基于FPGA的可编程LED阵列控制系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于FPGA的可编程LED阵列控制系统，包括电源系统、USB HUB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、USB HUB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，USB HUB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，USB HUB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。本发明专利技术可以仅利用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。

【技术实现步骤摘要】
基于FPGA的可编程LED阵列控制系统
本专利技术属于光学成像技术，特别是一种基于FPGA的可编程LED阵列控制系统。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。实现本专利技术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。本专利技术与现有技术相比，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。下面结合附图对本专利技术作进一步详细描述。附图说明图1为本专利技术的总体框架示意图。图2为本专利技术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为本专利技术的USBHUB控制器连接示意图。图4为本专利技术的可编程LED阵列连接示意图。图5为本专利技术的电控变焦透镜连接示意图。图6为本专利技术的摄像机触发与串口通讯系统连接示意图。图7为本专利技术的软件控制主界面的示意图。图8为本专利技术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为本专利技术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。本专利技术基于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，本专利技术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、2本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于FPGA的可编程LED阵列控制系统，其特征在于包括电源系统、USB HUB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、USB HUB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，USB HUB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，USB HUB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Nios II处理器，在FPGA内部通过嵌入式技术加入自定义Nios II处理器，使用SDRAM作为内存，Nios II处理器与计算机的通信，Nios II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。

【技术特征摘要】
1.一种基于FPGA的可编程LED阵列控制系统，其特征在于包括电源系统、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。2.根据权利要求1所述的基于FPGA的可编程LED阵列控制系统，其特征在于可编程LED阵列的驱动时序逻辑信号将FPGA提供的时序信号转化为满足电压要求的驱动信号，即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，该电平转换芯片的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，6、8、9、11、12、13、14、16、1719、20、22、23管脚接可编程LED阵列的驱动端口，5管脚接可编程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。3.根据权利要求1所述的基于FPGA的可编程LED阵列控制系统，其特征在于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，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CC...

【专利技术属性】
技术研发人员：张玉珍，秦圣，陶天阳，卢斯洋，胡岩，李诗宇，于潇，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32