CN1881280A - 一种完全互动的显微镜教学*** - Google Patents

Abstract

一种完全互动的显微镜教学***，包括：多台自动控制的数码显微镜、多个分别与各数码显微镜连接的控制盒、多个分别与各控制盒连接的控制杆、一显微镜控制台以及将上述各数码显微镜连接成显微镜网络的显微镜总线。该显微镜控制台包括显微镜选择模块和动作选择模块，显微镜选择模块用于选择所要控制的数码显微镜，动作选择模块用于控制所选定数码显微镜的执行动作。同时，该显微镜网络中还可通过网络协议转换模块与计算机网络连接，通过计算机也可以控制任一台显微镜。本发明的突出优点是，能够实现在一个位置上操作一个或多个远距离的显微镜。

Description

一种完全互动的显微镜教学***

技术领域

本发明涉及一种教学***，具体地说是指一种完全互动的显微镜教学***。

背景技术

目前，多媒体互动教学***已经被广泛应用，并取得了很好的效果，通常，该多媒体互动教学***仅实现文字、图像、声音这一层次的互动。

并且，这一多媒体互动教学已经被应用到了显微镜教学方面，例如，中国专利02110572.3号公开了“一种多媒体教学视频网络***”，包括教师控制台和学生操作台，其中教师控制台包括具有图像采集和处理输出装置的计算机、音视频播放源、视频显示设备、视频采集设备、图像分割和控制器；学生操作台包括一个学生用视频展示台、具有图像采集和处理输出装置的计算机以及一个显示装置，该学生用视频展示台设有视频采集头，该视频采集头连接到一个显微镜；学生操作台的计算机和教师控制台中的计算机通过双向网络技术连接。由此，各学生和教师可共享显微镜所采集到的图像，并通过文字和声音进行互动教学。

再如，中国专利02104982.3号公开了一种“显微—实验室装置”，包括很多大学生显微镜，这些是各自用一个视频摄像机装备的，以便产生一个图像信号，这表示了至少一部分大学生显微镜视场中来自大学生视野的图像，包括用视频电缆或无绳技术与视频摄像机连接的多路器—控制装置，以便在一个或多个被选定的显微镜的来自大学生视野的图像基础上提供组合的授课图像信号，和包括在实验室对大学生用于显示授课图像的投影单元或另外的公用显示器。这一发明实现的功能也是通过教师和学生共享显微镜采集到的图像来方便地进行互动教学。

又如，中国专利200410041814公开了一种“数码互动实验室”，由教师主控台：包括教师主控机、图像采集装置、图像输出装置及语音设备；学生受控台：包括学生机、图像采集装置及语音设备；网络交换机及一个以上的画面处理器组成。本***可进行生物、物理和化学实验课的互动教学，实时传输和广播各种成像设备的活动图像并能对图像进行保存，监视各个学生端图像采集装置下的图像，监视学生机运行状态并对其操作行为进行控制，指导学生观察显微图像和各种理科实验的操作过程，与学生进行语音、文字及图像的互动式交流，可对图像进行多种分析和处理。

可见，虽然上述各***都能实现文字、图像、声音这一层次的互动，但是，在许多情况下，教量仍需要手把手地为学生示范显微镜的操作过程，因而教师仍必须穿梭于各学生的位置之间，逐一为学生进行示范操作，仍难以克服传统教学模式的缺点，因此这些***并非完全意义上的互动教学***。

发明内容

本发明提供一种完全互动的显微镜教学***，其主要目的在于克服现有技术中的显微镜教学***不能实现在一个位置上操作一个或多个远距离的显微镜，因而不能达到完全意义上的互动教学这一缺陷。

本发明采用如下技术方案：

一种完全互动的显微镜教学***，包括：多台自动控制的数码显微镜，每一数码显微镜配有驱动其各部件动作的步进电机；多个分别与各数码显微镜连接的控制盒，各控制盒包括单片机、与单片机连接的数码显微镜运动控制模块、光源控制模块、控制杆状态捕捉模块、网络接口模块、与数码显微镜动作控制模块连接的多个步进电机驱动模块，各步进电机驱动模块分别与数码显微镜的各步进电机连接，用于控制各步进电机动作，以驱动数码显微镜动作，光源控制模块与数码显微镜的光源连接，以控制其亮度，各网络接口模块通过一显微镜网络总线连接，形成一显微镜网络，使得在没有计算机的情况下，也能够通过显微镜控制台控制显微镜网络中任意一台或多台显微镜动作的功能；多个控制杆，分别与各控制盒中的控制杆状态捕捉模块连接，以向单片机发出控制数码显微镜动作的各种指令；一显微镜控制台，该显微镜控制台连接到显微镜网络总线，包括显微镜选择模块和动作选择模块，显微镜选择模块用于选择所要控制的数码显微镜，动作选择模块用于控制所选定数码显微镜的执行动作。

一种完全互动的显微镜教学***，还包括至少一台教师计算机，该教师计算机通过多路视频捕捉卡连接到至少一个画面分割器，每一画面分割器与一组数码显微镜的摄像***视频信号输出端连接。在这一***中，学生通过控制杆操作自己位置上的显微镜；教师可通过教师计算机观察任意一个或任意一组学生的显微镜图像，从而可发现该学生对显微镜操作的撑握情况；并可通过显微镜控制台控制任意一台远距离的学生用的显微镜动作，或者通过教师计算机控制任意一台远距离学生用的显微镜动作，以进行正确的示范操作，从而达到互动教学的效果。

前述一种完全互动的显微镜教学***，进一步包括一网络协议转换模块，教师计算机和所述显微镜网络总线通过该网络协议转换模块连接。在此种结构下，教师不但可通过教师计算机观察任意一个或任意一组学生的显微镜图像，并可通过教师计算机操作任意一台或多台远距离的学生用的显微镜，即教师的远距离操作有通过显微镜控制台进行和通过教师计算机进行这两种方式。

进一步地，包括一计算机网络，该计算机网络包括与各数码显微镜一一对应的多台学生计算机及所述的教师计算机，各数码显微镜的控制盒中进一步包括受单片机控制的串口，用于分别与各学生计算机及教师计算机的串口连接。在此种结构下，任一台计算机，不管是教师计算机或学生计算机，不但可操作该计算机对应的显微镜，还可通过计算机网络操作其他任意一台远距离的显微镜；并且，教师计算机还可通过网络协转换模块访问显微镜的网络总线来操作远距离的显微镜。也可以通过计算机软件设置教师、学生和***管理员的操作权限。

一种与前述方案相似的方案为，包括一计算机网络，该计算机网络包括与各数码显微镜一一对应的多台学生计算机及所述的教师计算机，各数码显微镜的控制盒中进一步包括与单片机连接的串口，用于分别与各学生计算机及教师计算机连接，但是，不包括网络协议转换模块，即教师或学生可通过计算机网络操作其他任意一台远距离的显微镜，但是，由于显微镜的网络总线和计算机网络之间没有网络协议转换模块，因而教师计算机不能以通过显微镜的网络总线的方式来操作远距离的显微镜。

前述一种完全互动的显微镜教学***，其中，画面分割器还通过串口与计算机连接。计算机可通过串口控制画面分割器显示为16画面、9画面、4画面或1画面。

前述一种完全互动的显微镜教学***，其中，一个画面分割器与十六台数码显微镜的摄像***视频信号输出端连接。

前述一种完全互动的显微镜教学***，进一步包括一语音主控模块、多个与该语音主控模块连接的学生语音单元，语音主控模块及各学生语音单元分别连接有一耳麦，该语音主控模块与所述教师计算机通过串口连接。教师计算机通过语音主控模块设置语音工作模式，以便与学生进行语音交流。

前述一种完全互动的显微镜教学***，其中，所述数码显微镜各部件的动作包括：载物台X、Y、Z轴方向运动，粗、微调焦，物镜转换器转换，聚光镜升降，聚光镜顶部透镜翻转，孔径光栏开关，视场光栏开关。

前述一种完全互动的显微镜教学***，其中，所述数码显微镜的各轴上装有限位开关，各限位开关与所述控制盒中的数码显微镜动作控制模块相连。

综上所述，和现有技术相比，本发明的突出优点是，能够实现在一个位置上操作一个或多个远距离的显微镜，即教师可在自己的位置上观察各学生显微镜的图像，同时可控制各学生显微镜动作，以便为其示范，当然还可与学生进行语音沟通，完全不需要到学生的位置上进行任何教学活动，因此，达到了完全意义上的显微镜互动教学。

附图说明

图1为本发明***结构原理图；

图2为本发明显微镜控制***的结构原理图；

图3为本发明显微镜网络结构图；

图4为本发明计算机网络结构图；

图5为本发明显微镜无线网络结构图；

图6为本发明网络协议转换模块结构图；

图7为本发明图像传输***结构图。

具体实施例

下面参照图1至图7本发明的一个具体实施例。

参照图1，该显微镜教学***包括多台学生用的数码显微镜70和一台教师用的数码显微镜71，每一数码显微镜70、71均分别连接有一控制盒21，每一控制盒21连接有一控制杆24，各控制盒21可控制其对应的数码显微镜70或71动作，操作者可通过控制杆24向控制盒21输入控制信号，以操作其对应的显微镜70或71。各控制盒21通过一显微镜网络总线90连接，使各数码显微镜70、71形成一显微镜网络，图3清楚地显示了这一显微镜网络的***结构。该显微镜网络总线90中还连接有一显微镜控制台23，该显微镜控制台23包括显微镜选择模块231和动作选择模块232，通过该显微镜控制台23，可选择要操作的远距离的数码显微镜70或71以需要所选取择的数码显微镜70或71进行的动作。由此，教师可通过显微镜控制台23操作任意一台或多台数码显微镜70。

参照图1，该显微镜教学***中还包括一教师计算机80，该教师计算机80通过一网络协议转换模块22与显微镜网络总线90连接，并通过多路视频捕捉卡50连接有多个画面分割器30。画面分割器30可接多路视频输入，将多个输入视频画面组合为一路视频，然后输出。教师计算机80通过串口扩展卡40与各画面分割器30连接，每一画面分割器30与一组十六台数码显微镜70的摄像***视频信号输出端连接。由此，教师计算机80可读取任意一个或多个显微镜70的图像，并控制其显示十六画面、九画面、四画面或单画面。图7清楚地显示这一图像***的结构。

该显微镜教学***中还包括一个语音主控模块60和多个与该语音主控模块60连接的学生语音单元62，各学生语音单元62的位置与各学生用显微镜70的位置相对应，各学生语音单元62分别连接有一个耳麦61，语音主控模块60上也连接有一供教师使用的耳麦61，并且，语音主控模块60通过串口扩展卡40与教师计算机80连接，因此，教师可通过教师计算机80设置语音主控模块60的通话模式，并以选定的通话模式与学生进行语音交流。本实施例中，有四种通话模式可供选择：全通话、师生对讲、学生示范、分组练习。全通话模式：教师通过头戴耳机话筒讲话，全体学生用耳机收听，但不可发言；师生对讲模式：教师可与学生进行一对一的对话，只有被选择的学生才可以收听和发言；学生示范模式：教师可选择一位学生对话，所有学生都可收听到谈话内容，但其他学生不可发言；分组练习模式：将学生分为四人一组，组内学生可互相通话，教师也可随时加入。

参照图4，显示了利用计算机网络实现教师操作***微镜的教学***构成。该显微镜教学***中还包括多台学生用的计算机81，每一计算机81分别对应于一台数码显微镜70，并与该对应的数码显微镜70的摄像***视频信号输出端连接，以获取显微镜的成像，计算机串口与对应的控制盒21连接，即学生可通过其计算机81操作其对应的数码显微镜70。当然，教师计算机80与其对应的显微镜的关系也是如此。各学生用的计算机81及教师计算机80通过网络交换机11连接形成计算机网络，原理上，计算机81及教师计算机80均可通过计算机网络控制任意一台显微镜70或71，当然，实践中，可在计算机网络中通过软件设置各用户的操作权限。并且，通过该计算机网络，很容易实现各种数据如图像、文字等的共享。

在本实施全中，权限分为3个等级：高级、中级、低级。高级权限的用户可打断低级权限用户正在进行的操作，而低级权限用户则不能打断高级权限用户的操作。高级权限可对***的运行参数进行修改，如设置显微镜编号、设置其他用户权限、***测试等操作，这种权限通常赋予试验室管理人员，他们需要对***有深入的了解，可对***进行日常的维护及小故障的排除。中级权限则不能对***运行参数进行设置修改，但可以随意控制网络中的***微镜，通常赋予授课教师，以保证教师发现学生操作错误时，可随时控制显微镜纠正错误，中级权限还享有剥夺低级用户控制显微镜的权利，可禁止低级权限用户操作显微镜，这样教师在讲课时可禁止学生乱动，避免学生损坏教师的备课准备，也利于学生专心听讲。教师也可以赋予其他学生中级权限，使得较为优秀的学生可帮助稍差的学生，减少教师的负担。低级权限是学生权限，仅有操作本机的权利。

参照图2，显示了每一台显微镜70或71的控制***的结构，其主要结构包括控制盒21和控制杆24。要实现显微镜70或71的自动控制，前提是显微镜70或71配有驱动其各部件动作的步进电机701。控制盒21包括单片机210、与单片机210连接的数码显微镜动作控制模块211、光源控制模块213、控制杆状态捕捉模块216、网络接口模块214、与数码显微镜动作控制模块连接的多个步进电机驱动模块212，各步进电机驱动模块212分别与数码显微镜70的各步进电机701连接，用于控制各步进电机701动作，以驱动数码显微镜70动作，光源控制模块213与数码显微镜70的光源703连接，以控制其亮度，网络接口模块214用于与显微镜网络总线90连接；控制杆24与控制盒21中的控制杆状态捕捉模块216连接，以向单片机210发出控制数码显微镜70动作的各种指令；单片机210通过串口217与计算机80或81连接，以实现计算机80或81对数码显微镜70或71的控制。并且，数码显微镜70的各轴上装有限位开关703，各限位开关702与控制盒21中的数码显微镜动作控制模块211相连。

在本实施例中，显微镜网络总线90采用CAN总线，CAN总线是一种多主方式的串行通讯总线。CAN协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据块进行编码，采用这种方法的优点可使网络内的节点个数在理论上不受限制，数据块的标识码可由11位或29位二进制数组成，因此可以定义2¹¹或2²⁰个不同的数据块，这种按数据块编码的方式，还可使不同的节点同时接受到相同的数据，这一点在分步式控制中非常重要，CAN通信速率可达1Mbps，抗电磁干扰性强。本实施例中，各控制盒21中的网络接口模块216采用PHILIPS的CAN控制器SJA1000、CAN总线驱动器PCA82C250，参照图6，网络协议转换模块22的结构与此类似，包括单片机221、CAN控制器222、CAN总线驱动器223以及RS232串口224。工作在PeliCAN模式，29位标识符，双滤波器方式，可连接255台显微镜，根据需要，还可以更改滤波方式，支持255以上的显微镜。

显微镜控制命令分为两大类，一种命令需要所有显微镜一起执行，控制所有显微镜动作，如显微镜复位命令，可以在***启动时控制所有显微镜一起复位，做好试验准备；另外一种命令是针对单台显微镜的命令，单独需要控制某一台显微镜时起作用，因此采用双滤波方式，其中一个滤波器用于过滤所有显微镜要执行的命令，另一个滤波器用于过滤本机需要执行的命令。这样设计有较大的优越性，否则若需要控制所有显微镜执行相同的动作，就需要发送与显微镜数量相同的命令到CAN网络，不仅效率低，而且也占用了CAN网络带宽。

本实施例的显微镜网络以CAN总线网络为例，但本发明并不仅限于CAN网络，也可通过其他网络实现，如RS485、I2C等，同时也可通过无线网络的形式实现，如802.11、兰牙技术等，图5显示了一个以无线网络联网的实例，其教师显微镜71和各学生显微镜70的控制盒21中的网络接口模块214替换为相应的无线网络模块，并在教师计算机80中加入无线网卡801，在网络中加入无线网络HUB 802即可。

本实施例中，显微镜安装了电机驱动装置，驱动显微镜各部件运动，这些部件包括：载物台X方向运动、载物台Y方向运动，粗微调焦，物镜转换器，聚光镜升降、聚光镜顶部透镜翻转、孔径光栏开关、视场光栏开关、显微镜灯光亮度调节等自动控制功能。

本实施例中，显微镜动作控制模块211采用专用运动控制芯片，实现对步进电机212的加减速控制、连续运动控制、定步长运动控制、复位、限位开关检测、位置计数等功能，从而大大降低单片机210的工作量，使得单片机210主要用于对计算机以及显微镜网络的命令交互，每个运动控制芯片可控制4轴，若显微镜轴数超过4轴，还可按需要增加控制芯片数量，从而实现4轴以上显微镜运动控制；光源控制模块213用于控制显微镜灯光亮度，采用256级的数字电位器实现，通过单片机210控制数字电位器的阻值，调节显微镜光源亮度，256级的亮度细分，已经能够满足显微镜的日常使用要求，也可选用更高分辨率的数字电位器，实现更多等级的亮度细分。采用单片机加数字电位器，使得显微镜光源调节更加灵活，可实现物镜与灯光亮度的自动匹配，亮度记忆等功能，还可由上位计算机控制。

上述仅为本发明的一个具体实施例，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (10)

1、一种完全互动的显微镜教学***，包括：

多台自动控制的数码显微镜，每一数码显微镜配有驱动其各部件动作的步进电机；

多个分别与各数码显微镜连接的控制盒，各控制盒包括单片机、与单片机连接的数码显微镜运动控制模块、光源控制模块、控制杆状态捕捉模块、网络接口模块、与数码显微镜运动控制模块连接的多个步进电机驱动模块，各步进电机驱动模块分别与数码显微镜的各步进电机连接，用于控制各步进电机动作，以驱动数码显微镜动作，光源控制模块与数码显微镜的光源连接，以控制其亮度，各网络接口模块通过显微镜网络总线连接，形成一显微镜网络；

多个控制杆，分别与各控制盒中的控制杆状态捕捉模块连接，以向单片机发出控制数码显微镜动作的各种指令；

一显微镜控制台，该显微镜控制台连接到显微镜网络总线，包括显微镜选择模块和动作选择模块，显微镜选择模块用于选择所要控制的数码显微镜，动作选择模块用于控制所选定数码显微镜的执行动作。

2、如权利要求1所述的一种完全互动的显微镜教学***，还包括至少一台教师计算机，该教师计算机通过多路视频捕捉卡连接到至少一个画面分割器，每一画面分割器与一组数码显微镜的摄像***视频信号输出端连接。

3、如权利要求2所述的一种完全互动的显微镜教学***，进一步包括一网络协议转换模块，教师计算机和所述显微镜网络总线通过该网络协议转换模块连接。

4、如权利要求3所述的一种完全互动的显微镜教学***，进一步包括一计算机网络，该计算机网络包括与各数码显微镜一一对应的多台学生计算机及所述的教师计算机，各数码显微镜的控制盒中进一步包括单片机控制的串口，用于分别与各学生计算机及教师计算机通过串口进行连接。

5、如权利要求2所述的一种完全互动的显微镜教学***，进一步包括一计算机网络，该计算机网络包括与各数码显微镜一一对应的多台学生计算机及所述的教师计算机，各数码显微镜的控制盒中进一步包括单片机控制的串口，用于分别与各学生计算机及教师计算机通过串口进行连接。

6、如权利要求2所述的一种完全互动的显微镜教学***，其中，画面分割器还通过串口与计算机连接。

7、如权利要求2所述的一种完全互动的显微镜教学***，其中，一个画面分割器与十六台数码显微镜的摄像***视频信号输出端连接。

8、如权利要求2所述的一种完全互动的显微镜教学***，进一步包括一语音主控模块、多个与该语音主控模块连接的学生语音单元，语音主控模块及各学生语音单元分别连接有一耳麦，该语音主控模块与所述教师计算机通过串口连接。

9、如权利要求1所述的一种完全互动的显微镜教学***，其中，所述数码显微镜各部件的动作包括下述内容的一项或多项：载物台X、Y、Z轴方向运动，粗、微调焦，物镜转换器转换，聚光镜升降，聚光镜顶部透镜翻转，孔径光栏开关，视场光栏开关。

10、如权利要求1所述的一种完全互动的显微镜教学***，其中，所述数码显微镜的各轴上装有限位开关，各限位开关与所述控制盒中的数码显微镜运动控制模块相连。

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