università degli studi di pavia facoltà di ingegneria dipartimento di elettronica progettazione di...
TRANSCRIPT
Università degli Studi di PaviaFacoltà di Ingegneria
Dipartimento di Elettronica
Progettazione di un sistema di acquisizione Progettazione di un sistema di acquisizione automatico da Microscopia Laserautomatico da Microscopia Laser
Relatore: Relatore: Prof. Carla VacchiProf. Carla Vacchi
Correlatore: Correlatore: Prof. Alessandra TomaselliProf. Alessandra Tomaselli
Ing. Daniele ScarpaIng. Daniele Scarpa
Indice degli argomenti:
- Panoramica sulle tipologie di microscopi ottici in commercio- Necessità di un microscopio a scansione laser a 2 fotoni- Presentazione degli elementi con cui si dovrà interfacciare il
progetto realizzato- Scelta della soluzione migliore e relativi criteri adottati- Progetto elettronico- Collaudo- Risultati- Sviluppi futuri
Microscopio Tradizionale
L’intero campione viene illuminato uniformemente dalla radiazione incidente
Semplice nell’uso
Basso costo
Può utilizzare il principio della fluorescenza ad 1 fotone
Problema dei contributi fuori fuoco, che impongo il limite del campione sottile
Microscopio ConfocaleElimina i problemi dei contributi fuori fuoco
E’ un microscopio a scansione, illumina un punto alla volta il campione
Miglior qualità dell’immagine rispetto al microscopio convenzionale
Può utilizzare il principio della fluorescenza ad 1 fotone
Costoso
Utilizzabile da personale qualificato
Fluorescenza ad 1 fotone
fluorescenza a 1 fotone
Sin
gle-
Pho
ton
Exc
itatio
n
Flu
ores
cent
Dec
ay
fluorescenza a 2 fotoni
Fluorescenza a 2 fotoniT
wo-
Pho
ton
Exc
itatio
n
Flu
ores
cent
Dec
ay
Microscopio ConfocaleElimina i problemi dei contributi fuori fuoco
E’ un microscopio a scansione, illumina un punto alla volta il campione
Miglior qualità dell’immagine rispetto al microscopio convenzionale
Può utilizzare il principio della fluorescenza ad 1 fotone
Costoso
Utilizzabile da personale qualificato
Può utilizzare il principio della fluorescenza a 2 fotoni, infatti la strategia attualmente utilizzataè l’adattamento
Prototipo diMicroscopio a Scansione Laser
Si vuole realizzare un microscopio che:
- NASCA per sfruttare la fluorescenza a 2 fotoni
- Sia poco costoso
L’apparato che si occupa della generazione del fascio Laser, la partepiù complicata del progetto, è presente nel Laboratorio Sorgenti Laser
Microscopio a Scansione Laser
campionepiano orizzontale
beam splitter
L2
L1
laser
fotomoltiplicatoreas
se v
ert
ical
e
specchietti di deflessione x
y
z
specchio
Sorgenti laser utilizzateObiettivo:Obiettivo:
Laser Cr:Forsterite in regime di mode-lockingLaser Cr:Forsterite in regime di mode-locking
fluorescenza a 2 fotoni, generazione di seconda armonicafluorescenza a 2 fotoni, generazione di seconda armonica
lunghezza d’onda lunghezza d’onda em (infrarosso): (infrarosso): 1210 1210 1390 nm 1390 nm
durata impulso: durata impulso: 100 fsec100 fsecpotenza media (picco 1240 nm):potenza media (picco 1240 nm): 150 mW150 mWfrequenza ripetizione treno impulsi: frequenza ripetizione treno impulsi: 100 MHz 100 MHz
Sorgente utilizzata:Sorgente utilizzata:
Laser He-Ne Laser He-Ne perché?lunghezza d’onda lunghezza d’onda em (visibile): (visibile): 633 nm633 nm
riflessione, fluorescenza a 1 fotoneriflessione, fluorescenza a 1 fotone
Sistema di partenza
Il circuito si interfaccia con:
- un sistema di movimentazione
- un sistema di acquisizione
- un sistema PC
Scopo del progetto:
Emulare sistema già esistente, rendendolo più flessibile
Esiste già un sistema di acquisizione, che però ha rivelato dei limiti
Interfacce Elettro-Meccaniche
Si tratta di una coppia di Galvoscanner,usati per deflettere il fascio laser incidentesul campione, l’uno adibito alla movimentazioneLungo l’asse X, l’altro su quello Y.
Problema:- il motore pone un limite alla frequenza del segnale pilotante - i tipi di forma d’onda sollecitano differentemente i 2 motori- velocità di acquisizione
Interfaccia Opto-ElettronicaIl segnale luminoso risulta avere una bassa intensità
utilizzo un Fotomoltiplicatore per amplificare il segnale
Problema:La circuiteria di contorno deve essererealizzata appositamente per il tipo difotomoltiplicatore e di convertitore
Interfaccia Software
La ricostruzione dell’immagine avviene attraverso un software opportunamente progettato che:
- riceve il valore misurato e convertito
- colloca tale dato nella matrice immagine
Problema:Attualmente per la comunicazione vieneutilizzata la porta parallela, quindi una bassavelocità di trasmissione
Criteri di scelta per il nuovo sistema
2) deve garantire inoltre:
- Flessibilità
- Dinamicità
- Affidabilità
- Semplice utilizzo
1) Il nuovo sistema progettato deve riprodurre il sistema già esistente
Criteri di scelta per il nuovo sistema
3 i possibili approcci
Circuiteria dedicata
Sistema a microprocessore
Logica programmabile
Scelta Logica programmabile su board di sviluppo che supportidescrizione componenti VHDL e disponga di circuiti d’interfaccia
EP2S60 DI STRATIX II
2 convertitori A/D 12-bit a 125-MHz 2 convertitori D/A 14-bit a 165-MHz 1 convertitore D/A 8-bit, 180 megapixels per Secondo triplo per uscita VGA1 coder/decoder Stereo Audio a 96-KHz1 MByte di SRAM 16 MBytes di memoria Flash 32 MBytes di SDRAM Connettore per card CompactFlash 4 posizioni programmabili distinte1 connettore femmina a 9-pin RS-232Scheda di rete Ethernet MAC/PHY 10/100 8 LEDOscillatore 100-MHzSupporto VHDL
Movimentazione assi X e Y
Vengono generati attraverso due contatori i segnali di controllo che comandano i due galvomotori
asse X
asse Y
Acquisizione del segnale
Il convertitore ADC utilizzato è differente rispetto all’originale epuò essere programmato (frequenzadi campionamento, numero di bit… )
Ricostruzione dell’immagine
X
Y
campione matrice immagine
Schema di progetto digitale
Movimentazione X e Y
Acquisizione
P. Parallela
Generatore di clock
Schema di progetto
I blocchi principali sono descritti in VHDL
Ciò garantisce la flessibilità del sistema
CollaudoEmulo il segnale dell’ADC internamente alla scheda
Per semplicità, ho scelto una forma d’onda triangolare
Per la mancanza di sincronismo, l’immagine non è corretta
CollaudoPer rimediare al problema introduco un elemento di memoria FIFO
Il vantaggio nell’utilizzo di questo blocco è il rendere la scrittura e la lettura indipendenti
metto in ingresso al convertitore un’onda triangolare generata esternamente
RisultatiAndando ad assemblare il progetto finale e collegando il fototubo alla board disviluppo, si sono ottenute le prime immagini
Limiti del sistema Elettromeccanico
Effetto “a specchio ” (ritardo)
Effetto “schiacciato” (filtraggio)
Forma d’onda ideale
Forma d’onda reale
ritardo
Conclusioni
- flessibilità del sistema, garantita dall’uso di una Logica Programmabile
- semplici procedure di elaborazione immagine
- adeguatezza del progetto finale caricato sulla memoria dell’FPGA avente la funzione di acquisizione d’immagini
-raggiunto scopo principale, emulare sistema già esistente eliminando alcuni dei vincoli
Sviluppi futuri GARANTITI
- generazione di differenti forme d’onda di controllo ai galvomotori
- modifica delle velocità di acquisizione dei dati
- connessione tramite rete direttamente alla scheda
- pre-elaborazione dell’immagine sulla board di sviluppo
- visualizzazione diretta dell’immagine a video