X射線檢測儀控制系統(tǒng)的設計

摘要：基于提高X射線檢測儀穩(wěn)定性與智能控制水平的目的，對其控制系統(tǒng)進行了設計。描述了該控制系統(tǒng)的組成結構，給出了電路原理圖。整個控制系統(tǒng)由運動控制單元、高壓控制單元以及面板控制單元組成，并采用微控制器、數(shù)字隔離器、CAN總線、冗余設計、高精度模數(shù)／數(shù)模轉換器等器件與技術進行控制系統(tǒng)的硬件設計，從而保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與智能控制水平。描述了該控制系統(tǒng)的軟件設計思想，給出了流程圖。本控制系統(tǒng)已成功應用于X射線檢測儀中，實驗結果表明，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，達到X射線檢測儀的控制要求。
關鍵詞：X射線檢測儀；微控制器；CAN總線；冗余設計

    隨著新型器件封裝的快速發(fā)展，電子器件趨向體積小、質量輕、引線間距小，同時高密度貼裝電路板、密集端腳布線均使得焊接缺陷增加，愈來愈多的不可見焊點缺陷使檢測更具挑戰(zhàn)性，常規(guī)顯示放大目測檢驗已不能滿足需求。這對表面安裝技術(SMT)及檢測提出了更高的要求。而X射線焊點無損檢測技術則可以滿足需求，它與計算機圖像處理技術相結合，對SMT上的焊點、PCB內(nèi)層和器件內(nèi)部連線進行高分辨率的檢測。X射線檢測對沒有檢測點的BGA封裝尤其重要，其焊錫球內(nèi)的空腔以及漏掉焊錫球，或焊錫球錯位，只能通過X射線檢測(AXI，Automat-ic X-ray Inspection)系統(tǒng)檢測出來。

1 X射線檢測儀整體結構
    整個檢測儀由光機系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等3個單元組成，如圖1所示。光機系統(tǒng)由X射線管、圖像增強器、X射線CCD成像器、移動平臺等組成，主要完成圖像采集、載物臺三維空間移動等功能；軟件系統(tǒng)是整個檢測儀的神經(jīng)中樞，實現(xiàn)圖像分析、操作控制等功能；控制單元則是整個檢測儀的執(zhí)行者，它根據(jù)計算機指令來完成載物臺的移動控制、X射線的強度控制，以及控制面板信息采集等功能。

2 X射線檢測儀控制系統(tǒng)
    X射線檢測儀控制系統(tǒng)由運動控制A、運動控制B、高壓控制和面板控制等4個單元組成，其整體框圖如圖2所示。

    其中，計算機組成整個控制系統(tǒng)的操作界面，負責發(fā)送控制命令和接受各個控制單元的狀態(tài)信息，以便監(jiān)控整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)；運動控制單元A負責控制載物臺X方向步進電機與光管上下步進電機的運行，以及光電開關信號采集；運動控制單元B負責控制載物臺Y方向步進電機與像增強器步進上下步進電機的運行，以及光電開關信號采集；高壓控制單元負責對X光管高壓電源進行控制，以及X光管環(huán)境溫度的采集；面板控制單元則是負責采集運動搖桿、控制按鈕的狀態(tài)信息，以及控制載物臺旋轉。[!--empirenews.page--]
2．1 共有模塊
2．1．1 微控制器(MCU)
    X射線檢測儀控制系統(tǒng)各個單元在電路設計中都有一些共有模塊，其中4個單元都采用Infineon 16位微控制器系列中的XC164CS作為每個單元的控制芯片。Infineon系列微控制器在汽車助力轉向、發(fā)動機點火控制、車身控制以及汽車安全控制方面有廣泛的應用，適應在惡劣環(huán)境下工作，是汽車電子領域的主流高檔單片機品牌之一，并且現(xiàn)在也廣泛應用于工業(yè)自動控制領域，所以選用這款微控制器能提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力。
2．1．2 IO隔離
    每個控制單元的MCU與外圍芯片之間都采用ADI公司iCoupler系列數(shù)字隔離器進行數(shù)字隔離?；趇Coupler工藝的數(shù)字隔離器在集成度、性能、功耗、易用性和可靠性方面都要優(yōu)于光耦合器，高達到5 000 Vrms高壓隔離性能，并且iCoupler器件是配套齊全的器件，除了常用的旁路電容以外無需外部元件，同時能以較高的數(shù)據(jù)速率(達100 Mbps)和較短的傳播延遲(18 ns)比較快速地工作，它們還具有延長的工作壽命，不存在LED的耗壞問題。因此選用iCoupler系列數(shù)字隔離器作為IO數(shù)字隔離，能進一步提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力。
2．1．3 CAN總線
    CAN總線是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網(wǎng)絡。由于CAN總線具有通信速率高、開放性好、報文短、糾錯能力強以及控制簡單、擴展能力強、系統(tǒng)成本低等特點，越來越受到人們的關注，應用的領域也越來越廣。所以選用CAN總線作為整個控制系統(tǒng)的總線。
    CAN節(jié)點一般采取CAN控制器或CAN接口芯片和總線驅動器構成，具體有3種構成形式：1)獨立CAN通信控制器和驅動器構成；2)帶控制功能的I／O器件和CAN驅動器構成；3)帶在片CAN微控制器和CAN驅動器構成。本系統(tǒng)采用第3種形式，有利于簡化電路設計，在冗余設計時便于程序控制，如圖3所示。

    CAN冗余有完全冗余和部份冗余兩種。完全冗余就是雙控制器冗余：雙控制器+雙驅動器+雙總線。部分冗余有兩種形式：1)雙驅動器冗余：單控制器+模擬開關+雙驅動器+雙總線；2)雙總線冗余：單控制器+單驅動器+模擬開關+雙總線。而XC164CS采用了強大的增強的C166S V2內(nèi)核架構并帶有TwinCAN模塊，其包含兩個可以獨立操作的CAN節(jié)點，完全能履行CAN2．0B規(guī)范，所以本系統(tǒng)采用部分冗余中的雙驅動冗余，這樣的冗余設計增強了控制系統(tǒng)穩(wěn)定性。

2．2 運動控制單元
    步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執(zhí)行機構，可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到精確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。X射線檢測儀共有4個步進電機，采用日本東方電機AS66AC步進電機，分別控制載物臺的二維移動、X射線管上下移動、以及像增強器和X射線CCD成像器的上下移動，它們是整個檢測系統(tǒng)的運動完成單元，所以步進電機的驅動至關重要。

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    步進電機驅動電路主要由微控制器、數(shù)字隔離器、鎖存器和放大電路組成，利用微控制器的I／O端口，通過數(shù)字隔離器ADUM5401隔離，經(jīng)74HC573鎖存，由ULN2803放大來驅動步進電機驅動器，如圖4所示。同時收集步進電機驅動器的End信號，以判斷電機定位是否完成，確保電機正常運行。

2．3 高壓控制單元
    X射線源的控制實質上是控制X射線管的管電壓和燈絲電流，也就是控制管電壓高壓電源和燈絲電流電源。本系統(tǒng)采用杭州源谷TXR1010系列X射線高壓電源，它需要兩路0～10V電壓分別控制管電壓、燈絲電流，同時需要對實際管電壓、燈絲電流進行采樣，檢測高壓電源是否正常工作。而X射線的穩(wěn)定性對成像質量相當重要，所以需要選擇一款高性能DAC做為高壓電源0～10 V模擬量輸入，一款高性能ADC對高壓電源進行模擬量采樣。
    AD5422是一款單通道16 bit DAC，通過軟件可選擇其輸出配置，在電壓模式下其輸出選擇范圍為5 V，10 V，±5 V和±10 V；在電流模式下其輸出選擇范圍為4～20 mA，0～20 mA和0～24 mA。因此選擇這款DAC作為X射線高壓電源管電壓、燈絲電流的控制輸入，原理圖如圖5所示。而AD7793適合高精度測量應用的低功耗、低噪聲、完整模擬前端，內(nèi)置一個低噪聲24位∑-△型ADC，其中含有3個差分模擬輸入，還集成了片內(nèi)低噪聲儀表放大器，可直接輸入小信號。因此選擇這款ADC對實際管電壓、燈絲電流進行采樣，原理圖如圖6所示。

3 軟件設計
    X射線檢測儀控制系統(tǒng)是在MCU基礎上進行開發(fā)的，其軟件設計也就是對MCU進行程序編寫。X射線檢測儀控制系統(tǒng)由4個單元組成，所以本系統(tǒng)軟件設計則是對這4個單元MCU進行程序編寫。從各個單元實現(xiàn)功能上分析：運動控制單元和高壓控制單元通過CAN總線接收計算機的控制命令，面板控制單元通過CAN總線來發(fā)送搖桿與按鈕狀態(tài)信息給計算機，因此程序編寫可以分為數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)發(fā)送兩種模式。
    數(shù)據(jù)接收模式是指MCU不會主動發(fā)出控制指令，只有通過CAN總線接收到計算機控制指令后，才會進行相關操作，其流程圖如圖7所示。例如對步進電機進行控制，運動控制單元會一直等待著計算機的控制命令(即CAN接收中斷)，如果有控制命令產(chǎn)生，則進入CAN中斷，置接收狀態(tài)標志位，接著退出中斷，然后判斷相關指令是否為控制步進電機，如果是，則對步進電機進行控制。

    數(shù)據(jù)發(fā)送模式是指當狀態(tài)信息有數(shù)據(jù)更新時，將通過CAN總線把更新的狀態(tài)發(fā)送給計算機，其流程圖如圖8所示。例如當有一狀態(tài)按鈕按下，這時MCU會檢測到這個變化，同時去請求數(shù)據(jù)的發(fā)送，如果CAN發(fā)送緩沖器釋放，則裝載需要發(fā)送的狀態(tài)數(shù)據(jù)，然后通過CAN總線發(fā)送到計算機。

4 總結
    X射線檢測儀控制系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)并完成聯(lián)調(diào)，滿足了X射線檢測儀對控制系統(tǒng)可靠性和靈活性等高要求。同時實現(xiàn)了控制系統(tǒng)各單元相對獨立，各單元之間的連線簡潔，系統(tǒng)操作簡單，使用可靠，在使用中取得了良好的效果。由于微控制器、數(shù)字隔離器、CAN總線、冗余設計、高精度模數(shù)／數(shù)模轉換器等器件與技術的應用，使X射線檢測儀的穩(wěn)定性、抗干擾能力、智能控制水平進一步提高。