA公司生產(chǎn)的MT9V024 CMOS圖像傳感器。MT9V024在752×480分辨率下可以達(dá)到最高60fps，支持串行LVDS和并行數(shù)據(jù)輸出。LED模塊選用高亮度的LXML-PB01-0023，其最高工作電流可達(dá)700mA。

采用并行數(shù)據(jù)輸出時(shí)，圖像傳感器和主控制模塊必須在一塊PCB板上，無法遠(yuǎn)距離傳輸，因此本文采用LVDS串行數(shù)據(jù)傳輸，這樣MT9V024距離主控制模塊最遠(yuǎn)可達(dá)8米，滿足了動(dòng)物自由活動(dòng)的空間，并減輕了鏡體的質(zhì)量。如圖3所示是兩個(gè)模塊的示意圖。

MT9V024串行輸出的數(shù)據(jù)經(jīng)過芯片DS92LV1212A解串，串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為并行數(shù)據(jù)，然后上傳至主控制模塊。主控制模塊通過I2C總線對(duì)MT9V024進(jìn)行初始化及控制通信。數(shù)據(jù)采集后存儲(chǔ)在主控芯片STM32F407的內(nèi)存中。

DD311是單通道大功率LED驅(qū)動(dòng)器，最高驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)1A。通過主控模塊產(chǎn)生的PWM信號(hào)調(diào)節(jié)LED燈的亮度，同時(shí)通過MT9V024的LED_OUT引腳配合圖像采集輸出的高低電平信號(hào)控制LED燈的閃爍頻率。和圖像采集模塊一樣，LED燈的驅(qū)動(dòng)電路也設(shè)計(jì)在主控制PCB板上。

五、主控制模塊及USB模塊

目前數(shù)字圖像采集系統(tǒng)都是基于各種微控制處理器的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)，如FPGA、DSP+CPLD、ARM或者STM32。[4]本文選擇STM32F407為核心微控制處理器。STM32F407有豐富的接口及時(shí)鐘資源，可擴(kuò)展性強(qiáng)。如圖4所示是主控制模塊和USB模塊的示意圖。

STM32F407通過DCMI接口采集經(jīng)DS92LV1212A解串的圖像數(shù)據(jù)。DCMI接口是專用視頻圖像采集接口，支持8位、10位、12位并行數(shù)據(jù)輸入，數(shù)據(jù)直接通過DMA進(jìn)入內(nèi)存，然后再經(jīng)USB模塊上傳至PC。在采集圖像時(shí)，在內(nèi)存中至少要緩存兩幀圖像，以實(shí)現(xiàn)圖像采集的連續(xù)性。STM32F407的內(nèi)存只有196Kb ，用芯片IS61WV102416BLL擴(kuò)展1M內(nèi)存。STM32F407支持全速與高速USB接口，由于圖像數(shù)據(jù)在15Mb/s，本設(shè)計(jì)中采用ULPI高速USB接口。同時(shí)主控芯片還通過USB接收上位機(jī)命令，再通過I2C總線配置圖像傳感器。USB控制芯片采用USB3300。在上位機(jī)上，可以實(shí)現(xiàn)圖像的實(shí)時(shí)觀測(cè)及處理。

六、結(jié)束語

本文實(shí)現(xiàn)了以STM32F407為核心的針對(duì)于微型熒光顯微鏡的圖像采集系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)，電路集成度高、信噪比低、功耗低、成本低。圖像傳感器與LED燈獨(dú)立于主控制PCB板之外，其間通過導(dǎo)線連接，采用LVDS串行數(shù)據(jù)傳輸，在640×480分辨率下可以達(dá)到46fps，實(shí)現(xiàn)了高幀率采集，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了微型顯微鏡的微型化與輕量化要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]曹河圻，朱元貴，董而. 丹科學(xué)基金重視神經(jīng)環(huán)路領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究——國(guó)家自然科學(xué)基金“情感和記憶的神經(jīng)環(huán)路基礎(chǔ)”重大研究計(jì)劃項(xiàng)目啟動(dòng)[J].中國(guó)科學(xué)基金，2013，（1）：11-13.

[2]Kunal K Ghosh， Laurie D Burns， Eric D Cocker， Axel Nimmerjahn， Yaniv Ziv， miniaturized integration of a fluorescence microscope[J]. Nature Methods ，2011，（8）：871–878

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[4]祝長(zhǎng)峰 肖鐵軍 基于FPGA的視頻圖像采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2008，29（17）：4404-4407.