順序式波長(cháng)色散X射線(xiàn)熒光光譜儀的運動(dòng)系統控制

摘要：本文介紹了一種利用LPC1766微控制器實(shí)現順序式波長(cháng)色散X射線(xiàn)熒光光譜儀的電機系統控制方案。系統分析了順序式波長(cháng)色散X射線(xiàn)熒光光譜儀的電機系統控制需求，充分利用LPC1766豐富的PWM和GPIO中斷功能，配合光電開(kāi)關(guān)的邏輯順序，控制直流電機運動(dòng)，最終實(shí)現了光譜儀中晶體、準直器和濾光片的準確定位。測試結果符合《JJG 810-1993波長(cháng)色散X射線(xiàn)熒光光譜儀檢定規程》的要求。

引言

　　順序式波長(cháng)色散X射線(xiàn)熒光光譜儀是一種重要的大型科研儀器，可以對從Be-4到U-92的所有元素進(jìn)行高含量、常量和微量檢測，廣泛應用于冶金、地質(zhì)、礦物、石油、化工、生物、醫療、刑偵、考古、環(huán)保等諸多部門(mén)和領(lǐng)域。該儀器結構復雜，涉及高壓控制、精密運動(dòng)設計、真空靜動(dòng)密封設計、高速數字信號處理以及無(wú)標樣算法等高難度技術(shù)研發(fā)工作。其中晶體、準直器、濾光片是光譜儀的重要組成部分，在《JJG 810-1993 波長(cháng)色散X射線(xiàn)熒光光譜儀檢定規程》中對這三者定位精密度有嚴格的要求，因此對它們的運動(dòng)控制方案開(kāi)發(fā)非常重要。本文研究并設計搭建了順序式波長(cháng)色散X射線(xiàn)熒光光譜儀的運動(dòng)控制系統，是基于LPC1766的電機控制方案，利用LPC1766的PWM模塊通過(guò)電機驅動(dòng)芯片DRV8412分別控制三個(gè)直流電機正反轉，再結合GPIO中斷功能和光電開(kāi)關(guān)的邏輯響應實(shí)現晶體、準直器和濾光片的精確定位。

1 順序式波長(cháng)色散X熒光光譜儀的結構、原理和運動(dòng)控制需求

　　順序式波長(cháng)色散X熒光光譜儀(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“光譜儀”)的工作原理是用X射線(xiàn)照射試樣，使試樣中的元素被激發(fā)出各自特征波長(cháng)的熒光X射線(xiàn);再通過(guò)光路設計，利用布拉格衍射原理，使用晶體將這些特征X射線(xiàn)按波長(cháng)色散開(kāi)來(lái)，并測量其強度，最終進(jìn)行定性和定量分析。它的基本結構主要是由高壓電源、X射線(xiàn)管、濾光片、原級準直器、分光晶體、二級準直器、探測器和測角儀組成。

　　在光譜儀中，濾光片的作用是消除或降低來(lái)自X射線(xiàn)管發(fā)射的原級X射線(xiàn)譜，尤其是靶材的特征X射線(xiàn)譜對待測元素的干擾，可以改善峰背比，提高分析的靈敏度。準直器分原級準直器和二級準直器兩類(lèi)。在樣品和晶體之間的準直器稱(chēng)原級準直器(又稱(chēng)為入射狹縫)，其作用是將樣品發(fā)射出的X射線(xiàn)熒光通過(guò)準直器變?yōu)槠叫泄馐丈涞骄w。晶體主要起分光作用，實(shí)際使用中需要多塊晶體以滿(mǎn)足不同的元素測試需求。光譜儀一般配備有4個(gè)濾光片、3個(gè)準直器和8個(gè)分光晶體。在分析測試樣品時(shí)，為了獲得最佳的分析結果，濾光片、準直器和晶體需要根據測試流程進(jìn)行切換。切換過(guò)程中，上述器件的重復定位精度會(huì )影響到測量結果的精密度，同時(shí)也是《檢定規程》必檢項目。

2 設計實(shí)現過(guò)程

2.1 機械設計

　　由于準直器、晶體和濾光片的運動(dòng)都是離散運動(dòng)，不需要連續性。因此，在實(shí)際的運動(dòng)系統控制過(guò)程中，主要依靠機械上的槽輪機構，在槽輪上設計有定位機構，通過(guò)彈簧和溝槽的組合，保證定位的重復性;用直流電機驅動(dòng)配合光電開(kāi)關(guān)反饋器件的實(shí)際到位情況，最終實(shí)現控制功能以達到運動(dòng)器件的切換目的。如圖1所示。

2.2 硬件設計

　　在硬件上，利用LPC1766微控制器的PWM波通過(guò)DRV8412芯片來(lái)控制電機，采用串口的方式來(lái)完成上位機和下位機的通訊。其結構框圖見(jiàn)圖2。DRV8412是具有先進(jìn)保護系統的高性能全雙橋馬達驅動(dòng)器，功率級效率可達到97%。設計中它是LPC1766與電機之間的橋梁。一個(gè)DRV8412芯片可以驅動(dòng)兩個(gè)電機，其PWM引腳和RESET引腳與微控制器LPC1766相連接。當其使能控制引腳RESET為高電平有效狀態(tài)時(shí)，相應的電機才可以被正常驅動(dòng)，改變PWM的輸出狀態(tài)就可實(shí)現電機的正反轉。利用LPC1766豐富的IO口與光電開(kāi)關(guān)連接來(lái)讀取光電開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，進(jìn)而實(shí)現運動(dòng)器件的位置判斷，來(lái)確定器件的定位情況。

2.3 軟件設計

　　在軟件上，用Keil uVision4開(kāi)發(fā)環(huán)境對LPC1766進(jìn)行固件C語(yǔ)言編碼和調試。LPC1766微控制器是ARMv7-M結構，100MHz的操作頻率，32位ARM Cortex-M3微處理器。其UART支持RS-485、豐富的IO端口和強大的電機控制功能。本設計通過(guò)對其PWM功能模塊中6路PWM的控制，輸出3對波來(lái)分別驅動(dòng)三個(gè)電機。每個(gè)電機有兩根線(xiàn)與一對PWM相連接，當正轉時(shí)，讓一個(gè)PWM波一直為低電平，另一個(gè)控制正轉的PWM呈一定占空比的矩形波輸出。當互換兩個(gè)PWM的波形輸出狀態(tài)，就會(huì )實(shí)現電機的反轉。本設計利用LPC1766豐富IO口的特點(diǎn)，通過(guò)IO口讀取光電開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，來(lái)控制電機運動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現濾光片、準直器和晶體的切換運動(dòng)。

　　LPC1766的GPIO模塊共有5個(gè)端口，可讀可寫(xiě)，其中端口0和端口2還可提供中斷的功能，可編程為上升沿、下降沿或邊沿產(chǎn)生中斷，它們與外部中斷3共用相同的NVIC通道。本設計選用端口0的下降沿中斷，將P0.0、P0.1和P0.2分別連接光電開(kāi)關(guān)08、01和04來(lái)控制三個(gè)電機實(shí)時(shí)的轉和停，再通過(guò)讀取其余端口控制的光電開(kāi)關(guān)的狀態(tài)來(lái)判斷濾光片、準直器和晶體的位置狀態(tài)，從而決定電機的運動(dòng)情況。濾光片使用三個(gè)光電開(kāi)關(guān)09、10和11電平組合情況來(lái)表示邏輯001、011、101、110和111這5種位置狀態(tài);準直器使用兩個(gè)光電開(kāi)關(guān)02和03來(lái)表示邏輯00、01和10這3種位置狀態(tài);晶體使用光電開(kāi)關(guān)05、06和07來(lái)表示邏輯000到111這8種位置狀態(tài)。運動(dòng)結構實(shí)物圖如圖3、圖4和圖5所示。

　　設計通過(guò)RS485由PC機串口發(fā)送命令給LPC1766來(lái)實(shí)現濾光片、準直器和晶體的位置選擇。實(shí)現過(guò)程中應注意串口的波特率和端口配置，這里我們用的是UART3，設定波特率為9600bps。根據RS485通訊具有兩根線(xiàn)，同一時(shí)間只能傳輸一個(gè)方向數據的特點(diǎn)，在收發(fā)數據時(shí)要對其收發(fā)使能引腳進(jìn)行相應設置，且收發(fā)狀態(tài)切換要加適當的延時(shí)，延時(shí)時(shí)間過(guò)短會(huì )使數據接收錯誤，延時(shí)時(shí)間過(guò)長(cháng)則會(huì )出現死機現象，因此延時(shí)需要根據實(shí)際選用的串口波特率來(lái)計算確定。

　　當上位機發(fā)送命令后，下位機會(huì )判斷當前的位置狀態(tài)是否是需求的位置，是就直接返回，否則使電機繼續運轉，直至所需位置后停止返回。軟件流程主框圖如圖6所示。

3 測試方法及結果

　　經(jīng)上述控制方案的設計后，按照《JJG 810-1993波長(cháng)色散X射線(xiàn)熒光光譜儀檢定規程》的要求對各器件切換的精密度進(jìn)行了檢定。精密度以20次連續重復測量的相對標準偏差RSD表示。每次測量都必須改變晶體、準直器和濾波片的位置條件。

　　RSD計算方法如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

　　式中：

I_i——i次測量的計數率;

T——測量的時(shí)間;

n——測量的次數;

——n次測量的平均計數;

S——n次測量的標準偏差。

　　連續20次測量中，如有數據超出平均值±3S，實(shí)驗應重做。

　　通過(guò)不做任何變化的計數漲落試驗、準直器重現性試驗、晶體重現性試驗和濾光片重現性試驗分別測量時(shí)間10s，交替測量20次并記錄與漲落試驗同條件的CuKα輻射的計數率值。最后與國標同行的鑒定結果和其他同類(lèi)儀器的性能對比如表1所示。

4 結論

　　基于LPC1766的電機控制設計可實(shí)現晶體、準直器和濾光片的正常切換和準確定位，且運動(dòng)穩定。PWM 具有很強的抗噪性，且有節約空間、比較經(jīng)濟等特點(diǎn)。在對電機的轉速控制方面，可大大節省能量，改變PWM的輸出波形占空比可以提高工作效率，并且不會(huì )出現控制電機停止時(shí)的過(guò)沖現象。設計中GPIO中斷功能，可實(shí)時(shí)響應來(lái)控制電機的轉和停，使系統能及時(shí)地響應外部事件的變化。本設計方案實(shí)現了順序式波長(cháng)色散X熒光光譜儀中關(guān)鍵器件的準確切換，解決了運動(dòng)系統控制難題，提高了整機測試性能，且已經(jīng)優(yōu)于國標要求。

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本文來(lái)源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第4期第59頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。