X射线检测仪控制系统的设计

摘要：基于提高X射线检测仪稳定性与智能控制水平的目的，对其控制系统进行了设计。描述了该控制系统的组成结构，给出了电路原理图。整个控制系统由运动控制单元、高压控制单元以及面板控制单元组成，并采用微控制器、数字隔离器、CAN总线、冗余设计、高精度模数／数模转换器等器件与技术进行控制系统的硬件设计，从而保证了系统的稳定性与智能控制水平。描述了该控制系统的软件设计思想，给出了流程图。本控制系统已成功应用于X射线检测仪中，实验结果表明，该系统运行稳定可靠，达到X射线检测仪的控制要求。
关键词：X射线检测仪；微控制器；CAN总线；冗余设计

    随着新型器件封装的快速发展，电子器件趋向体积小、质量轻、引线间距小，同时高密度贴装电路板、密集端脚布线均使得焊接缺陷增加，愈来愈多的不可见焊点缺陷使检测更具挑战性，常规显示放大目测检验已不能满足需求。这对表面安装技术(SMT)及检测提出了更高的要求。而X射线焊点无损检测技术则可以满足需求，它与计算机图像处理技术相结合，对SMT上的焊点、PCB内层和器件内部连线进行高分辨率的检测。X射线检测对没有检测点的BGA封装尤其重要，其焊锡球内的空腔以及漏掉焊锡球，或焊锡球错位，只能通过X射线检测(AXI，Automat-ic X-ray Inspection)系统检测出来。

1 X射线检测仪整体结构
    整个检测仪由光机系统、软件系统、控制系统等3个单元组成，如图1所示。光机系统由X射线管、图像增强器、X射线CCD成像器、移动平台等组成，主要完成图像采集、载物台三维空间移动等功能；软件系统是整个检测仪的神经中枢，实现图像分析、操作控制等功能；控制单元则是整个检测仪的执行者，它根据计算机指令来完成载物台的移动控制、X射线的强度控制，以及控制面板信息采集等功能。

2 X射线检测仪控制系统
    X射线检测仪控制系统由运动控制A、运动控制B、高压控制和面板控制等4个单元组成，其整体框图如图2所示。

    其中，计算机组成整个控制系统的操作界面，负责发送控制命令和接受各个控制单元的状态信息，以便监控整个系统的运行状态；运动控制单元A负责控制载物台X方向步进电机与光管上下步进电机的运行，以及光电开关信号采集；运动控制单元B负责控制载物台Y方向步进电机与像增强器步进上下步进电机的运行，以及光电开关信号采集；高压控制单元负责对X光管高压电源进行控制，以及X光管环境温度的采集；面板控制单元则是负责采集运动摇杆、控制按钮的状态信息，以及控制载物台旋转。
2．1 共有模块
2．1．1 微控制器(MCU)
    X射线检测仪控制系统各个单元在电路设计中都有一些共有模块，其中4个单元都采用Infineon 16位微控制器系列中的XC164CS作为每个单元的控制芯片。Infineon系列微控制器在汽车助力转向、发动机点火控制、车身控制以及汽车安全控制方面有广泛的应用，适应在恶劣环境下工作，是汽车电子领域的主流高档单片机品牌之一，并且现在也广泛应用于工业自动控制领域，所以选用这款微控制器能提高控制系统的稳定性和抗干扰能力。
2．1．2 IO隔离
    每个控制单元的MCU与外围芯片之间都采用ADI公司iCoupler系列数字隔离器进行数字隔离。基于iCoupler工艺的数字隔离器在集成度、性能、功耗、易用性和可靠性方面都要优于光耦合器，高达到5 000 Vrms高压隔离性能，并且iCoupler器件是配套齐全的器件，除了常用的旁路电容以外无需外部元件，同时能以较高的数据速率(达100 Mbps)和较短的传播延迟(18 ns)比较快速地工作，它们还具有延长的工作寿命，不存在LED的耗坏问题。因此选用iCoupler系列数字隔离器作为IO数字隔离，能进一步提高控制系统的稳定性和抗干扰能力。
2．1．3 CAN总线
    CAN总线是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。由于CAN总线具有通信速率高、开放性好、报文短、纠错能力强以及控制简单、扩展能力强、系统成本低等特点，越来越受到人们的关注，应用的领域也越来越广。所以选用CAN总线作为整个控制系统的总线。
    CAN节点一般采取CAN控制器或CAN接口芯片和总线驱动器构成，具体有3种构成形式：1)独立CAN通信控制器和驱动器构成；2)带控制功能的I／O器件和CAN驱动器构成；3)带在片CAN微控制器和CAN驱动器构成。本系统采用第3种形式，有利于简化电路设计，在冗余设计时便于程序控制，如图3所示。

    CAN冗余有完全冗余和部份冗余两种。完全冗余就是双控制器冗余：双控制器+双驱动器+双总线。部分冗余有两种形式：1)双驱动器冗余：单控制器+模拟开关+双驱动器+双总线；2)双总线冗余：单控制器+单驱动器+模拟开关+双总线。而XC164CS采用了强大的增强的C166S V2内核架构并带有TwinCAN模块，其包含两个可以独立操作的CAN节点，完全能履行CAN2．0B规范，所以本系统采用部分冗余中的双驱动冗余，这样的冗余设计增强了控制系统稳定性。

2．2 运动控制单元
    步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构，可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到精确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。X射线检测仪共有4个步进电机，采用日本东方电机AS66AC步进电机，分别控制载物台的二维移动、X射线管上下移动、以及像增强器和X射线CCD成像器的上下移动，它们是整个检测系统的运动完成单元，所以步进电机的驱动至关重要。

    步进电机驱动电路主要由微控制器、数字隔离器、锁存器和放大电路组成，利用微控制器的I／O端口，通过数字隔离器ADUM5401隔离，经74HC573锁存，由ULN2803放大来驱动步进电机驱动器，如图4所示。同时收集步进电机驱动器的End信号，以判断电机定位是否完成，确保电机正常运行。

2．3 高压控制单元
    X射线源的控制实质上是控制X射线管的管电压和灯丝电流，也就是控制管电压高压电源和灯丝电流电源。本系统采用杭州源谷TXR1010系列X射线高压电源，它需要两路0～10V电压分别控制管电压、灯丝电流，同时需要对实际管电压、灯丝电流进行采样，检测高压电源是否正常工作。而X射线的稳定性对成像质量相当重要，所以需要选择一款高性能DAC做为高压电源0～10 V模拟量输入，一款高性能ADC对高压电源进行模拟量采样。
    AD5422是一款单通道16 bit DAC，通过软件可选择其输出配置，在电压模式下其输出选择范围为5 V，10 V，±5 V和±10 V；在电流模式下其输出选择范围为4～20 mA，0～20 mA和0～24 mA。因此选择这款DAC作为X射线高压电源管电压、灯丝电流的控制输入，原理图如图5所示。而AD7793适合高精度测量应用的低功耗、低噪声、完整模拟前端，内置一个低噪声24位∑-△型ADC，其中含有3个差分模拟输入，还集成了片内低噪声仪表放大器，可直接输入小信号。因此选择这款ADC对实际管电压、灯丝电流进行采样，原理图如图6所示。

3 软件设计
    X射线检测仪控制系统是在MCU基础上进行开发的，其软件设计也就是对MCU进行程序编写。X射线检测仪控制系统由4个单元组成，所以本系统软件设计则是对这4个单元MCU进行程序编写。从各个单元实现功能上分析：运动控制单元和高压控制单元通过CAN总线接收计算机的控制命令，面板控制单元通过CAN总线来发送摇杆与按钮状态信息给计算机，因此程序编写可以分为数据接收和数据发送两种模式。
    数据接收模式是指MCU不会主动发出控制指令，只有通过CAN总线接收到计算机控制指令后，才会进行相关操作，其流程图如图7所示。例如对步进电机进行控制，运动控制单元会一直等待着计算机的控制命令(即CAN接收中断)，如果有控制命令产生，则进入CAN中断，置接收状态标志位，接着退出中断，然后判断相关指令是否为控制步进电机，如果是，则对步进电机进行控制。

    数据发送模式是指当状态信息有数据更新时，将通过CAN总线把更新的状态发送给计算机，其流程图如图8所示。例如当有一状态按钮按下，这时MCU会检测到这个变化，同时去请求数据的发送，如果CAN发送缓冲器释放，则装载需要发送的状态数据，然后通过CAN总线发送到计算机。

4 总结
    X射线检测仪控制系统已经实现并完成联调，满足了X射线检测仪对控制系统可靠性和灵活性等高要求。同时实现了控制系统各单元相对独立，各单元之间的连线简洁，系统操作简单，使用可靠，在使用中取得了良好的效果。由于微控制器、数字隔离器、CAN总线、冗余设计、高精度模数／数模转换器等器件与技术的应用，使X射线检测仪的稳定性、抗干扰能力、智能控制水平进一步提高。