1 引言 传统的金相显微镜普遍采用人工进行分析 ,从人眼聚焦到选择不同的区域进行检测 ,几乎每一步都离不开人工干预。由于人眼调焦不仅误差大 ,而且工作强度大 ,操作人员易疲劳 ,人为误差不可避免。并且 ,人工方法效率低下 ,即使对同一个样品的不同区域或者不同的样品进行相同的检测 ,操作人员每次都不得不进行简单而又机械的重复工作。对于每天必须进行大量样品检测的工厂来说 ,传统方法渐渐成为整个检测工作的软肋。为此 ,金相显微镜自动分析平台的开发和应用受到了人们的重视。尽管国际市场上已经有商品化的金相显微镜自动分析平台出售 ,但价格昂贵 ,一般中小企业和科研单位只能望洋兴叹。笔者从我国的国情出发 ,利用现代信息处理技术和自动控制技术 ,对一台国产金相显微镜和一台进口显微镜的载物台进行改造 ,成功开发出了金相显微镜三维自动控制载物台 ,实现了样品的Ｘ、Ｙ方向自动移动和Ｚ方向自动聚焦。2 试验条件2 1 试验器材 5 86微机一台、步进电机微机控制接口卡 (自行研制 )、逻辑控制卡 (自行研制 )、ＳＨ 3Ｆ0 75步进电机驱动器 (3个 )、36ＢＦ0 0 3
步进电机 (3个 )、东芝ＷＶ ＢＰ330 /ＧＣＣＤ、ＭｉｃｒｏＶｉｅｗＶ3Ａ视频采集卡、国产金相显微镜 (江南光学仪器厂 )和进口显微镜 (ＯｌｙｍｐｕｓＢＸ 4)等。2 2 硬件改造部分 对于样品台的水平和垂直移动 ,我们采用了细分后的步进电机 ,直接驱动载物台齿条的方法。如图 1所示。图 1 改造后的三维平台Ｆｉｇ 1 Ｔｈｅｔｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｐｌａｔｆｏｒｍａｆｔｅｒｒｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ 在显微镜上安装 3个步进电机 ,每个步进电机带动样品台向一个方向移动。步进电机步距角 1 5 0度 ,经 40或 2 5 6细分后可达 0 0 35 7～ 0 0 19375度 /步。转换成载物台的平移后为 0 2 5～ 0 6 12 5ｕｍ/步。在载物台上安装两个光电检测器 ,用于检测Ｘ和Ｙ方向是否到达人为指定的极限位置 ,用以原点定位。步进电机控制驱动原理框图如图 2。图 2 步进电机控制驱动原理框图Ｆｉｇ 2 Ｔｈｅｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｏｆｓｔｅｐｐｅｒ ｍｏｔｏｒｓ ＰＣ机发出的控制命令经ＰＣ控制卡转换成步进脉冲和方向信号 ,此信号和载物台过来的原点定位信号一起经控制箱中的逻辑控制板处理后送到步进电机细分驱动器 ,驱动步进电机转动。ＰＣ控制卡采用了ＣＰＬＤ(
复杂可编程逻辑器件 )技术 ,只用了一片ＥＰＭ 712 8Ｓ器件就实现了分频、3个步进电机的速度控制、步数控制以及计算机输入输出接口的全部功能<1> ,使ＰＣ控制卡在减小了体积的同时又增加了可靠性。逻辑控制卡用于检测载物台是否到达极限位置 ,如果到达 ,则不允许步进脉冲通过 ,使载物台不会过冲 ,同时设置禁止脉冲状态位和指示灯 ,使计算机和操作人员能够了解载物台的状态。此外 ,逻辑控制卡还用于控制载物台的工作方式 ,通过控制箱面板或者计算机都可以使载物台工作于自动或者手动方式。当载物台工作在手动方式时 ,就可以按传统的操作方法一样进行操作。改造后的整个系统如图 3所示。2 3 软件部分 软件是硬件的灵魂。以ＶｉｓｕａｌＣ+ + 6 0为开发工具 ,采用面向对象的编程方法 ,编写了一套自动控制软件。广泛采用动态链接库以及ＣＯＭ、ＤＣＯＭ控制技术 ,提高相同 (相近 )功能代码的可重用性 ,减少编程工作量 ,便于二次开发。2 3 1 工作流程 计算机通过控制箱 (控制卡 )控制载物台的运动部件驱动显微镜载物台作前后、左右、上下三维移动。图 3 系统原理图Ｆｉｇ 3 Ｔｈｅｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｅｗｈｏｌｅｓｙｓｔｅｍ以实现自动快速分析中必须的移动视场和自动聚焦。所选定的图像在聚焦后 ,经金相显微镜放大通过摄像机转换成视频图像信号 (电信号 ) ,然后由采集卡采样量化转换成数字图像信号存入计算机中。计算机图像分析系统的软件再对数字图像进行处理分析 ,得到分析结果。一般的流程如图 4所示。图 4 自动平台工作流程图Ｆｉｇ 4 Ｔｈｅｗｏｒｋｆｌｏｗｃｈａｒｔｏｆｔｈｅａｕｔｏｍａｔｉｃｃｏｎｔｒｏｌｐｌａｔｆｏｒｍ2 3 2 自动聚焦 显微图像分析是一种微区分析 ,每一个视场只是样品上很小的一部分 ,为了获得整个样品上有代表的测量结果 ,必须对大量视场进行分析 ,快速、全自动分析的前提是样品台的自动移动和自动聚焦。常用的显微镜自动聚焦方法常采用图像灰度熵和灰度方差这两种聚焦算法 ,但实际应用效果不很理想 ,本文采用图像灰度差分绝对值之和算法<2 > ,实践证明这种方法聚焦可靠性好 ,聚焦速度快。2 3 3 软件可编程功能 本着易用性、专用性和灵活性相结合的原则 ,我们在系统分析软件中设计了软件可编程批处理功能。用户可以预先自由地编辑自己的分析测量分数 ,如分析步骤、测量区域等 ,然后通过批处理自动执行设定的处理序列。批处理程序一旦设制好 ,就可以保存起来 ,重复使用。在批处理程序运行过程中 ,不需要人工干预 ,从而加快了分析速度 ,明显减少了操作人员的工作量。3 结语 采用细分步进电机直接驱动显微镜载物台传动齿条的方法 ,成功实现了自动移动和自动聚焦。实践证明 ,该方法驱动精度能满足金相显微镜自动定量分析需要。独创的嵌入式软件可编程功能是本系统的一大特色。软件可编程技术简化了仪器操作 ,减轻了操作人员的工作强度 ,明显提高了工作效率。配合我们的专用分析软件 ,样品一放入样品台 ,系统便可在 4～ 8ｍｉｎ内自动分析出结果 ,对于工厂、企业产品质量检测具有更为实际的意义。与通过丝杆驱动的自动载物台相比 ,本方案的控制精度虽略低一点 ,但改造加工工作量小 ,成本低 ,不破坏原有显微镜结构 ,同时还保留了原来的手动调节方法 ,也完全不需改变仪器操作者进行传统分析的操作习惯 ,使用户更容易接受 ,与同类型的进口设备相比 ,本系统在性能上相差无几 ,但在价格上却具有极大的优势 ,因此 ,它是同类进口设备优良的替代品金相显微镜三维自动平台@曾立波$武汉大学测试中心!武汉430072
@吴琼水$武汉大学测试中心!武汉430072
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金相显微镜;;三维自动平台;;
自动控制;;软件可编程运用现代计算机信息处理技术和自动控制技术 ,成功地对一台国产显微镜和一台进口显微镜的载物台进行了自动化改造 ,实现了X、Y方向自动移动和Z方向自动聚焦。本方案改造加工工作量小 ,成本低 ,不破坏原有显微镜结构 ,同时还保留了传统的手动调节方法 ,使用户更容易接受。同时 ,系统控制软件还中嵌了软件可编程技术 ,从而简化了操作过程 ,明显减轻了劳动强度。本系统符合我国国情 ,是进口设备优良的替代品<1> 吴琼水,曾立波,雷俊锋,等.EPM 7128S在步进电机微机控制系统中的应用
.电子技术,2001,28(12):4748.
<2> 吴振锋,左洪福,丘根粮,等.显微镜一种新的自动聚焦算法.数据采集与处理,2000,15(3):351354.科技部九五“科学仪器设备改造升级技术开发”项目 (JG 99 9)操作人员的工作量。3 结语 采用细分步进电机直接驱动显微镜载物台传动齿条的方法 ,成功实现了自动移动和自动聚焦。实践证明 ,该方法驱动精度能满足金相显微镜自动定量分析需要。独创的嵌入式软件可编程功能是本系统的一大特色。软件可编程技术简化了仪器操作 ,减轻了操作人员的工作强度 ,明显提高了工作效率。配合我们的专用分析软件 ,样品一放入样品台 ,系统便可在 4～ 8ｍｉｎ内自动分析出结果 ,对于工厂、企业产品质量检测具有更为实际的意义。与通过丝杆驱动的自动载物台相比 ,本方案的控制精度虽略低一点 ,但改造加工工作量小 ,成本低 ,不破坏原有显微镜结构 ,同时还保留了原来的手动调节方法 ,也完全不需改变仪器操作者进行传统分析的操作习惯 ,使用户更容易接受 ,与同类型的进口设备相比 ,本系统在性能上相差无几 ,但在价格上却具有极大的优势 ,因此 ,它是同类进口设备优良的替代品金相显微镜三维自动平台@曾立波$武汉大学测试中心!武汉430072
@吴琼水$武汉大学测试中心!武汉430072
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@刘均堂$武汉大学测试中心!武汉430072金相显微镜;;三维自动平台;;自动控制;;软件可编程运用现代计算机信息处理技术和自动控制技术 ,成功地对一台国产显微镜和一台进口显微镜的载物台进行了自动化改造 ,实现了X、Y方向自动移动和Z方向自动聚焦。本方案改造加工工作量小 ,成本低 ,不破坏原有显微镜结构 ,同时还保留了传统的手动调节方法 ,使用户更容易接受。同时 ,系统控制软件还中嵌了软件可编程技术 ,从而简化了操作过程 ,明显减轻了劳动强度。本系统符合我国国情 ,是进口设备优良的替代品<1> 吴琼水,曾立波,雷俊锋,等.EPM 7128S在步进电机微机控制系统中的应用.电子技术,2001,28(12):4748.
<2> 吴振锋,左洪福,丘根粮,等.显微镜一种新的自动聚焦算法.数据采集与处理,2000,15(3):351354.科技部九五“科学仪器设备改造升级技术开发”项目 (JG 99 9)
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