Программно-аппаратный комплекс виртуальной лаборатории для микроструктурного и микрогеометрического анализа

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 378.164.169, 621.9.08

Программно-аппаратный комплекс виртуальной лаборатории для микроструктурного и микрогеометрического анализа

А.В. Аверченков

Д.В. Чмыхов

Р.А Филиппов

Организация любой исследовательской деятельности связана с получением и анализом результатов проводимых исследований. Это сложный и трудоёмкий процесс, требующий больших человеческих затрат и уникального дорогостоящего оборудования. Проблема использования такого уникального оборудования может сделать исследование трудновыполнимым или даже невыполнимым вовсе. Одним из путей решения этой проблемы может стать создание виртуальных лабораторий, работающих в режиме коллективного пользования. Развитие информационных технологий и средств телекоммуникаций создает основу для осуществления удаленного взаимодействия исследователя и уникального оборудования. Расширение каналов скоростных телекоммуникаций и разработка технологий обработки данных в реальном времени дают возможность реализации модели распределенного научного коллектива, работа которого строится на технологиях удаленного доступа к научно-техническим ресурсам на основе использования компьютерных средств общения [1].

Новые информационные технологии предоставляют практически неограниченные возможности в организации коллективной научно-образовательной деятельности: построение специализированных (в том числе распределенных) баз данных, автоматизированное управление экспериментом с удаленным доступом к научному оборудованию и организация на основе этих средств виртуальных лабораторий.

Виртуальная лаборатория представляет собой набор аппаратных и программных средств, подключенных к компьютеру для обеспечения дистанционного взаимодействия оператора с научным оборудованием как с обычным измерительным прибором. Специальный графический интерфейс выполняет роль органов управления и реализуется на основе имитационной модели основных узлов реального прибора в виде графических объектов на экране монитора. Такие лаборатории характеризуются распределенной информационной средой, обеспечивающей возможность удаленного доступа к источникам информации в виде распределенных промышленных установок, лабораторных комплексов, научно-исследовательских центров и др. Важной особенностью виртуальных лабораторий является возможность получения первичной информации и правильная организация ее передачи между отдельными подсистемами и потребителями.

В Брянском государственном техническом университете создана лаборатория сканирующей микроскопии с доступом к экспериментальной установке через Интернет (рис.1). Комплекс ориентирован на решение широкого спектра задач сбора, обработки, передачи и представления информации в условиях удаленного доступа к ее источникам. Особенность оптической микроскопии состоит в том, что полученные фотографии содержат сфокусированные и расфокусированные участки. Объясняется это тем, что при увеличении чётким формируется только тот участок поверхности, который попадает в фокус объектива микроскопа [2].

Рис. 1. Лабораторный комплекс сканирующей микроскопии:

1 - инвертированный металлографический микроскоп LEICA DMIRM;

2 - сервер; 3 - цифровая камера; 4 - WEB-камера

Основные задачи, решаемые виртуальной лабораторией:

· Организация удаленного управления лабораторным комплексом.

· Предоставление удалённого доступа к средствам и методам компьютерной микроскопии (измерение морфологических параметров, применение фильтров) посредством сети Интернет.

· Построение объёмных моделей исследуемой поверхности по её цифровым изображениям.

· Программное увеличение глубины резкости объектива оптического микроскопа.

· Ведение единой базы исследований компьютерной микроскопии.

· Проведение комплексных исследований.

Организационная структура виртуальной лаборатории показана на рис.2. Структура комплекса включает два основных блока: WEB-сервер и лабораторный комплекс.

Лабораторный комплекс состоит из следующих узлов:

· Микроскоп - инвертированный металлографический микроскоп LEICA DMIRM (рис. 1) с галогеновым осветителем падающего света 100Вт, револьверной головкой на 5 объективов M32, отдельным видеовыходом 100/100%, который обеспечивает возможность применения любых методов оптической микроскопии.

· Приводы - состоят из контроллера, представляющего собой электронную плату, специальных драйверов, а также непосредственно самих шаговых двигателей, осуществляющих механическое перемещение необходимых узлов микроскопа (рис.3).

· COM-порт - последовательный порт, используемый для передачи управляющих сигналов от ЭВМ к контроллеру приводов и получения информации от датчиков микроскопа.

· USB-порт - последовательный порт, используемый для передачи информации непосредственно от микроскопа (фото- и видеоизображение).

· ЭВМ - компьютер, к которому подключаются микроскоп и элементы управления им.

Рис. 2. Схема виртуальной лаборатории

В состав WEB-сервера входят следующие компоненты: HTTP-сервер; сервер виртуальной лаборатории; база данных (БД).

HTTP-сервер состоит из двух компонентов: HTML-страница, созданная по FLASH- технологии; модули Common Gateway Interface (CGI).

HTML-страница позволяет визуально отобразить результаты работы с лабораторным комплексом в виде видеопотока, а также дает возможность удаленному пользователю управлять основными узлами лабораторного комплекса. Построенные по FLASH-технологии страницы позволяют работать с полученным изображением, а также применять различные методы исследования и улучшения изображений.

CGI-модуль представляет собой набор CGI-скриптов, предназначенных для обмена данными с HTTP-сервером [3]. В рассматриваемой системе используются два модуля:

· CGI-модуль-приемник, предназначенный для приема и обработки информации, поступающей с микроскопа (текущая позиция основных узлов, оптическое увеличение и непосредственно изображение);

· CGI-модуль-источник, генерирующий на основе введенных удаленным пользователем данных управляющие сигналы для основных узлов лабораторного комплекса посредством контроллеров через COM-порт.

Сервер виртуальной лаборатории позволяет осуществлять следующие функции: виртуальный лаборатория компьютерный микроскопия

· взаимодействие с базой данных ;

· выполнение задач, требующих больших затрат времени (трехмерная реконструкция, увеличение глубины резкости, формирование больших полей наблюдения).

База данных хранит следующую информацию:

· список пользователей;

· индивидуальные настройки пользователя (параметры калибровки микроскопа, оптическое увеличение);

· результаты работы пользователей (наименования образцов, 2D-изображения, 3D-модели исследуемых поверхностей).

Для реализации дистанционного управления исследовательским комплексом через сеть Интернет разработана аппаратная часть управления микроскопом (рис. 3).

Рис. 3. Схема аппаратной реализации процесса управления микроскопом

Шаговые двигатели PL42H48-1.5-4, используемые в комплексе, предназначены для управления узлами микроскопа, реализующими:

· Приближение или удаление револьверной головки на 5 объективов относительно поверхности образца.

· Позиционирование по координатам X,Y горизонтального подвижного стола микроскопа, на котором установлен исследуемый образец.

· Поворот 5-позиционной револьверной головки для смены объективов и соответственно оптического увеличения.

Датчики нулевого положения PLL01 служат для определения начала отсчета перемещений в рабочую зону стола по координатам X,Y. Эти датчики также ограничивают предельные перемещения стола микроскопа для предупреждения механических повреждений стола.

Защита объективов требует другой реализации, так как высота каждого объектива разная. Для этого в крайнем нижнем положении установлен датчик начального положения, а верхнее положение ограничивается программным путём.

Датчик углового положения определяет позицию смены оптического объектива.

Контроллер управления шаговыми двигателями разработан на базе микроконтроллера Atmega16 фирмы Atmel. Разработанный контролер позволяет управлять шаговыми двигателями путем подачи управляющих импульсов на обмотки двигателей и отслеживать крайние положения стола и объективов. В схеме применён способ подключения двигателей с общей шиной, представленный на рис. 4. Это позволяет управлять большим количеством двигателей и освободить порты микроконтроллера для подключения датчиков крайних положений.

Рис. 4. Способ подключения шаговых двигателей с общей шиной

Шина BUS1 служит для вывода сигнала вращения двигателя.

Шина BUS2 служит для выбора шагового двигателя, который будет приводиться в действие.

Шина BUS3 служит для подключения датчиков крайних положений.

Данная схема может быть легко масштабирована и настроена для использования новых функций.

Соединяется контроллер с компьютером через COM-порт. Для согласования уровней используется стандартная микросхема MAX232CN. С компьютера поступают команды, которые распознаются микроконтроллером и проверяются на ошибки, в случае прихода неверной команды осуществляется её пересылка. Также перед исполнением команды микроконтроллер проверяет датчики крайних положений, чтобы не повредить микроскоп.

Источник питания S-150-27 предназначен для питания контроллера управления шаговыми двигателями.

Для управления процессом исследования на рассматриваемом комплексе были разработаны зависимости для определения управляющих параметров.

Минимальное перемещение по осям X,Y,Z можно определить по формуле

,

где - число шагов двигателя на один оборот; - коэффициент дробления шага (1/2,….); - передаточное отношение редуктора; - передаточное отношение механизма преобразования вращательного движения в поступательное.

Масштаб перемещения (количество шагов (микрошагов), совершаемых двигателем при перемещении столика на 1 мм) можно определить по формуле

Цена одного импульса (град/шаг) по углу поворота блока объективов определяется по формуле [4]

.

Число импульсов (шагов), необходимых для углового перемещения объектива в рабочую позицию, при пяти объективах в головке определяется по формуле

.

В процессе удаленного доступа к комплексу пользователь имеет возможность работать с микроскопом аналогично исследователю, работающему непосредственно на самом оборудовании. Данная схема позволит проводить научные исследования в области микроструктурного и микрогеометрического анализа различных образцов и деталей в условиях дистанционного доступа, что значительно повысит эффективность использования дорогостоящего научного оборудования.

Список литературы

1. Аверченков, В.И. Инновационные центры высоких технологий в машиностроении: монография/ В.И. Аверченков, А.В. Аверченков, В.А. Беспалов, В.А. Шкаберин, Ю.М. Казаков, А.Е. Симуни, М.В. Терехов; под общ. ред. В.И. Аверченкова, А.В. Аверченкова - Брянск: БГТУ, 2009. - 180 с.

2. Аверченков, В.И. Методы компьютерной реконструкции рельефа поверхности интерпретацией сфокусированности изображений/ В.И. Аверченков, Д.В. Чмыхов // Вестн. БГТУ. - 2008. - №2. - С. 111-117.

3. Павлов, А. CGI-программирование: учебный курс/ А.Павлов. - СПБ.: Питер, 2001. - 416 с.

4. Аверченков В.И. Анализ точности высотных измерений методом фокусировки объекта на базе оптического микроскопа LEICA DM IRM/ В.И. Аверченков, Д.В. Чмыхов // Вестн. БГТУ. - 2008. - №1. - С. 34-38.

Аннотация

Рассмотрены вопросы создания виртуальной лаборатории компьютерной микроскопии. Описаны основные программные и аппаратные решения, используемые при создании лаборатории. Приведена электронная схема подключения шаговых двигателей, а также формулы расчета перемещений основных узлов микроскопа.

Ключевые слова: микроскоп, виртуальная лаборатория, шаговый двигатель, программно-аппаратный комплекс, контроллер управления.

Размещено на Allbest.ru