全自动涂片显微视觉扫描仪控制系统开发

张从鹏，宋来军，曹文政

（北方工业大学机械与材料工程学院，北京100144）

1 引言

显微镜检验作为一种微观观测手段，广泛应用于材料微观观察、生物检测、医疗检验等[1]。人工镜检观察存在的观测效率低下、劳动强度大、检测准确度低、存档困难等缺陷，严重制约了材料、医学、生物等行业微观形态检验的使用效果。面向涂片的高效智能检测应用，研究基于光学显微镜的全自动涂片检验技术和检验工艺，开发全自动涂片显微视觉扫描仪控制系统，用机械运动机构和视觉图像系统替代检验人员的“手眼脑”系统，减轻检测人员劳动强度，提高检验效率和检测准确度，对显微微观形态检验技术应用具有重要作用。

2 扫描仪机械平台和工艺流程

2.1 机械平台简介

全自动涂片显微视觉扫描仪机械平台是基于显微镜设计的精密运动系统，如图1 所示。其中包括涂片弹匣进退机构、涂片推入退出机构、载物台扫描运动机构、滴油机构、聚焦粗精调机构等，分别由8 个精密步进电机驱动[2]。

图1 全自动涂片显微扫描仪机械平台Fig.1 Automatic Smear Micro Scanner Mechanical Platform

扫描仪的电机分类及其功能，如图2 所示。

图2 机械平台电机分类及其功能Fig.2 Machine Platform Motor Classification and Its Function

2.2 全自动检验工艺流程

全自动涂片显微视觉扫描仪的工艺流程是在依靠机械结构、运动控制算法和视觉图像系统的条件下，实现涂片弹匣的装载和退出、涂片的自动进退、涂片二维码扫描、滴油、自动聚焦、扫描采集图像和上位机报警提示等过程，全自动检验工艺流程，如图3 所示。

图3 全自动检验工艺流程Fig.3 Automatic Inspection Process Flow

3 控制系统设计

3.1 控制系统总体设计方案

全自动涂片显微视觉扫描仪控制系统采用“计算机+工业相机+嵌入式控制器”控制架构，整个系统功能框架，如图4 所示。上位机负责人机交互、数据通信、图像采集和检测管理等工作。工业相机负责图像采集工作。下位机负责对光栅尺和限位开关信号的采集，二维码扫描，CAN 总线通信[3-4]，电机控制等。扫描仪的8 台步进电机分别由2 块嵌入式控制器控制。

3.2 下位嵌入式控制器设计

3.2.1 下位嵌入式控制器硬件设计

下位嵌入式控制器选用32 位内核的STM32F407 作为主控芯片[5]。根据应用需求和硬件资源，控制器规划4 台步进电机控制通道，2 路光栅尺接收通道、8 路限位开关通道、8 路DI、8 路DO及1 个CAN BUS 接口和RS-485 接口[6]，如图5 所示。

图5 嵌入式控制器硬件结构Fig.5 Hardware Structure of Embedded Controller

3.2.2 下位嵌入式控制器软件设计

下位嵌入式控制器软件基于Keil μVision4 环境开发，使用C 语言编写，控制器软件结构，如图6 所示。控制器软件设计选用μCOS-II 实时操作系统，嵌入到STM32F407 中[7]，包括操作系统移植、CAN 总线通信、4 轴PWM 生成、数据存储、限位开关信号采集、光栅尺信号采集[8]、二维码数据接收和设备监控等程序设计。

图6 嵌入式控制器软件结构Fig.6 Embedded Controller Software Structure

3.3 自动聚焦算法实现

图像采集采用“之”字形步进扫描方法。图像自动采集流程，如图7 所示。在自动聚焦方面，基于传统盲人爬山法[9]和采集对象的实际情况，提出了“搜索”和“扫描”两阶段的聚焦策略。初始运动方向与真实焦平面所处位置关系未知、距离较远时，采用搜索聚焦；聚焦起点在上一幅图像的焦平面位置，与焦平面距离较近时，采用扫描聚焦。一个完整涂片的扫描过程应从“搜索聚焦”开始，采集到第一张清晰图像后，转为“扫描聚焦”采集模式。在兼顾扫描效率的前提下，很好的解决了部分视野由于图像内容稀疏导致自动聚焦失败的问题[10]。

图7 自动聚焦流程图Fig.7 Automatic Focusing Flow Chart

3.4 上位机应用软件设计

上位机应用软件基于Microsoft VisualStuio2010 环境开发，使用C#语言编写[11]，上位机应用软件功能结构，如图8 所示。

图8 上位机应用软件功能结构Fig.8 The Function Structure of The Master Computer Application Software

4 应用实验

在图1 所示扫描仪平台上搭建的控制系统，如图9 所示。包括开关电源、嵌入式控制器和步进电机驱动器，上位机通过USBCAN 与下位控制系统通信，工业相机采用USB3.0 通信协议。将该系统应用于结核杆菌和外周血涂片的自动扫描检验，如图10 所示。临床应用效果表明：全自动涂片显微视觉扫描仪控制系统运行稳定，图像采集清晰高效，可以满足多种涂片镜检项目的使用需求。

图9 下位控制系统Fig.9 Lower Control System

图10 临床应用效果Fig.10 Clinical Application Effect

5 结论

基于“计算机+工业相机+嵌入式控制器”的全自动涂片显微视觉扫描仪控制系统架构设计合理，下位嵌入式控制器结构紧凑、实时性高，实现了自动扫描系统的精密运动控制；提出的涂片自动扫描检验工艺流程及图像采集与聚焦算法实现了图像的高效、高质量获取；开发的软硬件系统分别应用于结核杆菌和外周血的自动检验设备，实验结果达到了预期目标，对实现涂片检验的数字化和智能化具有重要意义。