順序式波長色散X射線熒光光譜儀的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)控制

摘要：本文介紹了一種利用LPC1766微控制器實(shí)現(xiàn)順序式波長色散X射線熒光光譜儀的電機(jī)系統(tǒng)控制方案。系統(tǒng)分析了順序式波長色散X射線熒光光譜儀的電機(jī)系統(tǒng)控制需求，充分利用LPC1766豐富的PWM和GPIO中斷功能，配合光電開關(guān)的邏輯順序，控制直流電機(jī)運(yùn)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)了光譜儀中晶體、準(zhǔn)直器和濾光片的準(zhǔn)確定位。測試結(jié)果符合《JJG 810-1993波長色散X射線熒光光譜儀檢定規(guī)程》的要求。

引言

　　順序式波長色散X射線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(yīng)用于冶金、地質(zhì)、礦物、石油、化工、生物、醫(yī)療、刑偵、考古、環(huán)保等諸多部門和領(lǐng)域。該儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，涉及高壓控制、精密運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)、真空靜動(dòng)密封設(shè)計(jì)、高速數(shù)字信號(hào)處理以及無標(biāo)樣算法等高難度技術(shù)研發(fā)工作。其中晶體、準(zhǔn)直器、濾光片是光譜儀的重要組成部分，在《JJG 810-1993 波長色散X射線熒光光譜儀檢定規(guī)程》中對這三者定位精密度有嚴(yán)格的要求，因此對它們的運(yùn)動(dòng)控制方案開發(fā)非常重要。本文研究并設(shè)計(jì)搭建了順序式波長色散X射線熒光光譜儀的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，是基于LPC1766的電機(jī)控制方案，利用LPC1766的PWM模塊通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片DRV8412分別控制三個(gè)直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)，再結(jié)合GPIO中斷功能和光電開關(guān)的邏輯響應(yīng)實(shí)現(xiàn)晶體、準(zhǔn)直器和濾光片的精確定位。

1 順序式波長色散X熒光光譜儀的結(jié)構(gòu)、原理和運(yùn)動(dòng)控制需求

　　順序式波長色散X熒光光譜儀(以下簡稱“光譜儀”)的工作原理是用X射線照射試樣，使試樣中的元素被激發(fā)出各自特征波長的熒光X射線;再通過光路設(shè)計(jì)，利用布拉格衍射原理，使用晶體將這些特征X射線按波長色散開來，并測量其強(qiáng)度，最終進(jìn)行定性和定量分析。它的基本結(jié)構(gòu)主要是由高壓電源、X射線管、濾光片、原級(jí)準(zhǔn)直器、分光晶體、二級(jí)準(zhǔn)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自X射線管發(fā)射的原級(jí)X射線譜，尤其是靶材的特征X射線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(zhǔn)直器分原級(jí)準(zhǔn)直器和二級(jí)準(zhǔn)直器兩類。在樣品和晶體之間的準(zhǔn)直器稱原級(jí)準(zhǔn)直器(又稱為入射狹縫)，其作用是將樣品發(fā)射出的X射線熒光通過準(zhǔn)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(zhǔn)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(jié)果，濾光片、準(zhǔn)直器和晶體需要根據(jù)測試流程進(jìn)行切換。切換過程中，上述器件的重復(fù)定位精度會(huì)影響到測量結(jié)果的精密度，同時(shí)也是《檢定規(guī)程》必檢項(xiàng)目。

2 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過程

2.1 機(jī)械設(shè)計(jì)

　　由于準(zhǔn)直器、晶體和濾光片的運(yùn)動(dòng)都是離散運(yùn)動(dòng)，不需要連續(xù)性。因此，在實(shí)際的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)控制過程中，主要依靠機(jī)械上的槽輪機(jī)構(gòu)，在槽輪上設(shè)計(jì)有定位機(jī)構(gòu)，通過彈簧和溝槽的組合，保證定位的重復(fù)性;用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)配合光電開關(guān)反饋器件的實(shí)際到位情況，最終實(shí)現(xiàn)控制功能以達(dá)到運(yùn)動(dòng)器件的切換目的。如圖1所示。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

　　在硬件上，利用LPC1766微控制器的PWM波通過DRV8412芯片來控制電機(jī)，采用串口的方式來完成上位機(jī)和下位機(jī)的通訊。其結(jié)構(gòu)框圖見圖2。DRV8412是具有先進(jìn)保護(hù)系統(tǒng)的高性能全雙橋馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器，功率級(jí)效率可達(dá)到97%。設(shè)計(jì)中它是LPC1766與電機(jī)之間的橋梁。一個(gè)DRV8412芯片可以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī)，其PWM引腳和RESET引腳與微控制器LPC1766相連接。當(dāng)其使能控制引腳RESET為高電平有效狀態(tài)時(shí)，相應(yīng)的電機(jī)才可以被正常驅(qū)動(dòng)，改變PWM的輸出狀態(tài)就可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。利用LPC1766豐富的IO口與光電開關(guān)連接來讀取光電開關(guān)的狀態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)器件的位置判斷，來確定器件的定位情況。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

　　在軟件上，用Keil uVision4開發(fā)環(huán)境對LPC1766進(jìn)行固件C語言編碼和調(diào)試。LPC1766微控制器是ARMv7-M結(jié)構(gòu)，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(qiáng)大的電機(jī)控制功能。本設(shè)計(jì)通過對其PWM功能模塊中6路PWM的控制，輸出3對波來分別驅(qū)動(dòng)三個(gè)電機(jī)。每個(gè)電機(jī)有兩根線與一對PWM相連接，當(dāng)正轉(zhuǎn)時(shí)，讓一個(gè)PWM波一直為低電平，另一個(gè)控制正轉(zhuǎn)的PWM呈一定占空比的矩形波輸出。當(dāng)互換兩個(gè)PWM的波形輸出狀態(tài)，就會(huì)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的反轉(zhuǎn)。本設(shè)計(jì)利用LPC1766豐富IO口的特點(diǎn)，通過IO口讀取光電開關(guān)的狀態(tài)，來控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)濾光片、準(zhǔn)直器和晶體的切換運(yùn)動(dòng)。

　　LPC1766的GPIO模塊共有5個(gè)端口，可讀可寫，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(shè)計(jì)選用端口0的下降沿中斷，將P0.0、P0.1和P0.2分別連接光電開關(guān)08、01和04來控制三個(gè)電機(jī)實(shí)時(shí)的轉(zhuǎn)和停，再通過讀取其余端口控制的光電開關(guān)的狀態(tài)來判斷濾光片、準(zhǔn)直器和晶體的位置狀態(tài)，從而決定電機(jī)的運(yùn)動(dòng)情況。濾光片使用三個(gè)光電開關(guān)09、10和11電平組合情況來表示邏輯001、011、101、110和111這5種位置狀態(tài);準(zhǔn)直器使用兩個(gè)光電開關(guān)02和03來表示邏輯00、01和10這3種位置狀態(tài);晶體使用光電開關(guān)05、06和07來表示邏輯000到111這8種位置狀態(tài)。運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)實(shí)物圖如圖3、圖4和圖5所示。

　　設(shè)計(jì)通過RS485由PC機(jī)串口發(fā)送命令給LPC1766來實(shí)現(xiàn)濾光片、準(zhǔn)直器和晶體的位置選擇。實(shí)現(xiàn)過程中應(yīng)注意串口的波特率和端口配置，這里我們用的是UART3，設(shè)定波特率為9600bps。根據(jù)RS485通訊具有兩根線，同一時(shí)間只能傳輸一個(gè)方向數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，在收發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)要對其收發(fā)使能引腳進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置，且收發(fā)狀態(tài)切換要加適當(dāng)?shù)难訒r(shí)，延時(shí)時(shí)間過短會(huì)使數(shù)據(jù)接收錯(cuò)誤，延時(shí)時(shí)間過長則會(huì)出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象，因此延時(shí)需要根據(jù)實(shí)際選用的串口波特率來計(jì)算確定。

　　當(dāng)上位機(jī)發(fā)送命令后，下位機(jī)會(huì)判斷當(dāng)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(jī)繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，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(jié)果

　　經(jīng)上述控制方案的設(shè)計(jì)后，按照《JJG 810-1993波長色散X射線熒光光譜儀檢定規(guī)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(xù)重復(fù)測量的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差RSD表示。每次測量都必須改變晶體、準(zhǔn)直器和濾波片的位置條件。

　　RSD計(jì)算方法如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

　　式中：

I_i——i次測量的計(jì)數(shù)率;

T——測量的時(shí)間;

n——測量的次數(shù);

——n次測量的平均計(jì)數(shù);

S——n次測量的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

　　連續(xù)20次測量中，如有數(shù)據(jù)超出平均值±3S，實(shí)驗(yàn)應(yīng)重做。

　　通過不做任何變化的計(jì)數(shù)漲落試驗(yàn)、準(zhǔn)直器重現(xiàn)性試驗(yàn)、晶體重現(xiàn)性試驗(yàn)和濾光片重現(xiàn)性試驗(yàn)分別測量時(shí)間10s，交替測量20次并記錄與漲落試驗(yàn)同條件的CuKα輻射的計(jì)數(shù)率值。最后與國標(biāo)同行的鑒定結(jié)果和其他同類儀器的性能對比如表1所示。

4 結(jié)論

　　基于LPC1766的電機(jī)控制設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)晶體、準(zhǔn)直器和濾光片的正常切換和準(zhǔn)確定位，且運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定。PWM 具有很強(qiáng)的抗噪性，且有節(jié)約空間、比較經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)。在對電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制方面，可大大節(jié)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(xiàn)控制電機(jī)停止時(shí)的過沖現(xiàn)象。設(shè)計(jì)中GPIO中斷功能，可實(shí)時(shí)響應(yīng)來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)和停，使系統(tǒng)能及時(shí)地響應(yīng)外部事件的變化。本設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)了順序式波長色散X熒光光譜儀中關(guān)鍵器件的準(zhǔn)確切換，解決了運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)控制難題，提高了整機(jī)測試性能，且已經(jīng)優(yōu)于國標(biāo)要求。

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