Вы впервые видите микроскоп в своем гараже? Тогда начните увлекательное чтение с первая проблема .
С момента предыдущей публикации прошло много времени, пора поговорить об успехах :) Все это время я посвятил практическому изучению электроники (цифровой и аналоговой), изготовил с десяток печатных плат (метод ЛУТ оказался неплохо!), пересмотрел сотни схем с разных электронных микроскопов разных годов выпуска.
И я даже собрал пару проектов на Ардуино, чтобы на чем-то попрактиковаться.
Получив необходимый опыт и знания, я начал разработку электроники и программного обеспечения для микроскопа.
На видео показано, как реализовано сканирование и захват изображения.
Плата пока ни к чему не подключена, но данные реальные (по серым градиентам можно догадаться о моментах, когда я подключаю вход к выходам сканирования по X и Y).
Вся система была разделена на следующие независимые модули:
- Захват изображения и интерфейс ПК.
- Блок питания прецизионных элементов и блок питания силовых элементов (реле, клапаны и т.п.
)
- Управление магнитной линзой, статическое.
Конденсор, фокусировка, смещение луча в начале, стигматизатор – все это настраивается независимо от развертки.
- Контроль отклонения балки.
Непосредственно отвечает за перемещение луча по образцу.
Здесь устанавливается увеличение.
- Управление вакуумной системой
- Контроль высокого напряжения и нагрева катода
- Источник высокого напряжения -1кВ для фотогальваники в детекторе вторичных электронов ( СЭД )
- Источник высокого напряжения +12 кВ для коллектора СЭД (без него детектор будет работать в режиме регистрации упруго отраженных электронов - BSE)
На этом этапе самое главное – добиться результата за наименьшее количество времени.
Поэтому буду очень рад увидеть в комментариях ваши конструктивные предложения, как сделать лучше.
I. Захват изображения
Думаю, это самая «вкусная» часть всего проекта.С чем будет иметь дело человек при работе с микроскопом: видеть изображение, настраивать параметры – что панель управления .
Аппаратное обеспечение
Основой является Arduino Due, имеющая два цифро-аналоговых преобразователя (ЦАП), которые будут использоваться для отклонения луча по осям X и Y, и несколько аналого-цифровых преобразователей (АЦП) для оцифровки сигнала.полученное от датчиков.
Дело в том, что действия по установке луча в нужную точку и считыванию сигнала выполняются синхронно.
В общем, есть два разных варианта выполнения сканирования.
- Два цикла по X и Y, внутри установка луча в нужную точку путем вывода необходимых значений на аналоговый выход через ЦАП, и оцифровка значения с датчика.
- Управляемые пилообразные генераторы с тактовыми импульсами, а Arduino непрерывно оцифровывает сигнал, разбивая его на тактовые импульсы.
Напишите в комментариях, считаете ли вы второй вариант лучше.
Непрерывная оцифровка сигнала в этом микроконтроллере ( МК ) будет заметно быстрее, возможно даже удастся выйти на частоту 1 МГц.
Вот как выглядит сигнал отклонения строк, генерируемый ЦАП платы.
То есть читаем слева направо, затем следующую строку справа налево и т. д., сами понимаете почему.
МК общается с компьютером через отдельный интерфейс USB.
Программная часть
МК прошивка
Прошивка самого МК реализована стандартными средствами с использованием Arduino IDE, но с использованием прямого доступа через порты вместо функции библиотеки Arduino, что дает существенный прирост скорости сканирования.Эта тема уже достаточно подробно описана, но суть очень проста: функции Arduino универсальны и поэтому вынуждены делать то, чего делать не нужно.
Например, при чтении значения с одного и того же входа десятки тысяч раз в секунду нет необходимости каждый раз задавать номер входа, который будет считываться; достаточно сделать это перед циклом.
Протокол обмена сообщениями
Для быстрого обмена данными с ПК я разработал простой бинарный протокол обмена сообщениями переменной длины.Каждое сообщение содержит обязательный заголовок
и следующая полезная нагрузка.typedef struct { uint32_t magic; uint16_t type; uint16_t len; } MSG_HEADER;
Например, отсканированная строка изображения.
typedef struct {
uint16_t lineNumber;
uint8_t pixels[MAX_SCAN_WIDTH];
} MSG_SCANLINE;
Мне уже советовали использовать режим USB Bulk Transfer вместо имитации последовательного порта, но я еще не освоил этот метод работы с Arduino Due.
Клиентская часть
Здесь не все так тривиально.Клиентскую часть я сделал в виде сервера на Node.JS + React.JS, чтобы микроскопом можно было пользоваться не только локально.
Модуль Серийный порт обеспечивает хорошую производительность, а вывод изображения осуществляется через элемент холста .
Наглядная демонстрация того, как все это работает, приведена в начале статьи.
II. блок питания
Отдельно хотелось бы отметить, что для работы микроскопа необходим источник питания, который не только имеет большой запас мощности (из-за возможных импульсных нагрузок при управлении магнитными линзами), но и обеспечивает низкий уровень пульсаций выходного напряжения.под нагрузкой.
Простой блок питания ATX по линии +12В не мог обеспечить достойного качества, поэтому был спроектирован линейный блок питания на базе трансформатора от 1 кВА.
UPS , вторичные (бывшие первичные) обмотки которого были отключены для получения независимого переменного напряжения около 15В.
Проектируемый блок должен получать двухполярное питание +12 и -12, а также двухполярное питание +5 и -5 вольт.
Схема довольно проста: 
Два выпрямителя, буферные конденсаторы емкостью 33000 мкФ, LM317 на каждый канал 12 Вольт с Транзистор Дарлингтона TIP127 и парочка L7805 по каналу 5 В.
Двусторонняя печатная плата, метод ЛУТ:
После пайки компонентов плата выглядит вот так:
Некоторые детали были повторно использованы из вышедших из строя компьютерных блоков питания ATX, включая кабели.
В качестве корпуса использовался оригинальный корпус того же ИБП.
III. Контроль высокого напряжения и нагрева катода
О нем я уже частично говорил в последняя статья , но оставалось главное - научиться всем этим управлять и делать все качественно, ведь 30 кВ при большом токе - это не игрушка.Основой высоковольтного модуля управления является Arduino Nano, подключенная своими выходами к: — ЦАП, задающий опорное напряжение для высоковольтного блока — драйвер двигателя, перемещающего ползун катодного накального трансформатора — драйвер двигателя, регулирующий (через длинный диэлектрический стержень) переменный резистор, задающий смещение катодного напряжения относительно цилиндра Венельта — управлять катодно-накальным реле по схеме, о которой я рассказывал в предыдущей статье Я также измерил ток накала, но полностью эту схему не тестировал и оказалось, что чувствительность слишком низкая, позже придется переделывать.
Со снятой крышкой устройство выглядит так: 
Все эти провода аккуратно убраны в железный корпус от бывшего телеприемника (или чего-то подобного), который хорошо экранирует возможные помехи от «аквариума».
По крайней мере, после того, как все это было помещено в корпус и сделано «правильно», Arduino Nano перестала зависать вскоре после включения высокого напряжения.
А эстетично упаковывать готовые, работающие модули в коробки довольно приятно и удобно.
Вперед, продолжать!
Многие уже задаются вопросом, когда же микроскоп наконец заработает. Так рано! :) Остается только сделать датчик вторичных электронов (источник -1кВ, источник +12кВ, усилитель), либо подключить усилитель поглощаемого тока (уже готов, но картинка с него, по мнению знающих людей, будет не такой красивой, как с СЭД).И займитесь усилителем системы отклонения балки, там есть свои хитрости.
Управляю объективами пока просто от лабораторного блока питания, но планирую купить ЦАП (подойдут даже 10-битные, но сначала узнаю какие лучше), их наверняка понадобится с десяток , учитывая сколько вариантов настройки в этой графе, и сделать для них общую плату управления по шине SPI, например.
P.S.
Посещение страны, в которой вы родились и жили Вангелиста Торричелли не выдержал и вошел Римский университет , где прошла тематическая выставка «Наноинновации», посвященная различному оборудованию, в том числе микроскопам.
Передаю привет всем читателям из этой солнечной страны! 
В следующий эпизод — рассказ о детекторах электронов
Теги: #Популярная наука #Сделай сам или сделай сам #Гаджеты #физика #Старое железо #arduino #вакуум #электронный микроскоп #в гараже #сканирующий электронный микроскоп #JEOL
-
Ноутбук Toshiba Satellite-L635-S3104Rd
19 Oct, 24 -
Продажа Твитов Без Nft И Sms
19 Oct, 24 -
Постсоциальный Веб-Синдром
19 Oct, 24 -
Как Работает Интернет-Счетчик?
19 Oct, 24
