林 睿

（重慶工商大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息工程學(xué)院，重慶 400067）

共焦掃描成像因?yàn)闄M向分辨率比普通顯微系統(tǒng)高并且具有良好的光學(xué)層析能力，在三維顯微成像中具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，因此在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)、材料學(xué)、生物學(xué)和半導(dǎo)體芯片檢測(cè)等亞微米技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用［1－5］。在研制共焦掃描成像系統(tǒng)中，對(duì)圖像信號(hào)進(jìn)行采集并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中進(jìn)行處理是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，由于系統(tǒng)中采集的是靜態(tài)圖像［2］，數(shù)據(jù)處理量不是很高，因而可以采用串行通信作為數(shù)據(jù)傳輸通信方式［3］。

在Windows環(huán)境下開(kāi)發(fā)串行通信程序［6］可以利用Windows API通信函數(shù)或者利用第三方編寫(xiě)的串口類(lèi)或者利用串口通信組件，如ActiveX控件MSComm。隨著.Net Framework的普及，通過(guò).Net Framework平臺(tái)進(jìn)行串口設(shè)備開(kāi)發(fā)在軟件升級(jí)過(guò)程中起著越來(lái)越重要的作用。基于.Net Framework的Visual CJHJ 2008的串口類(lèi)（SerialPort類(lèi)）［7］方便地實(shí)現(xiàn)了串口通訊所需要的多種功能，能賦予串口通信程序設(shè)計(jì)較大的靈活性，是今后串口通信的一個(gè)重要發(fā)展方向。提出了一種利用CJHJ中的SerialPort類(lèi)進(jìn)行RS232串口通信的方法，以完成對(duì)共焦成像系統(tǒng)的軟件升級(jí)。

1 共焦掃描成像系統(tǒng)

1.1 共焦掃描成像原理［4］

共焦掃描成像系統(tǒng)（圖1）利用放置在光源后的照明針孔和放置在探測(cè)器前的探測(cè)針孔實(shí)現(xiàn)點(diǎn)照明和點(diǎn)探測(cè)，來(lái)自光源的光通過(guò)照明針孔發(fā)射出的光聚焦在樣品焦平面的某個(gè)點(diǎn)上，該點(diǎn)所發(fā)射的熒光成像在探測(cè)針孔上，照明針孔與探測(cè)針孔對(duì)被照射點(diǎn)或被探測(cè)點(diǎn)來(lái)說(shuō)是共軛的，因此被探測(cè)點(diǎn)即共焦點(diǎn)，被探測(cè)點(diǎn)所在的平面即共焦平面。如果被探測(cè)點(diǎn)不在焦點(diǎn)，那么該點(diǎn)所發(fā)射的熒光成像在針孔的前面或后面某個(gè)位置，而在針孔所在的探測(cè)面上僅僅形成彌散斑，此時(shí)通過(guò)針孔為探測(cè)器探測(cè)到的光能量很少，也就是說(shuō)非焦點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于焦點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度。在共焦掃描成像中，只有一個(gè)物點(diǎn)參與成像，排除了臨近物點(diǎn)的影響，因此分辨率可以突破瑞利衍射極限。計(jì)算機(jī)以像點(diǎn)的方式將被探測(cè)點(diǎn)顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上，為了產(chǎn)生一幅完整的圖像，由光路中的掃描系統(tǒng)在樣品焦平面上掃描（X-Y掃描），從而產(chǎn)生一幅完整的共焦圖像。只要載物臺(tái)沿著Z軸上下移動(dòng)，將樣品新的一個(gè)層面移動(dòng)到共焦平面上，樣品的新層面又成像在顯示器上，隨著Z軸的不斷移動(dòng)，就可得到樣品不同層面連續(xù)的光切圖像。

圖1 共焦掃描成像系統(tǒng)

1.2 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

共焦掃描成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)［4，5］如圖1所示，系統(tǒng)由光學(xué)系統(tǒng)、圖像數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)、系統(tǒng)掃描控制單元和計(jì)算機(jī)組成。光學(xué)系統(tǒng)主要由激光器、成像（聚光）透鏡、光電倍增管PMT組成。圖像數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)（上位機(jī)）和單片機(jī)（MCU）系統(tǒng)（下位機(jī)）組成。系統(tǒng)掃描控制單元利用單片機(jī)（MCU）驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)載物臺(tái)沿預(yù)定軌跡運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)逐點(diǎn)掃描。計(jì)算機(jī)（上位機(jī)）通過(guò)RS232串口即DB9串口實(shí)現(xiàn)對(duì)下位機(jī)（MCU）的控制及圖像數(shù)據(jù)的后期處理。

2 RS232串口通信系統(tǒng)及CJHJ中的串口類(lèi)

確保計(jì)算機(jī)與單片機(jī)之間具有優(yōu)良的數(shù)據(jù)傳輸通道，對(duì)于整個(gè)共焦掃描成像系統(tǒng)快速獲得物平面高質(zhì)量的圖像至關(guān)重要，因此采用成熟的RS232串口技術(shù)可確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和可靠性。而在串口通信軟件升級(jí)中采用Visual CJHJ 2008的SerialPort類(lèi)進(jìn)行通信軟件開(kāi)發(fā)，因?yàn)镾erialPort類(lèi)封裝了使用RS232開(kāi)發(fā)串口通信軟件的細(xì)節(jié)，做到了.Net Framework與串口設(shè)備的無(wú)縫連接，因而能實(shí)現(xiàn)串口讀寫(xiě)數(shù)據(jù)的可靠性，保證了通信的正確性和可靠性。

2.1 RS232串口的信號(hào)線定義及連接方法［6］

串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過(guò)使用和發(fā)展，目前已經(jīng)有多種，但都是在RS232標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)改進(jìn)而形成的。RS232通信協(xié)議適合于數(shù)據(jù)傳輸速率在0～200 00 bit/s范圍內(nèi)的通信。由于RS232并未定義連接器的物理特性，因此，出現(xiàn)了DB25（25針）、DB15（15針）和DB9（9針）為主的各種類(lèi)型的連接器。目前，個(gè)人計(jì)算機(jī)中多以DB9為主要的串行通信接口，因而在共焦掃描成像系統(tǒng)中考慮以DB9為主進(jìn)行串口通信開(kāi)發(fā)。

RS232通信協(xié)議是DTE（數(shù)據(jù)終端設(shè)備）和DCE（數(shù)據(jù)通信設(shè)備）之間的一個(gè)接口協(xié)議，RS232標(biāo)準(zhǔn)指出DTE應(yīng)該擁有一個(gè)插頭（針輸出），DCE擁有一個(gè)插座（孔輸出）。目前的個(gè)人計(jì)算機(jī)的DB9串口為一個(gè)9針插頭（圖2）。各針腳功能分別為:DCD——數(shù)據(jù)載波檢測(cè);RxD——串口數(shù)據(jù)輸入;TxD——串口數(shù)據(jù)輸出;DTR——數(shù)據(jù)終端就緒;SG——信號(hào)地;DSR——數(shù)據(jù)發(fā)送就緒;RTS——發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求;CTS——清除發(fā)送;RI——振鈴指示。

在通信速率低于20 kb/s時(shí)，RS232所直接連接的最大物理距離為15 m。通信雙方可以直接連接，這種情況下，只需使用少數(shù)幾根信號(hào)線。最簡(jiǎn)單的情況，在通信中根本不需要RS232的控制聯(lián)絡(luò)信號(hào)，只需3根線（發(fā)送線、接收線、信號(hào)地線）便可實(shí)現(xiàn)全雙工異步串行通信，如圖3（a）所示。用跳線使串口的第2、3針連接，可以在本地計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)串口通信，所以，通過(guò)串口的第2、3針的連接可以對(duì)程序進(jìn)行檢測(cè)，如圖3（b）所示。

2.2 CJHJ中的串口類(lèi) SerialPort［7］

Visual CJHJ 2008類(lèi)庫(kù)包含了SerialPort類(lèi)，可以方便地實(shí)現(xiàn)所需要串口通訊的多種功能，基本技術(shù)為:（1）命名空間。System.IO.Ports命名空間包含了控制串口重要的SerialPort類(lèi)，該類(lèi)提供了同步 I/O和事件驅(qū)動(dòng)的I/O、對(duì)管腳和中斷狀態(tài)的訪問(wèn)以及對(duì)串行驅(qū)動(dòng)程序?qū)傩缘脑L問(wèn)，所以在程序代碼起始位置需加入 Using System.IO.Ports。

（2）串口的通訊參數(shù)。串口通訊最常用的參數(shù)就是通訊端口號(hào)及通訊格式即:波特率、數(shù)據(jù)位長(zhǎng)度、停止位和校驗(yàn)位。

a.通訊端口號(hào)。在SerialPort類(lèi)中用PortName屬性獲取或設(shè)置通信端口，包括但不限于所有可用的COM端口，該屬性返回類(lèi)型為String，通常情況下，PortName正常返回的值為COM1、COM2等，SerialPort類(lèi)最大支持的端口數(shù)多于16，方便了用戶串口設(shè)備的配置。

b.通訊格式。SerialPort類(lèi)對(duì)分別用BaudRate、DataBits、Parity、StopBits屬性設(shè)置通訊格式中的波特率、數(shù)據(jù)位長(zhǎng)度、奇偶校驗(yàn)檢查協(xié)議和停止位。BaudRate和DataBits是整型int數(shù)據(jù)，BaudRate屬性的默認(rèn)值為9600 bps。DataBits屬性的值范圍是從5到8，默認(rèn)值為8。Parity和StopBits是枚舉類(lèi)型數(shù)據(jù)，Parity類(lèi)型中枚舉了Odd、Even、Mark、None、Space，默認(rèn)值為 None;StopBits枚舉了 None、One、OnePointFive、Two，默認(rèn)值為 One。

（3）串口的操作。

a.通信端口號(hào)的獲取。SerialPort類(lèi)中用GetPortNames（）方法獲取當(dāng)前計(jì)算機(jī)的串行端口名稱(chēng)數(shù)組。

b.串口的打開(kāi)和關(guān)閉。SerialPort類(lèi)中用Open（）和Close（）方法就可以實(shí)現(xiàn)串口的打開(kāi)和關(guān)閉。

c.串口數(shù)據(jù)的發(fā)送和的讀取。SerialPort類(lèi)中調(diào)用重載的Write（）和WriteLine（）方法發(fā)送數(shù)據(jù)。WriteLine（）可發(fā)送字符串并在字符串末尾加入換行符。而用ReadLine（）則可以一直讀取到輸入緩沖區(qū)中的NewLine值，屬性NewLine定義ReadLine和WriteLine方法的行尾，默認(rèn)為換行符。

事件。從SerialPort對(duì)象接收數(shù)據(jù)時(shí)，將在輔助線程上引發(fā)Data

事件。串行接收事件可以由SerialData枚舉中的任何項(xiàng)引起，SerialData枚舉類(lèi)型有兩個(gè)值為Chars（表示接收到了一個(gè)字符并將其放入了輸入緩沖區(qū)）和Eof（表示接收到了文件結(jié)束字符并將其放入了輸入緩沖區(qū)）。DataReceived事件還可以由接收到了由屬性ReceivedBytesThreshold設(shè)置的輸入緩沖區(qū)中的字節(jié)數(shù)引發(fā)。

BytesThreshold屬性用于獲取或設(shè)置DataReceived事件發(fā)生前內(nèi)部輸入緩沖區(qū)中的字節(jié)數(shù)。

（5）串口對(duì)象的初始化。SerialPort類(lèi)提供了七個(gè)重載的構(gòu)造函數(shù)，既可以對(duì)已經(jīng)實(shí)例化的SerialPort對(duì)象設(shè)置上述相關(guān)屬性的值，也可以使用構(gòu)造函數(shù)SerialPort（String，Int32，Parity，Int32，StopBits）指定的端口名稱(chēng)、波特率、奇偶校驗(yàn)位、數(shù)據(jù)位和停止位初始化SerialPort類(lèi)的新實(shí)例。

3 CJHJ中串口通訊的實(shí)現(xiàn)

3.1 軟件的設(shè)計(jì)

串口通訊的工作流程是:首先配置串口參數(shù)，再打開(kāi)串口;然后接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，最后關(guān)閉串口。

在Visual CJHJ 2008環(huán)境下，建立實(shí)現(xiàn)本機(jī)串口通信測(cè)試的主窗體Form1，如圖4（a）所示。依照串口通訊的工作流程，窗體上依次放置5個(gè)按鈕分別是配置串口、打開(kāi)串口、發(fā)送信息、接收信息和關(guān)閉串口，其中打開(kāi)串口、發(fā)送信息、接收信息按鈕的Enabled屬性設(shè)置為false，隨著配置串口按鈕的點(diǎn)擊依次將其Enabled屬性設(shè)置為true。窗體上放置兩個(gè)文本編輯框textBox1和textBox2，分別顯示用于發(fā)送和接收到信息的內(nèi)容。

串口參數(shù)的設(shè)置在子窗體Form2中進(jìn)行，在配置串口按鈕點(diǎn)擊后，子窗體彈出，如圖4（b）所示。子窗體Form2上放置3個(gè)組合框ComboBox分別設(shè)置可用串口、標(biāo)準(zhǔn)停止位和奇偶效驗(yàn)。其中可用串口的下拉列表的值可在Form2顯示時(shí)的事件中添加如下代碼獲得:

圖4 C#串口通信測(cè)試軟件界面

ComboBox1.Items.AddRange（System.IO.Ports.SerialPort.GetPortNames（））;

為了能將子窗體Form2上的串口參數(shù)傳到主窗體Form1上，需要在Form1的類(lèi)定義處添加5個(gè)公有靜態(tài)變量ComName、BaudRate、BitLength、PARITY、STOPBIT分別存放端口名稱(chēng)、波特率、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)位和停止位的參數(shù)值。在子窗體Form2上的設(shè)置完成按鈕的Click事件中添加以下代碼:

這樣即可對(duì)主窗體Form1中的串口對(duì)象進(jìn)行設(shè)置。

3.2 功能模塊的實(shí)現(xiàn)

（1）打開(kāi)串口。在主窗體Form1的類(lèi)中的串口對(duì)象SerialPort1定義為:

System.IO.Ports.SerialPort SerialPort1=new SerialPort（）;

在打開(kāi)串口按鈕的Click事件中添加以下代碼:

（2）發(fā)送信息。當(dāng)發(fā)送信息按鈕激活后，在主窗體的文本編輯框textBox1中輸入要發(fā)送的信息，再點(diǎn)擊發(fā)送信息按鈕完成信息向串口的發(fā)送，其Click事件代碼如下:

private void SendMessage_Click（object sender，EventArgs e）

{SerialPort1.WriteLine（textBox1.Text）;//發(fā)送一行信息到串口

ReadMessage.Enabled=true;}//激活接收信息按鈕

（3）接收信息。當(dāng)接收信息按鈕激活后，點(diǎn)擊該按鈕，將已送到串口的信息讀取到主窗體的textBox2中進(jìn)行顯示，其Click事件代碼如下:

（4）關(guān)閉串口。關(guān)閉串口的代碼非常簡(jiǎn)單，只需要執(zhí)行SerialPort1.Close（）即可。

4 結(jié)論

在Visual C#2008中開(kāi)發(fā)的串口通信測(cè)試軟件能成功地實(shí)現(xiàn)串口通信，表明提出的利用CJHJ實(shí)現(xiàn)共焦掃描成像系統(tǒng)的串口通信是一個(gè)可行的方案，因而利用CJHJ對(duì)共焦掃描成像系統(tǒng)進(jìn)行軟件升級(jí)是可行的。

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