基于STM32的焊縫底片數字化儀硬件設計

摘要：針對焊縫缺陷X射線(xiàn)實(shí)時(shí)自動(dòng)檢測技術(shù)普遍存在誤檢高的問(wèn)題，研制了焊縫缺陷X射線(xiàn)實(shí)時(shí)自動(dòng)檢測系統，提出了工業(yè)膠片智能檢測系統中采集和控制的同步問(wèn)題的研究方法，設計了步進(jìn)電機的控制方法與光電編碼器采集方法，采用Cortex—M3群說(shuō)STM32進(jìn)行步進(jìn)電機速度的采集與電機速度PID控制，同時(shí)，步進(jìn)電機帶動(dòng)夾持機構使膠片相對CCD運動(dòng)，線(xiàn)陣CCD開(kāi)始采集圖像。只要CCD的線(xiàn)頻率與掃描機構的運動(dòng)速度同步，就可以采集到?jīng)]有畸變的圖像，運用LMD18245全橋電機驅動(dòng)器等器件以及設計所需的相關(guān)軟件的使用。在此基礎上，對系統進(jìn)行設計、編程和調試，該系統在壓力管道焊縫缺陷實(shí)時(shí)自動(dòng)檢測中驗證了其正確性和有效性。

隨著(zhù)計算機技術(shù)的日益普及，計算機輔助評片系統愈來(lái)愈受檢測人的青睞。針對膠片的氣孔缺陷，設計了計算機輔助評片，并進(jìn)行自動(dòng)分級。為了保證缺陷智能檢測中線(xiàn)陣CCD相機對膠片的數字化處理準確無(wú)失真，文中設計采用ARM處理器STM32F103C8T6為核心，光電編碼器接入電路，電機驅動(dòng)選用LMD18245芯片，驅動(dòng)步進(jìn)電機控制掃描機構的運動(dòng)速度與線(xiàn)陣CCD線(xiàn)頻率的匹配，從而確保工業(yè)膠片數字化和同步只能檢測的準確無(wú)誤，為未來(lái)工業(yè)射線(xiàn)檢測提供重要保障和技術(shù)支持。

1 系統總體設計

本設計采用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，接收到由增量式編碼器發(fā)出的A、B相信號，再由STM32 F103對步進(jìn)電機驅動(dòng)器發(fā)脈沖信號，利用脈沖計數方式控制電機驅動(dòng)器，再用電機驅動(dòng)器帶動(dòng)電機進(jìn)行加工。增量式編碼器在轉動(dòng)時(shí)，可連續輸出與旋轉角度對應的脈沖數，靜止狀態(tài)不輸出脈沖。計算其步進(jìn)電機的轉速，利用步進(jìn)電機細分驅動(dòng)和PID控制算法調整傳動(dòng)機構的速度，最終實(shí)現對步進(jìn)電機的精確控制，電機同步系統框圖如圖1所示。

2 硬件電路設計

步進(jìn)電機總體控制設計采用兩相四線(xiàn)的步進(jìn)電機，ARM控制器給步進(jìn)電機驅動(dòng)器一個(gè)脈沖信號和方向信號，并利用驅動(dòng)電路中的細分功能，經(jīng)過(guò)功率放大和環(huán)形分配器，驅使步進(jìn)電機繞組精確運轉，采用細分控制電路，能夠降低工作噪音，減少震動(dòng)，消除步進(jìn)電機的低頻共振，改善步進(jìn)電機工作的旋轉位移分辨率。

2.1 光電編碼器

光電編碼器在電機控制中可以用來(lái)測量電機轉子的磁場(chǎng)位置和機械位置以及轉子的磁場(chǎng)和機械位置的變化速度與變化方向?？梢岳枚〞r(shí)器/計數器配合光電編碼器的輸出脈沖信號來(lái)測量電機的轉速。其測速原理是在規定的檢測時(shí)間Tc內，對光電編碼器輸出的脈沖信號計數的測速方法。

設在時(shí)間T內，轉軸轉過(guò)的弧度數為XT，則轉速可由下式表示：

相關(guān)參數如表1所示。

2.2 步進(jìn)電機驅動(dòng)及細分電路

驅動(dòng)電路選用兩片LMD18245作為步進(jìn)電機驅動(dòng)芯片，用來(lái)驅動(dòng)兩相四線(xiàn)步進(jìn)電機，它與STM32F103主要硬件控制連接圖如圖2所示。

步進(jìn)電機必須有驅動(dòng)器和控制器才能正常工作，驅動(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，改善步進(jìn)電機工作的旋轉位移分辨率，步進(jìn)電機驅動(dòng)采用細分功能，LMD18245電源電壓12 V供電，固有步距腳1.8°，電機齒數50 W，DIRECTION為方向邏輯輸入引腳。邏輯控制功能，BRAKE為急停信號，為D/A轉換器的參考電壓，設置為5 V，M1-M4為D/A轉換器的二進(jìn)制數字輸入端，可以改變細分數，此設計采用4細分驅動(dòng)，因此細分后步距角=電機固有步距角/細分數，其步距角為1.8°/4=0.45°，也就相當于每來(lái)一個(gè)脈沖走0.45°，當細分等級大于1/4后，電機的定位精度并不能提高，只是電機轉動(dòng)更平穩。通過(guò)對步進(jìn)電機的精確，平穩控制，可以使其和線(xiàn)陣CCD相機的采集頻率表相互匹配最終達到精確檢測的目的。

3 軟件設計

控制系統軟件主要由六部分，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，速度計算程序，步進(jìn)電機正反控制程序。設計流程圖如圖3所示。

步進(jìn)電機上電初始化后，對膠片位移和速度進(jìn)行測量和計算，并利用增量式PID控制步進(jìn)電機的移動(dòng)速度，串口進(jìn)行對電機方向，目標位置，PID參數的設定，當膠片開(kāi)始移動(dòng)后，控制器將對編碼器進(jìn)行計數進(jìn)行位移計算和速度計算，并調用PID算法。

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

計算誤差，更新電機轉速的輸出值，為了使線(xiàn)陣CCD線(xiàn)頻率與掃描機構的運動(dòng)速度相匹配，已知步進(jìn)電機步距角T，細分數N，頻率f，可以計算得到步進(jìn)電機的轉速。

進(jìn)而轉化為Vr=RxVm，線(xiàn)陣CCD的線(xiàn)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)現對X膠片的數字化精確采集。

4 結束語(yǔ)

文中設計了基于STM32的底片數字化儀硬件電路，重點(diǎn)描述了電機同步控制電路，通過(guò)利用驅動(dòng)細分技術(shù)對步進(jìn)電機轉速的控制，使線(xiàn)陣CCD相機的掃描速率和膠片傳動(dòng)機構速率相匹配，實(shí)踐證明，采用以上設計方法可以獲得更加準確、清晰、無(wú)失真的數字化底片圖像。