基于FPGA的共聚焦顯微鏡振鏡掃描控制系統(tǒng)設(shè)計

賈仕達，黃 斐，薛 萌，郭漢明

（上海理工大學(xué)光電信息與計算機工程學(xué)院，上海 200093）

0 引言

激光共聚焦顯微鏡（Confocal Laser Scanning Micro?scope）是一種應(yīng)用廣泛的高精密光學(xué)儀器，集光、機、電、計算機為一體，在生物醫(yī)學(xué)、軍事科技，甚至是日常生活中都有非常廣泛的應(yīng)用［1-2］。共聚焦顯微鏡發(fā)展歷程最早可以追溯到20 世紀(jì)50 年代，但受當(dāng)時技術(shù)條件限制，沒有合適的光源，計算機處理能力不夠，導(dǎo)致研究止步不前［3-5］。但是近幾十年來國外公司在該方向發(fā)展迅速，包括萊卡（Leica）、蔡司（Zeiss）、尼康（Nikon）等公司都有了較成熟的產(chǎn)品［6-7］。相比之下，國內(nèi)對共聚焦顯微鏡的研究起步較晚，目前處在高速發(fā)展階段，有些較成熟的產(chǎn)品出于商業(yè)保密原因也鮮有發(fā)表相關(guān)文章供人參考［8-10］。

振鏡的掃描控制系統(tǒng)是控制振鏡運動的關(guān)鍵模塊，高校在實驗時使用的控制板卡大多為國外進口產(chǎn)品，價格昂貴［11-12］，極大提高了實驗成本，其控制界面也較復(fù)雜，對剛接觸的使用者有一定難度。由此，本文提出了功能完善的硬件電路設(shè)計和以FPGA（Field Programmable Gate Array）為控制核心的軟件程序設(shè)計，相比現(xiàn)有的控制板卡和控制軟件，F(xiàn)PGA 可無限重新編程，時序控制也更加高速、精準(zhǔn)，可以在結(jié)束一次掃描后修改程序即時調(diào)整掃描行數(shù)，使控制更加方便。通過實驗證明，這套系統(tǒng)可以穩(wěn)定運行，系統(tǒng)信號的建立時間低至4μs，具有操作便捷、響應(yīng)速度快、信號匹配精準(zhǔn)、成本低的特點。

1 振鏡控制原理

掃描振鏡是一種高精度、高速矢量掃描器件，它由平面反射鏡、驅(qū)動電機、控制板卡組成［13］。工作時通過計算機向控制板卡發(fā)出振鏡掃描所需的工作電壓信號，控制板卡經(jīng)過處理將信號發(fā)送給驅(qū)動電機，并驅(qū)動電機開始工作，使振鏡完成預(yù)定掃描。單一振鏡只能實現(xiàn)一個維度上的直線掃描，為實現(xiàn)二維平面掃描，就需要將兩個正交放置的振鏡組合在一起，讓它們相互配合運動［14-15］。二維振鏡掃描是指在X 軸和Y 軸方向上旋轉(zhuǎn)的兩個振鏡電機配合轉(zhuǎn)動以驅(qū)動反射鏡轉(zhuǎn)動，然后兩個反射鏡帶動激光束偏轉(zhuǎn)實現(xiàn)平面掃描［16-17］。實驗所用二維振鏡結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

Fig.1 Two dimensional galvanometer structure圖1 二維振鏡結(jié)構(gòu)

二維振鏡主要由兩片轉(zhuǎn)動軸互相垂直的反射鏡組成。在初始位置時，入射光線垂直于反射鏡的轉(zhuǎn)動軸，入射光線與反射鏡1（X 振鏡）的平面夾角為45°，相對偏轉(zhuǎn)角度為ωx，反射鏡1 反射給反射鏡2（Y 振鏡），此時反射光線與反射鏡2 的轉(zhuǎn)動軸垂直，與反射鏡面2 的夾角是45°，相對偏轉(zhuǎn)角度為ωy，此時光點位置認為是坐標(biāo)系的原點。兩個振鏡轉(zhuǎn)動軸之間的距離為e，振鏡2 與接收面之間的距離為d，假設(shè)X 振鏡不動，僅僅改變Y 振鏡的偏轉(zhuǎn)角度，則對應(yīng)的掃描點坐標(biāo)公式如式（1）所示。

上式表達中，認為光點向上移動角度為正方向取+號，向下移動角度為負方向取-號。假設(shè)Y 振鏡不動，僅僅改變X 振鏡的偏轉(zhuǎn)角度，對應(yīng)的掃描點坐標(biāo)公式如式（2）所示。

當(dāng)X 振鏡與Y 振鏡都有偏轉(zhuǎn)角度時，掃描點坐標(biāo)公式如式（3）所示。

從式（3）看，掃描點的位置與X 振鏡和Y 振鏡的偏轉(zhuǎn)角度有關(guān)，而偏轉(zhuǎn)角度則取決于驅(qū)動電壓大小。X 振鏡為快速振鏡（共振式振鏡），振動頻率為7.931KHz，啟動條件為恒定電壓信號，電壓可調(diào)范圍為0～5V。Y 振鏡為慢速振鏡（檢流計式振鏡），每增加或減少一個單位的電壓表示掃描變換了一行，要將X 振鏡的位置反饋時鐘用作Y 振鏡的工作時鐘。Y 振鏡驅(qū)動電壓是階梯型三角波電壓信號，電壓信號為-1V～1V 范圍內(nèi)峰值可調(diào)。

本系統(tǒng)采用往復(fù)式掃描，可以提高掃描速度。X 振鏡為橫向掃描，Y 振鏡為縱向掃描，X 振鏡每往復(fù)掃描一次為兩行，計一個周期，并給出反饋信號，實驗檢測頻率為7.931KHz 的方波信號。方波的每個上升沿和下降沿代表X 振鏡掃描換了一行，Y 振鏡需要在邊沿變換時改變驅(qū)動電壓，同時需要匹配X 振鏡反饋的方波信號，只有信號匹配正確才能驅(qū)動振鏡運動。二者關(guān)系如圖2 所示。

Fig.2 X，Y galvanometer signal relation圖2 X、Y 振鏡信號關(guān)系

2 振鏡控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

振鏡控制系統(tǒng)硬件主要由電源模塊、X 振鏡信號模塊、Y 振鏡信號模塊、信號調(diào)理模塊這4 個主要模塊和其它幾個輔助模塊組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

Fig.3 System structure圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 電源模塊

電源模塊是整個硬件電路的供電模塊，為電路中的其它模塊輸出所需電壓。因此需要一個性能穩(wěn)定的芯片和設(shè)計合理的電路。TPS5430 是TI 公司推出的一款性能優(yōu)越的DC/DC 開關(guān)電源轉(zhuǎn)換芯片，具有良好的電氣特性［18］。它有著峰值高達4A 的高電流輸出，5.5～36V 的寬電壓輸入范圍，最高95% 的轉(zhuǎn)換效率，最低1.22V 的寬電壓輸出范圍，500KHz 的轉(zhuǎn)換速率。此外，TPS5430 還有過流保護、熱關(guān)斷、內(nèi)部軟啟動等輔助功能［19］?；谠O(shè)計需要最終選擇TPS5430 作為電源模塊中的開關(guān)電源轉(zhuǎn)換芯片，電源模塊硬件電路原理如圖4 所示。

Fig.4 Schematic diagram of power supply module圖4 電源模塊原理

當(dāng)GND 接6 號腳一端時，經(jīng)1 號腳出來輸出5V 電壓，當(dāng)GND 接1 號腳一端時，經(jīng)6 號腳出來輸出-5V 電壓。該電源模塊紋波較小，可以穩(wěn)定輸出±5V 電壓。

2.2 X 振鏡信號模塊

X 振鏡信號模塊為X 振鏡輸出驅(qū)動電壓。其驅(qū)動信號為固定電壓，要求在0～5V 內(nèi)可調(diào)。本系統(tǒng)選用ADI 公司的16 位D/A 芯片AD5693R，它具有較高的相對精度，內(nèi)置了2.5V 基準(zhǔn)電壓，同時支持SPI 和I2C 協(xié)議，是可編程電壓源，價格便宜，滿足系統(tǒng)設(shè)計需求。其硬件電路原理如圖5 所示。

Fig.5 Principle of X-galvanometer signal module圖5 X 振鏡信號模塊原理

2.3 Y 振鏡信號模塊

Y 振鏡信號模塊為Y 振鏡輸出驅(qū)動信號。Y 振鏡響應(yīng)完成時間是250μs，即給定一個電壓，Y 從原位置移動到目標(biāo)位置時間是250μs，Y 振鏡要求驅(qū)動的響應(yīng)延遲在2%以內(nèi)，這樣才能有更好的掃描效果。最終確定選用響應(yīng)時間為1μs 的16 位高精度D/A 芯片AD5541，基準(zhǔn)電壓為2.5V，其中CS、DIN、SCLK 3 條信號線分別為邏輯輸入信號、串行數(shù)據(jù)輸入，時鐘輸入，決定數(shù)據(jù)傳輸。Y 振鏡信號模塊原理如圖6 所示。

2.4 信號調(diào)理模塊

由于AD5541 輸出信號是固定的0～2.5V 波形，而Y 振鏡需要-1～1V 范圍內(nèi)峰值可調(diào)的波形，這就需要信號調(diào)理模塊將AD5541 輸出的信號轉(zhuǎn)變?yōu)閅 振鏡所需信號。信號調(diào)理模塊共使用3 個ADA4897 芯片，該芯片是一種軌到軌輸出放大器，具有低功耗、低失真、低噪聲的優(yōu)點，其輸出電壓計算公式如式（4）所示。

式（1）中，VOUT為輸出信號，VIP為同相輸入信號，VIN為反相輸入信號，RF為輸出端與反相輸入端相連電阻，RG為反相輸入端電阻。

Fig.6 Principle of Y-galvanometer signal module圖6 Y 振鏡信號模塊原理

對于同相增益，VIN=0，其表達式如式（5）所示。

對于反相增益，VIP=0，其表達式如式（6）所示。

根據(jù)式（1）、式（2）、式（3）匹配合適的電阻，分別進行反向、放大、跟隨電路［20］，最終得到所需的三角波信號。信號調(diào)理模塊原理如圖7 所示。

Fig.7 Principle of signal conditioning module圖7 信號調(diào)理模塊原理

根據(jù)以上設(shè)計，完成整體硬件原理圖設(shè)計與PCB 設(shè)計，并打板焊接。振鏡控制硬件電路實物照片如圖8 所示。

Fig.8 Hardware circuit photos圖8 硬件電路實物照片

3 振鏡控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)使用的是黑金ALTERA 系列FPGA 開發(fā)平臺5系列的產(chǎn)品AX515，是CYCLONE IV 系列FPGA，芯片型號為EP4CE15F23C8。X 振鏡和Y 振鏡的控制程序在Quartμs II 軟件上完成，使用verilog HDL 語言編寫控制程序，并進行模擬仿真，最后將程序燒錄到FPGA 的主芯片內(nèi)對兩個振鏡分別進行控制。

3.1 X 振鏡控制軟件設(shè)計

X 振鏡控制信號為電壓范圍在0～5V 內(nèi)的固定電壓信號?？刂菩酒褂肁D5693R，使用IIC 協(xié)議進行通信。SCL 為串行時鐘線，SDA 為串行數(shù)據(jù)輸入/輸出，當(dāng)SDA 線上發(fā)生高低轉(zhuǎn)換而SCL 處于高電平時，主機建立起始條件并啟動數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)按9 個時鐘脈沖的順序通過串行總線發(fā)送，包括8 個數(shù)據(jù)位和一個應(yīng)答位，SDA 線上的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換必須發(fā)生在SCL 的低電平期間，并且在SCL 高電平期間保持穩(wěn)定。寫入所有數(shù)據(jù)位后，主器件在第10 個時鐘脈沖器件拉高SDA 線，建立停止條件。X 振鏡控制主程序流程如圖9 所示。

上位機通過串口發(fā)送指令，器件接收到指令后先后進行地址判斷和寫數(shù)據(jù)命令判斷，AD5693R 器件地址為1001_1000，寄存器地址為0011_0000，當(dāng)器件地址和寫數(shù)據(jù)命令都正確后，開始發(fā)送16 位數(shù)據(jù)，先發(fā)送高八位數(shù)據(jù)再發(fā)送低八位數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸正確后將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號并輸出給X 振鏡。傳輸嚴(yán)格遵守IIC 協(xié)議工作方式和時序要求。

3.2 Y 振鏡控制軟件設(shè)計

Y 振鏡所需的階梯狀三角波需要與X 振鏡反饋的方波進行匹配，根據(jù)圖2 可知，方波每個周期的上升沿和下降沿即為X 振鏡往復(fù)掃描一次（兩行），Y 振鏡的驅(qū)動電壓則需要在X 振鏡掃描的每一行去設(shè)定，掃描次數(shù)，也即設(shè)定掃描行數(shù)決定每個方波周期所給Y 振鏡驅(qū)動電壓的大小。

Y 振鏡驅(qū)動控制芯片采用16 位D/A 芯片AD5541，輸出電壓為0～2.5V，對應(yīng)數(shù)據(jù)量為0～65 535，假設(shè)X 振鏡掃描2N 行，即為往復(fù)掃描N 次，則掃描一次的數(shù)據(jù)量變化為65 536/N。掃描開始后，每掃描一次增加65 536/N，到達滿數(shù)據(jù)量65 536 后每掃描一次減少65 536/N，直至0，之后不斷重復(fù)，并與方波周期相匹配，形成控制Y 振鏡運動的三角波。Y 振鏡控制程序流程如圖10 所示。

Fig.9 X-galvanometer control program flow圖9 X 振鏡控制程序流程

Fig.10 Y-galvanometer control program flow圖10 Y 振鏡控制程序流程

AD5541 芯片的時鐘信號最大不能超過25M，而FPGA芯片時鐘信號為50M，因此在給芯片寫數(shù)據(jù)之前要為芯片時鐘分頻，時鐘信號匹配后，程序首先檢測X 振鏡運動后反饋回來的方波信號的上升沿與下降沿，每一次臨近的上升沿與下降沿為一個周期。AD5541 芯片在數(shù)據(jù)傳輸過程中要嚴(yán)格遵守時序邏輯，時序圖如圖11 所示。

Fig.11 Sequence diagram圖11 時序圖

時鐘信號SCLK 在上下沿檢測時以25M 頻率運行，CS在數(shù)據(jù)傳輸之前處于高位，并持續(xù)一到兩個時鐘周期，檢測到上下沿信號后，在下一個時鐘信號的下降沿拉低芯片片選信號CS，準(zhǔn)備向芯片傳輸數(shù)據(jù)，DIN 為數(shù)據(jù)寄存器，在CS 拉低15ns 后開始接受數(shù)據(jù)，每一位數(shù)據(jù)的傳輸持續(xù)30ns，且在時鐘信號SCLK 上升沿時完成，每次傳輸16 位數(shù)據(jù)，由高位向低位傳輸，最后一位數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后在下一個時鐘信號SCLK 的下降沿將CS 信號拉高，即說明本次數(shù)據(jù)傳輸完成。

4 實驗結(jié)果與分析

仿真正確后進行上機測試，將振鏡控制電路板上的X振鏡信號輸出端和Y 振鏡信號輸出端分別與轉(zhuǎn)接板上的X 振鏡信號輸入端和Y 振鏡信號輸入端相連接，并將FP?GA 與振鏡控制電路板連接。設(shè)定X 振鏡驅(qū)動電壓為1V，Y 振鏡為-1～1V，掃描64 行，每次數(shù)據(jù)量增加或減少2 048個。將示波器橫向設(shè)置為500μs 每格，縱向設(shè)置為2V 每格，測試掃描一幀的波形圖，測得信號如圖12 所示。

Fig.12 Signal圖12 信號

由振鏡運動原理可知Y 振鏡驅(qū)動電壓三角波每一次增加或減少電壓的過程為掃描一幀圖像的過程，根據(jù)圖13示波器測得波形可得Y 振鏡掃描一幀圖像經(jīng)歷了方波的32 個周期，也即64 行，方波頻率126μs，與設(shè)定掃描條件一致。將示波器橫向數(shù)值放大為100μs 每格，Y 振鏡信號縱向數(shù)值設(shè)為500mv 每格，測出方波信號與三角波信號匹配情況如圖13 所示。

Fig.13 Signal matching圖13 信號匹配

從圖14 顯示的波形圖看，Y 振鏡的電壓變化隨著X振鏡反饋方波的周期而改變，X 振鏡每掃描一行，Y 振鏡驅(qū)動電壓就變換一次，未發(fā)生匹配錯位情況，振鏡可以正常工作。將示波器橫向數(shù)值放大為1μs 每格，測試Y 振鏡信號響應(yīng)時間，觀察到本設(shè)計Y 振鏡驅(qū)動信號響應(yīng)時間是4μs，低于所要求的2%，說明本驅(qū)動系統(tǒng)可以使振鏡運動更加穩(wěn)定、精確。測試結(jié)果如圖14 所示。

Fig.14 Response time圖14 響應(yīng)時間

5 結(jié)語

本文設(shè)計了一套基于FPGA 的共聚焦顯微鏡的振鏡掃描控制系統(tǒng)，通過實驗證明，系統(tǒng)中X 振鏡反饋信號與Y振鏡驅(qū)動信號匹配正確未錯位，可以驅(qū)動振鏡穩(wěn)定、準(zhǔn)確工作。振鏡的驅(qū)動信號具有較快的響應(yīng)時間，可以最大限度地降低因為信號響應(yīng)時間較長造成的圖像質(zhì)量下降問題。同時，本方案可以應(yīng)用到同類型共聚焦顯微鏡上，降低實驗成本。但本方案也存在一些不足，由于串口傳輸速度較慢，當(dāng)進行多幀采集時傳輸時間會大幅增加，影響采集效率。后續(xù)研究中可使用USB2.0 代替串口通信，最大理論傳輸速度可達60MB/s，提高采集效率。