基于STM32的焊縫底片數(shù)字化儀硬件設(shè)計(jì)

摘要：針對焊縫缺陷X射線實(shí)時(shí)自動(dòng)檢測技術(shù)普遍存在誤檢高的問題，研制了焊縫缺陷X射線實(shí)時(shí)自動(dòng)檢測系統(tǒng)，提出了工業(yè)膠片智能檢測系統(tǒng)中采集和控制的同步問題的研究方法，設(shè)計(jì)了步進(jìn)電機(jī)的控制方法與光電編碼器采集方法，采用Cortex—M3內(nèi)核的STM32進(jìn)行步進(jìn)電機(jī)速度的采集與電機(jī)速度PID控制，同時(shí)，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)夾持機(jī)構(gòu)使膠片相對CCD運(yùn)動(dòng)，線陣CCD開始采集圖像。只要CCD的線頻率與掃描機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度同步，就可以采集到?jīng)]有畸變的圖像，運(yùn)用LMD18245全橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等器件以及設(shè)計(jì)所需的相關(guān)軟件的使用。在此基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)、編程和調(diào)試，該系統(tǒng)在壓力管道焊縫缺陷實(shí)時(shí)自動(dòng)檢測中驗(yàn)證了其正確性和有效性。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的日益普及，計(jì)算機(jī)輔助評片系統(tǒng)愈來愈受檢測人的青睞。針對膠片的氣孔缺陷，設(shè)計(jì)了計(jì)算機(jī)輔助評片，并進(jìn)行自動(dòng)分級。為了保證缺陷智能檢測中線陣CCD相機(jī)對膠片的數(shù)字化處理準(zhǔn)確無失真，文中設(shè)計(jì)采用ARM處理器STM32F103C8T6為核心，光電編碼器接入電路，電機(jī)驅(qū)動(dòng)選用LMD18245芯片，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)控制掃描機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度與線陣CCD線頻率的匹配，從而確保工業(yè)膠片數(shù)字化和同步只能檢測的準(zhǔn)確無誤，為未來工業(yè)射線檢測提供重要保障和技術(shù)支持。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用STM32F103作為集成控制芯片，增量式光電編碼器作為采集啟動(dòng)信號(hào)，接收到由增量式編碼器發(fā)出的A、B相信號(hào)，再由STM32 F103對步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)脈沖信號(hào)，利用脈沖計(jì)數(shù)方式控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，再用電機(jī)驅(qū)動(dòng)器帶動(dòng)電機(jī)進(jìn)行加工。增量式編碼器在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，可連續(xù)輸出與旋轉(zhuǎn)角度對應(yīng)的脈沖數(shù)，靜止?fàn)顟B(tài)不輸出脈沖。計(jì)算其步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，利用步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)和PID控制算法調(diào)整傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的速度，最終實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的精確控制，電機(jī)同步系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

步進(jìn)電機(jī)總體控制設(shè)計(jì)采用兩相四線的步進(jìn)電機(jī)，ARM控制器給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器一個(gè)脈沖信號(hào)和方向信號(hào)，并利用驅(qū)動(dòng)電路中的細(xì)分功能，經(jīng)過功率放大和環(huán)形分配器，驅(qū)使步進(jìn)電機(jī)繞組精確運(yùn)轉(zhuǎn)，采用細(xì)分控制電路，能夠降低工作噪音，減少震動(dòng)，消除步進(jìn)電機(jī)的低頻共振，改善步進(jìn)電機(jī)工作的旋轉(zhuǎn)位移分辨率。

2.1 光電編碼器

光電編碼器在電機(jī)控制中可以用來測量電機(jī)轉(zhuǎn)子的磁場位置和機(jī)械位置以及轉(zhuǎn)子的磁場和機(jī)械位置的變化速度與變化方向。可以利用定時(shí)器/計(jì)數(shù)器配合光電編碼器的輸出脈沖信號(hào)來測量電機(jī)的轉(zhuǎn)速。其測速原理是在規(guī)定的檢測時(shí)間Tc內(nèi)，對光電編碼器輸出的脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)的測速方法。

設(shè)在時(shí)間T內(nèi)，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過的弧度數(shù)為XT，則轉(zhuǎn)速可由下式表示：

相關(guān)參數(shù)如表1所示。

2.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)及細(xì)分電路

驅(qū)動(dòng)電路選用兩片LMD18245作為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，用來驅(qū)動(dòng)兩相四線步進(jìn)電機(jī)，它與STM32F103主要硬件控制連接圖如圖2所示。

步進(jìn)電機(jī)必須有驅(qū)動(dòng)器和控制器才能正常工作，驅(qū)動(dòng)器的作用是對控制脈沖進(jìn)行功率放大，環(huán)形分配，為了更加精確有效的控制步進(jìn)電機(jī)，改善步進(jìn)電機(jī)工作的旋轉(zhuǎn)位移分辨率，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用細(xì)分功能，LMD18245電源電壓12 V供電，固有步距腳1.8°，電機(jī)齒數(shù)50 W，DIRECTION為方向邏輯輸入引腳。邏輯控制功能，BRAKE為急停信號(hào)，為D/A轉(zhuǎn)換器的參考電壓，設(shè)置為5 V，M1-M4為D/A轉(zhuǎn)換器的二進(jìn)制數(shù)字輸入端，可以改變細(xì)分?jǐn)?shù)，此設(shè)計(jì)采用4細(xì)分驅(qū)動(dòng)，因此細(xì)分后步距角=電機(jī)固有步距角/細(xì)分?jǐn)?shù)，其步距角為1.8°/4=0.45°，也就相當(dāng)于每來一個(gè)脈沖走0.45°，當(dāng)細(xì)分等級大于1/4后，電機(jī)的定位精度并不能提高，只是電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)更平穩(wěn)。通過對步進(jìn)電機(jī)的精確，平穩(wěn)控制，可以使其和線陣CCD相機(jī)的采集頻率表相互匹配最終達(dá)到精確檢測的目的。

3 軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件主要由六部分，分別為主控程序，增量式PID速度控制程序，串口收發(fā)程序，外部中斷程序，位移，速度計(jì)算程序，步進(jìn)電機(jī)正反控制程序。設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示。

步進(jìn)電機(jī)上電初始化后，對膠片位移和速度進(jìn)行測量和計(jì)算，并利用增量式PID控制步進(jìn)電機(jī)的移動(dòng)速度，串口進(jìn)行對電機(jī)方向，目標(biāo)位置，PID參數(shù)的設(shè)定，當(dāng)膠片開始移動(dòng)后，控制器將對編碼器進(jìn)行計(jì)數(shù)進(jìn)行位移計(jì)算和速度計(jì)算，并調(diào)用PID算法。

PreU=Kax[(Dreeor+betaxKbxek+KcxPreDerror)] (4)

計(jì)算誤差，更新電機(jī)轉(zhuǎn)速的輸出值，為了使線陣CCD線頻率與掃描機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度相匹配，已知步進(jìn)電機(jī)步距角T，細(xì)分?jǐn)?shù)N，頻率f，可以計(jì)算得到步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

進(jìn)而轉(zhuǎn)化為Vr=RxVm，線陣CCD的線頻率fc=VrxL，其中L為每個(gè)CCD像素的成像代表物面上的尺寸。從而更新膠片相對于CCD鏡頭的位置進(jìn)行成像，最終實(shí)現(xiàn)對X膠片的數(shù)字化精確采集。

4 結(jié)束語

文中設(shè)計(jì)了基于STM32的底片數(shù)字化儀硬件電路，重點(diǎn)描述了電機(jī)同步控制電路，通過利用驅(qū)動(dòng)細(xì)分技術(shù)對步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，使線陣CCD相機(jī)的掃描速率和膠片傳動(dòng)機(jī)構(gòu)速率相匹配，實(shí)踐證明，采用以上設(shè)計(jì)方法可以獲得更加準(zhǔn)確、清晰、無失真的數(shù)字化底片圖像。