用于操作系统的控制系统和方法与流程

1.本发明主要涉及用于操作系统，例如显微镜系统(包括用于执行任务的可操作组件)，的控制系统，包括这种控制系统的系统以及用于操作这种系统的方法。


背景技术：

2.像显微镜系统之类的系统通常包括用于执行任务的多个可操作组件，例如，关于分析物体。一个典型的例子是显微镜系统，包括检测器和光源，两者必须以协调的方式进行操作。例如，光源应在特定时间以特定方式照明物体(或样品)，检测器应在上述特定时间检测从物体反射的光。
3.为了操作系统，可以通过控制系统来控制这样的可操作组件，所述控制系统通过网络或网络连接通信地连接到可操作组件。但是，这种控制系统的缺点在于，由于网络连接通常必须管理非常大量的(通信)服务和数据，并且通常必须运行许多软件堆栈，因此无法执行需要及时同步的过程。
4.所谓的时间敏感网络(tsn)的使用可以提供实时通信方面的一些改进，但是，它仍然基于网络连接，此外，所有组件都必须支持这种特定类型的网络连接。
5.因此，本发明的目的是，特别是关于时间敏感的操作，改进具有一个或几个(分布式)可操作组件的系统的控制或操作。


技术实现要素：

6.根据本发明，提出了具有独立权利要求的特征的控制系统、系统和方法。有利的改进方案形成从属权利要求和随后的说明书的主题。
7.本发明涉及一种用于操作系统的控制系统，所述系统包括用于执行任务的可操作组件。尽管本发明概念甚至与单个可操作组件一起工作，但是可以以相同方式涉及两个或更多个这样的组件。在多个可操作组件的情况下，以下描述的特征可以应用于它们中的每一个。因此，控制系统用于执行特定的作业，即许多(部分不同)的步骤和/或任务。
8.使用上述控制系统的一种优选类型的系统是显微镜系统，显微镜系统包括至少一个用于执行涉及分析物体(或样品)的任务的组件。至少一个组件可以例如从以下中选择：检测器、光源、例如用于声光组件的频率发生器、镜式检流计、以及电动机，电动机例如用于移动滤光镜、反射镜、光圈、透镜、物镜和载物台中的至少一个。而且，这些通过电动机可移动的组件中的每一个都可以用作可操作组件。通常，这种显微镜系统包括这些可操作组件中的几个。应当注意，尽管将针对显微镜系统和一些特定的可操作组件来描述本发明，但是本发明不限于这种显微镜系统。
9.控制系统包括被分配给组件的主单元和从单元。主单元和从单元各自包括软件处理部分和可编程逻辑部分。特别地，每个软件处理部分包括运行软件的微处理器，并且每个可编程逻辑部分包括现场可编程门阵列(fpga)、可编程逻辑器件(pld)或专用集成电路(asic)。
10.现场可编程门阵列(fpga)是一种集成电路，被设计为由客户或设计人员在制造后进行配置。通常，使用与用于专用集成电路(asic)相似的硬件描述语言(hdl)来指定fpga配置。以前曾使用电路图来指定配置，但是由于电子设计自动化工具的出现，这种情况越来越罕见。可编程逻辑器件(pld)是用于构建可重新配置数字电路的电子组件。与由逻辑门组成并具有固定功能的集成电路(ic或asic)不同，pld在制造时具有不确定的功能。必须先使用专用程序对pld进行编程(重新配置)，然后才能在电路中使用pld。
11.专用集成电路(asic)是为特定用途而不是一般用途定制的集成电路(ic)芯片。asic芯片通常使用金属氧化物半导体(mos)技术制造，作为mos集成电路芯片。fpga、pld和asic是众所周知的，因此在此不再赘述。
12.要注意的是，前面提到的软件处理部分的处理器或微处理器也可以由pfga(或pld或asic)制成或被提供为pfga(或pld或asic)。因此，软件处理部分和可编程逻辑部分二者可以以公共的单个物理单元，例如，物理单元fpga来提供。
13.优选地，控制系统包括将主单元的软件处理部分与从单元的软件处理部分连接的第一通信线，并且还包括将主单元的可编程逻辑部分与从单元的可编程逻辑部分连接的第二通信线。如果(主单元和从单元的)软件处理部分和(主单元和从单元的)可编程逻辑部分被布置为(或配置为)使用不同级别的协议，这也是有利的。特别地，软件处理部分可以被布置为(或被配置为)使用网络协议(优选地，是高级协议)，特别是tcp协议或类似协议，和/或可编程逻辑部分被布置以使用包括用于命令的比特或字节序列的协议或类似协议(优选地，是低级协议)。这允许一侧的软件处理部分之间以及另一侧的可编程逻辑部分之间的单独通信。网络(或高级)协议允许轻松有效地配置从单元(在软件处理部分中接收作业数据)，而低级协议允许时间同步处理(在可编程逻辑级别)。此类作业数据优选地是定义要执行的不同步骤和/或任务的数据，并且例如包括要执行的指令，以执行这样的步骤和/或任务(因为作业是例如通过要执行的步骤和/或任务定义的)。
14.此外，主单元通过其软件处理部分，被布置为(或配置为)从外部处理单元，例如(主机)pc或其他计算机或计算单元接收用于操作系统的作业数据，将作业数据转换为用于操作系统的组件的组件作业数据，并将组件作业数据发送到分配给组件的从单元。换句话说，接收来自外部源的包括用于特定作业(例如，扫描物体或样本，操作和/或漂白样本)中涉及的所有可操作组件的信息的作业数据，并且仅与特定可操作组件相关或对特定可操作组件必要的信息被选择并传送到相应的从单元。从单元通过其软件处理部分，被布置为(或被配置为)从主单元接收组件作业数据。然后，在从单元的软件处理部分中，可以将组件作业数据组合为相应组件的(组件)作业，稍后将对其进行处理。
15.此外，主单元被布置为执行与作业数据相对应的作业，并且通过其可编程逻辑部分，被布置为(或被配置为)将关于当前作业状态的信息发送到从单元。换句话说，执行作业的相关动作由主单元初始化或引起，并且主单元将当前状态，例如当前扫描的行的编号或到达行的末端(如果作业包括扫描样本或物体)，通知从单元。
16.从单元通过其可编程逻辑部分，被布置为(或配置为)从主单元接收关于当前作业状态(例如，当前扫描的行的编号或到达行的末端)的信息。此外，从单元通过其可编程逻辑部分，被布置为(或配置为)将关于当前作业状态的信息发送到从单元的软件处理部分。这样的作业状态可以包括例如关于已经到达行的末端的信息(如果作业包括对样本或物体的
扫描)。此外，从单元通过其软件处理部分，被布置为(或被配置为)使用当前作业状态来执行与组件作业数据相对应的作业。
17.这允许在从单元处或内部的自主过程。例如，从单元可以负责设置扫描过程中的光强度。然后，如果可编程逻辑部分向软件处理部分通知到达行的末端，则软件处理部分可以决定是否改变光强度(例如，如果下一行是奇数)。这意味着，从单元通过其软件处理部分优选地被布置成(或被配置为)对从其可编程逻辑部分接收到的关于当前作业状态的信息做出反应。对从其可编程逻辑部分接收到的关于当前作业状态的信息的此反应可以包括为与组件作业数据相对应的组件生成操作命令，例如设置不同的光的强度。
18.由于在可编程逻辑部分级别获得的有关当前作业状态的信息仅在从单元内传送，因此没有像网络连接这样的阶段可能会引入时间延迟等。网络或高级协议仅用于配置主单元和从单元，而在作业的过程中任何与时间相关的更改都是由低级连接和协议启动的。
19.应当注意，以此种方式，控制系统不仅可以被配置用于捕获单个图像(可能包括多行的扫描)，而且可以被配置用于具有特别是针对各个可操作组件的不同参数的许多图像，各个可操作组件可以被配置有作业。在作业开始之前，将用于此类不同配置的所有必要参数分配给单个从单元。在此过程中，仅通过从可编程逻辑部分到相应软件处理部分的通信，即通过中断，来启动配置的任何改变。
20.本发明还涉及一种系统，系统包括至少一个用于执行任务的可操作组件，优选地，两个或更多个这样的可操作组件。系统还包括根据本发明并且如上所述的控制系统。有利地，系统是显微镜系统，其中至少一个可操作组件用于执行任务是指分析物体。如前所述，至少一个可操作组件可以例如从以下中选择：检测器、光源、例如用于声光组件的频率发生器、镜式检流计、电动机，电动机例如用于移动滤光镜、反射镜、光圈、透镜、物镜和载物台中的至少一个。
21.本发明还涉及一种用于使用根据本发明的控制系统来操作诸如显微系统之类的系统的方法，所述系统包括用于执行任务的可操作组件，所述方法包括：将用于对系统进行操作的作业数据发送到主单元的软件处理部分，通过主单元的软件处理部分将作业数据转换为用于操作系统的组件的组件作业数据，将组件作业数据从主单元的软件处理部分发送到从单元的软件处理部分，由主单元执行与作业数据相对应的作业，通过主单元的可编程逻辑部分将有关当前作业状态的信息发送到从单元的可编程逻辑部分，通过从单元的可编程逻辑部分将有关当前作业状态的信息发送到从单元的软件处理部分，并通过从单元的软件处理部分使用当前作业状态执行与组件作业数据相对应的作业。优选地，所述方法进一步包括：通过从单元的软件处理部分，对从其可编程逻辑部分接收的关于组件作业状态的信息做出反应。
22.关于系统和方法的其他实施例和优点，参考上面的说明，它们相应地适用。
23.本发明还涉及一种具有程序代码的计算机程序，当计算机程序在处理器上运行时，程序代码用于执行根据本发明的方法。
24.通过说明书和附图，本发明的其他优点和实施例将变得显而易见。
25.应当注意，在不脱离本发明的范围的情况下，前述特征和以下将进一步描述的特征不仅可以以相应指示的组合使用，而且可以以其他组合或单独使用。
附图说明
26.图1示出了优选实施例中的根据本发明的系统的示意性概述图。
27.图2示意性地示出了描述优选实施例中的根据本发明的方法的流程图。
具体实施方式
28.在图1中，示出了在优选实施例中的根据本发明的系统200的示意性概述图。系统200例如是显微镜系统，并且包括控制系统100。在优选实施例中，控制系统100又是根据本发明的控制系统。
29.控制系统100包括主单元110，并且例如包括两个从单元120、130。每个从单元120、130分别被分配给系统200的组件220和230。组件220和230中的每个被布置为在显微镜系统200内执行(特定的)任务。通过示例，组件220是检测器，并且组件230是光源。因此，显微镜系统可用于通过光源230扫描物体或样品，并通过检测器220检测反射光。
30.主单元110包括软件处理部分111和可编程逻辑部分(例如，fpga)112。而且，从单元120、130中的每一个包括软件处理部分121、131和可编程逻辑部分(例如，fpga)122、132。主单元110的软件处理部分111通过第一通信线141与从单元120、130的每个软件处理部分121、131连接，第一通信线141使得双向通信成为可能并且被配置用于例如高级协议，特别是tcp协议。主单元110的可编程逻辑部分112通过第二通信线142与从单元120、130的每个可编程逻辑部分122、132连接，第二通信线142被配置用于例如使用比特或字节序列作为命令的低级协议。
31.主单元110的软件处理部分111通过第三通信线143连接到外部处理单元300，例如(主机)pc或计算机等，第三通信线143实现双向通信并且被配置用于例如tcp协议。从单元120被分配给检测器220，因此，从单元120还被配置为控制检测器220，检测器特别地包括从检测器接收图像数据和/或控制检测器何时获取图像和/或设置检测器的特定参数，例如曝光时间等。从单元130被分配给光源230，并且因此，从单元130还被配置为控制光源230，其特别地包括设置光强度和/或打开和关闭光源和/或在x和/或y方向上移动光点。
32.将参照图2的流程图描述控制系统100的可操作组件的特定特征和任务。
33.在图2中，示出了流程图，其示意性地描述了优选实施例中的根据本发明的方法。要注意的是，至少部分地，关于该方法描述的特征也适用于控制系统，特别是当控制系统被布置为执行与方法步骤相对应的特定任务。通过举例来说，物体或样品应通过显微镜系统进行分析，显微镜系统使用光源在多行中扫描物体。
34.在方法或控制系统内要执行的任务在图2中用步骤或块表示。关于不同的实体(主单元和从单元的软件处理部分和可编程逻辑部分)以及要执行的任务，应注意以下几点：在图2中，在主单元的软件处理部分上或由主单元的软件处理部分执行的任务以矩形的块的形式显示，在从单元的软件处理部分上或由从单元的软件处理部分执行的任务被示为作为带有圆角的矩形的块，在主单元的可编程逻辑部分上或由其执行的任务被示出为梯形的块，而在从单元的可编程逻辑部分上或由其执行的任务被示出为菱形的块。
35.在步骤s100中，在主机pc处定义要用(显微镜)系统执行的作业。对于本示例，作业可以包括并定义扫描物体的方式，例如，要扫描的行数、行的长度、扫描以及行的x和/或y维度，以及检测器的曝光时间以及用于特定行的光强度。同样，作业可以包括要获取的几张图
像，不同的图像具有不同的参数。
36.在步骤s102中，在主机pc上创建的作业数据被传送或发送到主单元的软件处理部分，以及主单元的软件处理部分接收此作业数据。
37.在步骤s104中，通过主单元的软件处理部分对接收到的作业数据进行分析并将其转换为组件作业数据。也就是说，从(通用)作业数据中选择与每个从单元相关或对从单元必需的信息和/或数据。对于本示例，此步骤可以包括选择与光强度相关的所有作业数据并将其放入光源的组件作业数据中。
38.在步骤s106中，将组件作业数据从主单元的软件处理部分发送或传送到从单元的软件处理部分。在步骤s108中，通过相应的软件处理部分在每个从单元处或在每个从单元中分析从主单元接收的组件作业数据。在步骤s110中，从组件作业数据为相应从单元创建作业。例如，这是包括准备用于控制光源等的参数，使得可以根据要求开始作业的特定计划。在步骤s112中，每个从单元使其自身(如果适用的话)订阅诸如扫描仪事件之类的相关事件，所述事件将在处理期间从可编程逻辑部分接收到(也参见下面的步骤s120)。这样的事件可以包括例如在扫描期间到达行的末端。在步骤s114，从单元准备好(或预备好)开始作业。
39.在步骤s116中，与作业数据相对应的作业由主单元执行，并且在步骤s118中，关于当前作业状态的信息通过主单元的可编程逻辑部分被发送至每个从单元的可编程逻辑部分。只要作业需要就执行此步骤s118，并且步骤s118在作业完成时结束。以此方式，主单元将当前作业状态，例如，当前扫描状态通知给从单元。例如，主单元(特别是在可编程逻辑级别)将改变到新的行进行扫描通知给从单元。
40.在步骤s118(如前所述，持续到作业的结束)期间，在步骤s120中，每个从单元的可编程逻辑部分从主单元接收事件(见上文)，并且此外，还发送关于当前作业状态的信息到(相同)从单元的软件处理部分，这些对应于或属于某种中断。关于当前作业状态的此类信息可以包括，例如，(到达)行的开始，(到达)行的结束，(到达)要捕获的图像的开始，(到达)要捕获的图像的结束，开始新的一行(在扫描过程中)，作业的开始和作业的结束。
41.基于关于当前作业状态的此信息，即在作业的过程中与相应组件(如光源)相关的任何更改，通过从单元的软件处理部分执行与组件作业数据相对应的作业。
42.先前创建的要由特定从单元执行的作业(参见步骤s108至s114)基本上存在于从单元的软件处理部分。但是，作业所需的任何动作由从相应的可编程逻辑部分接收到的有关当前作业状态的信息触发。接下来的几个步骤将提供一个示例。
43.在步骤s122中，从单元的软件处理部分(重复地或连续地)执行是否已经到达要扫描的行的末端的检查。如之前关于步骤s120所描述的，从可编程逻辑部分接收到已经到达行的末端的信息。当到达该行的末端时，则在步骤s124中，从单元的软件处理部分检查下一个要扫描的行是否具有奇数行编号(这是可能的，因为在从单元的软件处理部分中出现的组件作业数据包含此信息)。
44.如果要扫描的下一行没有奇数行编号(即，它具有偶数行编号)，则在步骤s126中，将光源的强度设置为100％。如果要扫描的下一行确实具有奇数行编号，则在步骤s128中，将光源的强度设置为50％。换句话说，软件处理部分对从可编程逻辑部分接收到的关于当前作业状态的信息做出反应，并且从而可以处理来自可编程逻辑部分的中断。
45.以相同的方式，可编程逻辑部分可以将作业的开始、行的其他末端、作业的结束、新作业的开始以及例如将要获取的另一种图像等通知给相应的软件处理部分。
46.除了要获取的二维图像外，此类作业数据还可以包括定义要扫描的空间中的特定几何形状，如球体。作业数据还可以包括在到达行的末端或图像的末端时收集图像数据。而且，作业数据可以包括例如在将扫描光复位到下一行的开始期间获取常规成像的范围之外的图像的任务。
47.总而言之，本发明提供了通过主机pc等来定义将由具有适当的可操作组件，例如光源和检测器的(显微镜)系统执行的特定作业，将此作业(数据)传送到主单元，将相关的组件作业数据分配给已分配给可操作组件的相应从单元，并在作业完全分配后以自主方式执行作业的可能性。在上述过程中，任何通信都限于从控制系统到主机pc的通信，但是在各个组件或相应控制单元(从单元)之间的(实时)通信不是必要的。
48.方法步骤中的一些或全部可以通过(或使用)硬件装置，例如，处理器、微处理器、可编程计算机或电子电路来执行。在一些实施例中，这种装置可以执行一些最重要的方法步骤中的一个或多个。
49.取决于某些实施要求，本发明的实施例可以以硬件或软件来实施。可以使用非暂时性存储介质，例如数字存储介质，例如软盘、dvd、蓝光、cd、rom、prom和eprom、eeprom或flash存储器执行实现，其上存储有电子可读控制信号，电子可读控制信号与可编程计算机系统协作(或能够协作)，从而执行相应的方法。因此，数字存储介质可以是计算机可读的。
50.根据本发明的一些实施例包括具有电子可读控制信号的数据载体，电子可读控制信号能够与可编程计算机系统协作，从而执行本文描述的方法之一。
51.通常，本发明的实施例可以被实现为具有程序代码的计算机程序产品，当计算机程序产品在计算机上运行时，该程序代码可用于执行一种方法。程序代码可以例如被存储在机器可读载体上。
52.其他实施例包括存储在机器可读载体上的，用于执行本文描述的方法之一的计算机程序。
53.换句话说，因此，本发明的实施例是一种计算机程序，其具有当计算机程序在计算机上运行时用于执行本文描述的方法之一的程序代码。
54.因此，本发明的另一个实施例是存储介质(或数据载体，或计算机可读介质)，其包括存储在其上的计算机程序，该计算机程序用于在由处理器执行时执行本文所述的方法之一。数据载体、数字存储介质或记录介质通常是有形的和/或非暂时性的。本发明的另一个实施例是如本文所述的装置，其包括处理器和存储介质。
55.因此，本发明的另一实施例是表示用于执行本文描述的方法之一的计算机程序的数据流或信号序列。数据流或信号序列可以例如被配置为经由数据通信连接，例如经由互联网来传送。
56.另一实施例包括处理装置，例如计算机或可编程逻辑设备，其被配置为或适于执行本文描述的方法之一。
57.另一实施例包括计算机，具有安装于其上的用于执行本文描述的方法之一的计算机程序。
58.根据本发明的另一实施例包括装置或系统，此装置或系统被配置为(例如，以电子
方式或光学方式)将用于执行本文描述的方法之一的计算机程序传送给接收器。接收器可以是例如计算机、移动设备、存储设备等。装置或系统可以例如包括用于将计算机程序传送到接收器的文件服务器。
59.在一些实施例中，可编程逻辑器件(例如，现场可编程门阵列)可以用于执行本文描述的方法的一些或全部功能。在一些实施例中，现场可编程门阵列可以与微处理器协作以便执行本文描述的方法之一。通常，上述方法优选地由任何硬件装置执行。