順序式波長色散X射線螢光光譜儀的運動系統控制

摘要：本文介紹了一種利用LPC1766微控制器實現順序式波長色散X射線螢光光譜儀的電機系統控制方案。系統分析了順序式波長色散X射線螢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，配合光電開關的邏輯順序，控制直流電機運動，最終實現了光譜儀中晶體、準直器和濾光片的準確定位。測試結果符合《JJG 810-1993波長色散X射線螢光光譜儀檢定規程》的要求。

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引言

　　順序式波長色散X射線螢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的所有元素進行高含量、常量和微量檢測，廣泛應用於冶金、地質、礦物、石油、化工、生物、醫療、刑偵、考古、環保等諸多部門和領域。該儀器結構複雜，涉及高壓控制、精密運動設計、真空靜動密封設計、高速數位訊號處理以及無標樣算法等高難度技術研發工作。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 波長色散X射線螢光光譜儀檢定規程》中對這三者定位精密度有嚴格的要求，因此對它們的運動控制方案開發非常重要。本文研究並設計搭建了順序式波長色散X射線螢光光譜儀的運動控制系統，是基於LPC1766的電機控制方案，利用LPC1766的PWM模塊通過電機驅動晶片DRV8412分別控制三個直流電機正反轉，再結合GPIO中斷功能和光電開關的邏輯響應實現晶體、準直器和濾光片的精確定位。

1 順序式波長色散X螢光光譜儀的結構、原理和運動控制需求

　　順序式波長色散X螢光光譜儀(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出各自特徵波長的螢光X射線;再通過光路設計，利用布拉格衍射原理，使用晶體將這些特徵X射線按波長色散開來，並測量其強度，最終進行定性和定量分析。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自X射線管發射的原級X射線譜，尤其是靶材的特徵X射線譜對待測元素的幹擾，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。在樣品和晶體之間的準直器稱原級準直器(又稱為入射狹縫)，其作用是將樣品發射出的X射線螢光通過準直器變為平行光束照射到晶體。晶體主要起分光作用，實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個濾光片、3個準直器和8個分光晶體。在分析測試樣品時，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行切換。切換過程中，上述器件的重複定位精度會影響到測量結果的精密度，同時也是《檢定規程》必檢項目。

2 設計實現過程

2.1 機械設計

　　由於準直器、晶體和濾光片的運動都是離散運動，不需要連續性。因此，在實際的運動系統控制過程中，主要依靠機械上的槽輪機構，在槽輪上設計有定位機構，通過彈簧和溝槽的組合，保證定位的重複性;用直流電機驅動配合光電開關反饋器件的實際到位情況，最終實現控制功能以達到運動器件的切換目的。如圖1所示。

2.2 硬體設計

　　在硬體上，利用LPC1766微控制器的PWM波通過DRV8412晶片來控制電機，採用串口的方式來完成上位機和下位機的通訊。其結構框圖見圖2。DRV8412是具有先進保護系統的高性能全雙橋馬達驅動器，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DRV8412晶片可以驅動兩個電機，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為高電平有效狀態時，相應的電機才可以被正常驅動，改變PWM的輸出狀態就可實現電機的正反轉。利用LPC1766豐富的IO口與光電開關連接來讀取光電開關的狀態，進而實現運動器件的位置判斷，來確定器件的定位情況。

2.3 軟體設計

　　在軟體上，用Keil uVision4開發環境對LPC1766進行固件C語言編碼和調試。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埠和強大的電機控制功能。本設計通過對其PWM功能模塊中6路PWM的控制，輸出3對波來分別驅動三個電機。每個電機有兩根線與一對PWM相連接，當正轉時，讓一個PWM波一直為低電平，另一個控制正轉的PWM呈一定佔空比的矩形波輸出。當互換兩個PWM的波形輸出狀態，就會實現電機的反轉。本設計利用LPC1766豐富IO口的特點，通過IO口讀取光電開關的狀態，來控制電機運動，進而實現濾光片、準直器和晶體的切換運動。

　　LPC1766的GPIO模塊共有5個埠，可讀可寫，其中埠0和埠2還可提供中斷的功能，可編程為上升沿、下降沿或邊沿產生中斷，它們與外部中斷3共用相同的NVIC通道。本設計選用埠0的下降沿中斷，將P0.0、P0.1和P0.2分別連接光電開關08、01和04來控制三個電機實時的轉和停，再通過讀取其餘埠控制的光電開關的狀態來判斷濾光片、準直器和晶體的位置狀態，從而決定電機的運動情況。濾光片使用三個光電開關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;準直器使用兩個光電開關02和03來表示邏輯00、01和10這3種位置狀態;晶體使用光電開關05、06和07來表示邏輯000到111這8種位置狀態。運動結構實物圖如圖3、圖4和圖5所示。

　　設計通過RS485由PC機串口發送命令給LPC1766來實現濾光片、準直器和晶體的位置選擇。實現過程中應注意串口的波特率和埠配置，這裡我們用的是UART3，設定波特率為9600bps。根據RS485通訊具有兩根線，同一時間只能傳輸一個方向數據的特點，在收發數據時要對其收發使能引腳進行相應設置，且收發狀態切換要加適當的延時，延時時間過短會使數據接收錯誤，延時時間過長則會出現死機現象，因此延時需要根據實際選用的串口波特率來計算確定。

　　當上位機發送命令後，下位機會判斷當前的位置狀態是否是需求的位置，是就直接返回，否則使電機繼續運轉，直至所需位置後停止返回。軟體流程主框圖如圖6所示。

3 測試方法及結果

　　經上述控制方案的設計後，按照《JJG 810-1993波長色散X射線螢光光譜儀檢定規程》的要求對各器件切換的精密度進行了檢定。精密度以20次連續重複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，實驗應重做。

　　通過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間10s，交替測量20次並記錄與漲落試驗同條件的CuKα輻射的計數率值。最後與國標同行的鑑定結果和其他同類儀器的性能對比如表1所示。

4 結論

　　基於LPC1766的電機控制設計可實現晶體、準直器和濾光片的正常切換和準確定位，且運動穩定。PWM 具有很強的抗噪性，且有節約空間、比較經濟等特點。在對電機的轉速控制方面，可大大節省能量，改變PWM的輸出波形佔空比可以提高工作效率，並且不會出現控制電機停止時的過衝現象。設計中GPIO中斷功能，可實時響應來控制電機的轉和停，使系統能及時地響應外部事件的變化。本設計方案實現了順序式波長色散X螢光光譜儀中關鍵器件的準確切換，解決了運動系統控制難題，提高了整機測試性能，且已經優於國標要求。

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本文來源於中國科技期刊《電子產品世界》2016年第4期第59頁，歡迎您寫論文時引用，並註明出處。