基于FPGA的可编程LED阵列控制系统的制作方法

本发明属于光学成像技术，特别是一种基于fpga的可编程led阵列控制系统。

背景技术：

古典的光学显微镜只是光学元件和精密机械元件的组合，它以人眼作为接收器来观察放大的像。后来在显微镜中加入了摄影装置，以感光胶片作为可以记录和存储的接收器。现代又普遍采用光电元件、电视摄像管和电荷耦合器等作为显微镜的接收器，配以微型电子计算机后构成完整的图像信息采集和处理系统。但这种传统成像模式虽然看似简单易行，却仍面临着许多瓶颈问题，对于解决新的应用需求所带来的问题已显得力不从心，其中一个就表现在：显微成像系统在信息获取能力、功能、性能指标等方面的提高过度依赖于光学系统与探测器技术水平的提高。目前，显微技术的进展体现在：光学元件上，提高了加工工艺；技术上，更迅速的向定量显微技术方向发展；仪器上，多功能组合式代替了单一功能；操作上，为了向更高的自动化操作发展而更大程度引入电子学技术；另外，图像分析技术也很快的在显微技术中广泛应用。近年来，有的学者致力于对照明光源的改进，采用可编程led阵列或者可编程lcd面板。然而，尽管在显微成像技术方面进步巨大，其成像本质并没有变革，仍有很多新问题层出不穷：显微成像系统过度依赖光学系统与探测器技术水平而提高信息获取能力、功能、性能指标等方面；单一成像系统难以同时实现大视场与高分辨率；暗场、相衬成像依赖于物理硬件，定量相位成像依赖于干涉测量。

因此，为了降低成像系统对光学系统与探测器技术水平的依赖性，可以仅利用部分相干照明(如led光源)，以非干涉方式实现相位成像，不需要复杂的干涉装置与笨重昂贵的激光光源，更灵活的实现显微镜系统的相差校正。如左超教授提出了一种利用led矩阵对多角和多波长照明进行无透镜相位显微成像和衍射层析成像(zuoc,sunj,zhangj,etal..lenslessphasemicroscopyanddiffractiontomographywithmulti-angleandmulti-wavelengthilluminationusingaledmatrix[j].opticsexpress,2015,23(11):14314-14328.)。该方法首次提及运用到led矩阵，没有对led矩阵如何控制进行研究。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于fpga的可编程led阵列控制系统，可实现对显微照明系统可编程led阵列的控制，既不需要复杂的干涉装置与笨重昂贵的激光光源，又能更灵活的实现显微镜系统的相差校正。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于fpga的可编程led阵列控制系统，包括电源系统、usbhub控制器、可编程led阵列、电控变焦透镜、ccd摄像机、控制模块以及计算机，其中电源系统、usbhub控制器、可编程led阵列的驱动模块、控制模块设置在电路板上；

所述电源系统负责提供控制系统所需电压，usbhub控制器在电路板集成usb接口，其中有三个usb接口分别用于ccd摄像机、电控变焦透镜以及计算机连接，usbhub控制器为控制系统标定两个端口号：com1与com2，计算机通过com1、com2端口与可编程led阵列、电控变焦透镜通信；ccd摄像机直接通过usb接口与计算机通信；

控制模块控制可编程led阵列、电控变焦透镜和ccd摄像机，该控制模块包括可编程逻辑器件fpga、存储芯片sdram与niosii处理器，在fpga内部通过嵌入式技术加入自定义niosii处理器，使用sdram作为内存，niosii处理器与计算机的通信，niosii处理器通过com1通信串口控制可编程led阵列显示所需的图案，通过com2通信串口控制电控变焦透镜驱动焦距，并且为ccd摄像机提供触发信号。

本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)可以仅利用led光源，以非干涉方式实现相位成像，不需要复杂的干涉装置与笨重昂贵的激光光源，更灵活的实现显微镜系统的相差校正。(2)本系统结构简单、操作方便，不需要借助任何专用的显微物镜就能实现明场、暗场以及差分相衬成像这些显微功能。(3)利用可编程led阵列产生的可控多角度照明，实现了高分辨率多角度光场成像，不损失空间分辨率。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明的总体框架示意图。

图2为本发明的电源系统连接示意图：(a)电源电路设计原理图(b)电压转换模块原理图。

图3为本发明的usbhub控制器连接示意图。

图4为本发明的可编程led阵列连接示意图。

图5为本发明的电控变焦透镜连接示意图。

图6为本发明的摄像机触发与串口通讯系统连接示意图。

图7为本发明的软件控制主界面的示意图。

图8为本发明的多模式成像效果示意图：左上方是明场成像，右上方是暗场成像，下方的是差分相衬成像。

图9为本发明的光场成像效果示意图。

具体实施方式

结合图1，计算机选择成像模式中，利用软件“controlview”、“vspd”以及“串口调试小助手”，选择明场、暗场、差分相衬以及光场成像模式之一进行成像。

本发明基于fpga的可编程led阵列控制系统，包括电源系统、usbhub控制器、可编程led阵列、电控变焦透镜、ccd摄像机、控制模块以及计算机，其中电源系统、usbhub控制器、可编程led阵列的驱动模块、控制模块设置在电路板上；

所述电源系统负责提供控制系统所需电压，usbhub控制器在电路板集成usb接口，其中有三个usb接口分别用于ccd摄像机、电控变焦透镜以及计算机连接，计算机与控制模块的通讯采用rs232串口协议，串口通信电路采用pl2303芯片实现，该芯片1、5管脚与fpga相连接，15、16管脚与usbhub控制器相连接，即实现了计算机与控制模块的通讯。usbhub控制器为控制系统标定两个端口号：com1与com2，计算机通过com1、com2端口与可编程led阵列、电控变焦透镜通信；ccd摄像机直接通过usb接口与计算机通信；

控制模块控制可编程led阵列、电控变焦透镜和ccd摄像机，该控制模块包括可编程逻辑器件fpga、存储芯片sdram与niosii处理器。在fpga内部通过嵌入式技术加入自定义niosii处理器，使用sdram作为内存，niosii处理器与计算机的通信，niosii处理器通过com1通信端口控制可编程led阵列显示所需的图案，通过com2通信端口控制电控变焦透镜驱动焦距，并且为ccd摄像机提供触发信号。

结合图2，本发明的电源系统在电路板接受命令开启控制系统的功能时，电流需求在2400ma左右。因此控制系统选用5v/3a电源适配器为其供电。由于各个电压需求之间压差较小，故其余所需电压选用ldo芯片ams1117系列提供。ams1117系列包含了各项所需电压，且可为3.3v，2.5v以及1.2v电压分别提供最大800ma电流，确保控制系统正常工作。由于可编程led阵列的驱动与ccd摄像机的触发信号均要求逻辑“1”电平为5v标准，而控制系统中所采用fpga的i/o管脚最大可以提供3.3v电平。所以可编程led阵列的驱动时序逻辑信号需要将fpga提供的时序信号转化为满足电压要求的驱动信号。电源系统通过电平转换芯片将3.3v逻辑信号转换至5v逻辑信号，该电平转换芯片4、10、15、21、25、28、34、39、45、48管脚接地，1、24、31、42管脚接输入电压3.3v，7、18管脚接输出的驱动可编程led阵列的电压5v，该电平转换芯片的6、8、9、11、12、13、14、16、17、19、20、22、23管脚接可编程led阵列的驱动端口，可编程led阵列触发端口，2、3管脚接5v的i/o，电平转换芯片上的1a1-1a8与2a1-2a8与fpga相连接。

结合图3，本发明的usbhub控制器选用的usb集线器芯片是gl850g。该gl850g芯片的27与28管脚、2与3管脚、8与9管脚分别与三个usb接口相连接，三个usb接口分别用于与ccd摄像机、电控变焦透镜以及计算机连接，25、26管脚与第四个usb接口连接，第四个usb接口备用。fpga与变焦透镜均作为串口设备工作，由于使用usb接口作为总线，串口设备均需要使用usb转串口芯片提供数据格式转换，并为系统标定两个端口号：com1与com2。ccd摄像机可直接通过usb接口与计算机通信。通过usb集线器方案，实现了串口的单接口集成，这种设计简化了与计算机接口连接线路，确保了只用一根usb线缆即可控制整个控制电路各个功能的正常工作。电路自带工作模式指示灯，方便使用者了解系统工作状态。

结合图4，本发明驱动的可编程led阵列的核心是fpga，fpga采用ep4ce10e22，该芯片的17、26、40、47、56、62、81、93、117、122、130、139管脚接3.3v输入电压，35、107管脚接2.5v输入电压，5、29、37、45、61、78、102、109、116、134管脚接1.2v输入电压，21、94、97管脚接地，25管脚接时钟信号，该芯片6、8、12、13管脚接串行配置器件，9、14、92、96管脚串联电阻接到2.5v，143管脚接收数据，144管脚发送数据，28、30-34、38、39、42-44、46、49-55、58-60、64-77、80、83、84管脚与存储芯片sdram相连接，85-87、98-101、103-106、110、112-115管脚与电平转换芯片相连接来控制可编程led阵列，143、144管脚与ccd摄像机相连接，15、16、18、20管脚与计算机调试接口相连接。fpga内部通过嵌入式技术加入自定义niosii处理器，使用sdram作为内存。niosii处理器可以实现与计算机接口的通信。通过com1通信端口控制可编程led阵列显示所需的图案，通过com2通信端口控制电控变焦透镜驱动焦距，并通过电平转换芯片为摄像机提供触发信号。本系统定义了两种基于串口发送的数据协议(如以下两张表所示)，分别用于控制可编程led阵列与电控变焦透镜。在led阵列驱动数据协议中，计算机通过com1通信端口发送控制指令至fpga控制其工作状态，使其输出不同的图像信号至可编程led阵列显示。组合连续发送的四段8位串口数据，用十六进制表示分别为0xb1b2，0xb3b4，0xb5b6，0xb7b8。其中bn代表一个字节。

led阵列驱动数据协议

四种工作模式由第一字段0xb1b2决定，如上四种工作模式下，后续的字段代表的含义分别是：0x0n表示第n种工作模式；0xxx此位不起作用，可取任意值；0xr表示led阵列点亮圆半径；0xxp表示led阵列点亮圆域原点横坐标；0xyp表示led阵列点亮圆域原点纵坐标。

计算机应用“controlview”、“vspd”以及“串口调试小助手”软件实现对可编程led阵列照明方式的控制，首先用“vspd”来完成虚拟串口1和2的添加，“controlview”与1相连，将“串口调试小助手”与2相连。在“串口调试小助手”中连续发送包含上述字段的数据协议，“controlview”从led阵列驱动数据协议里找到相对应匹配照明方式并发送到fpga，由fpga驱动控制模块控制可编程led阵列的照明方式。可编程led阵列所有预设的照明图案均已在控制系统上电的时候自动生成，并保存于sdram中，根据命令调用图案来完成显示。可编程led阵列的工作模式为双行1/16扫描，图案数据存为一个32×32的数组，按照第1行至第16行，第17至32行的顺序进行扫描。每次同时点亮两行，共点亮16次完成一副图案的显示。

结合图5，本发明的电控变焦透镜的驱动为一个可控电流源，通过数模芯片adn8810转换得到精准的电流，从而得到变焦透镜具体的透镜焦距。工作模式下，fpga内部产生数字信号，再通过d/a则可以产生电流，从而得到所需的焦距。adn8810通过串行接口与计算机相连，计算机通过com2通信端口发送控制指令至电控变焦透镜的数模芯片控制其工作状态，使其输出电流信号至变焦透镜。在电控变焦透镜驱动数据协议中，计算机连续发送的四段8位串口数据，用十六进制表示分别为0xr1r2，0xr3r4，0xr5r6，0xr7r8，0xr9r10，0xr11r12，rn代表一个字节。

电控变焦透镜驱动数据协议

其中0xr1r2，0xr3r4表示初始化固定格式；0xd1d2，0xd3d4为数模转换的32bit数字信号；0xc1c2，0xc3c4为32bitcrc校验码。

ccd摄像机的工作模式有对应的采样模式。计算机发送的可编程led阵列驱动数据协议通过控制模块控制可编程led阵列的照明模式；计算机发送的电控变焦透镜驱动数据协议通过控制模块控制电控变焦透镜：首先电控变焦透镜焦距减到最小值，ccd摄像机拍摄第一帧图像，计算离焦测度函数l1，离焦测度函数采用灰度梯度算子的空域评价函数，对x、y方向求二阶偏导，即然后电控变焦透镜焦距增大，ccd摄像机拍摄第i帧图像，计算立交测度函数li，当li≤li-1时，完成聚焦。随后ccd摄像机记录当前拍摄的第i帧图像，i的取值根据是否聚焦决定。

结合图6，为了通过计算机软件“controlview”发送命令来驱动控制模块控制可编程led照明阵列、电控变焦透镜以及ccd摄像机，计算机通过“controlview”发送驱动数据协议至控制模块，由控制模块接收驱动数据协议后，针对可编程led阵列、电控变焦透镜做出反馈并触发ccd摄像机进行图像采集。ccd摄像机触发的信号为5v上升沿，需要将fpga的i/o接口3.3vttl信号进行电平转换。通过实时的信号触发，保证ccd摄像机准确采到所需要的图像。计算机与控制模块的通讯采用rs232串口协议，串口通信电路采用pl2303芯片实现。该芯片1、5管脚与fpga相连接，15、16管脚与usbhub控制器相连接。一方面从计算机接收数据协议并将其通过芯片转换为rs232信息流格式发送给fpga，另一方面从fpga接收数据转换为数据协议传送回计算机，两种串口发送的数据协议即led阵列驱动数据协议和电控变焦透镜驱动数据协议。

结合图7，本发明的软件控制主界面中，分为工具栏区，操作界面区和坐标显示区。工具栏区包括串口连接、串口断开、光源选择按钮、设置按钮。操作界面区最主要的功能就是显示光源和拖动鼠标实现对光源坐标的控制。此界面就是光场模拟区，窗口坐标和半径与可编程led阵列的坐标半径相对应，实现了可编程led阵列的虚拟显示，也就是说在操作界面去显示的光源区域就是可编程led阵列照明区域。坐标显示区的功能就是显示光源在操作界面也就是可编程led阵列上的坐标位置，因为二者已实现同步，这样就能通过“controlview”发送命令来驱动控制模块控制可编程led照明阵列、电控变焦透镜。

结合图8和图9，本发明的成像效果图。研究对象是蜜蜂的第三对足。图8的左上方是明场成像，右上方是暗场成像，下方的是差分相衬成像。图9是光场成像。两张图都说明了本发明可以完成多模式显微成像功能，成像清晰。