陳文明 葉云洋
摘 要:工業(yè)用測厚儀有接觸式和非接觸式兩種,通常在線測量使用非接觸式的,而X光測厚儀是目前非接觸式中使用最多的。一般而言,工業(yè)上多采用以PLC和工業(yè)計算機為核心實現(xiàn)測厚數(shù)據(jù)的采集和處理,但該系統(tǒng)體積大、價格昂貴,不適合中、小型企業(yè)客戶的需求。為此,提出基于高速單片機的X射線測厚儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),在保證系統(tǒng)工作效率和測量精的前提下,使系統(tǒng)的結構簡化以及設備的成本降低了。
關鍵詞:高速單片機;X射線測厚儀;數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
1 X射線測厚的原理
X射線測厚儀原理是利用X射線穿透被測物時的衰減規(guī)律來進行測量物體厚度的,因為X射線穿透物體時X射線強度會有能量損失,我們就根據(jù)X射線穿透物體前后的能量差值來確定被測件的厚度。
下面通過一個示意圖來說明X射線測厚理論。如圖1所示,I0為X射線入射前的強度,I為X射線入射后的強度,ΔI=I-I0即為X射線穿透物體前后強度的變化量。設t為被測物體的厚度,μ為被測物體的X射線強度吸收系數(shù)(μ與被測物體的材料性質有關)。在被測物體材料成分一定的情況下,則射線強度的變化量可用如下公式表示:
-?駐?磚=?滋I0t (1)
當μ 和I0一定時,上式可改寫為:dI/I=-?滋dt (2)
對兩邊積分得: (3)
當t=0時,I=I0,因此:I=I0e-?滋t (4)
上式中,當μ和I0已知時,I僅是被測材料厚度t的函數(shù),因此只要測出I的大小即可計算出被測材料的厚度t。
圖1 X射線測厚儀系統(tǒng)結構圖
2 高速單片機C8051F060 的特點
美國Cygnal公司推出的C8051F系列單片機,將51系列單片機從MCU級推向了SoC時代。特別是C8051F06X系列,更是集當前單片機最新發(fā)展技術于一身,其功能已完全達到板卡級水平。與普通51系列單片機比較,有以下幾個特點:
(1)運行速度快:這是高速單片機C8051F060 相較普通單片機最明顯的一個特點,其運行速度是普通51系列單片機快10倍,其運行速度可達25MIPS(25MHz晶振)。(2)集成度高:單片機C8051F060 片上有足夠的輸入輸出接口(含有59個I/O口,10位逐次逼近型(SAR)ADC和8通道可編程增益等),并且具備較大的數(shù)據(jù)和程序存儲空間(有64kB的 Flash、4352B的內部RAM,且可外擴至64kB)。因此使用時基本基本不需再另加輔助電路,從而大大簡化了電路結構,同時也提高了系統(tǒng)的可靠性。(3)功能強大:C8051F060集成了CAN總線控制器,且單片機C8051F060內設功能多,包含有5個16位通用定時器,6個可編程定時器,有2個UART、1個SM(兼容12C)和1個SP等,具有開發(fā)費用低廉、抗干擾性強、適用于工業(yè)現(xiàn)場應用等特點,因此該單片機具有廣闊的市場發(fā)展前景。
雖然高速單片機C8051F060雖然比普通的51系列有很大不同,但其編程指令與標準系列51單片機是兼容的,因而也比較容易掌握、開發(fā)和學習。
3 X射線測厚儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計
3.1 X射線測厚儀的系統(tǒng)結構
前面分析了傳統(tǒng)的X射線測厚儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結構及原理,測量被測物體的厚度,關鍵是要能夠測量出X射線入射后的強度I,因此在X射線測厚儀輸入端必須要裝一個X射線探測頭,X其作用就將接收到的信號轉換為電信號,然后將電信號經(jīng)過前置放大器放大,再經(jīng)基于單片機C8051F060的X射線專用測厚儀操作系統(tǒng)處理、轉換,最后將得到的材料實際厚度數(shù)據(jù)送到專門的顯示器顯示出來。相比較傳統(tǒng)的測厚系統(tǒng),設計的基于單片機C8051F060的X射線測厚系統(tǒng)具有以下特點:
(1)由于采用單片機控制的X射線專用測厚系統(tǒng)體積較小,可以將此系統(tǒng)直接放在X射線探測頭內,大大縮短了信號的傳輸距離,這樣可以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。(2)由于系統(tǒng)內傳輸和處理的信號為數(shù)字信號,因此設計的X射線測厚系統(tǒng)具有更好的穩(wěn)定性;(3)由于C8051F060 單片機具有高速的數(shù)據(jù)采樣與處理能力,系統(tǒng)的動態(tài)響應速度快,因此系統(tǒng)很適合用在線測量系統(tǒng)中。
3.2 硬件電路設計
如圖2所示,以C8051F060單片機為核,加上配套的時鐘電路、復位電路、數(shù)據(jù)采集電路、輸入輸出電路和處理電路,構成了結構較簡單的X射線數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)硬件電路。單片機的工作狀態(tài)由連接到單片機P0.6 端口的發(fā)光二極管D1指示,S2-S4與R10-R15等用于調零與校準補償電路。 同時為了使信號在工作現(xiàn)場不被電磁干擾,設計中需將RS232信號轉換為RS485信號,再將信號輸出到LED數(shù)碼管顯示出來。這里采用半雙工通訊芯片MAX485作為轉換接頭。該硬件電路工作過程如下:(1)首先將經(jīng)過被測物體衰減后強度為I的X射線轉換為電流信號;(2)將信號通過前置電流放大器AD549放大;(3)將信號通過電壓跟隨器后送到C8051F060單片機的16位ADC輸入通道進行電壓采樣;(4)采樣后的數(shù)據(jù)經(jīng)過單片機內部處理和計算,得到被測板材厚度值;(5)最后將被測厚度由UART串口輸出到電腦顯示器。
當X射線測厚儀使用一段時間后,要閉合S2,對系統(tǒng)進行調零;如果不及時通過S3或S4對系統(tǒng)進行校準補償,會使系統(tǒng)測量出的準確度會逐漸下降。通常在測厚儀開機后,正式測量前,先測量一塊已知厚度的標準樣板,然后通過S3或S4來進行校準補償。
3.3 軟件設計
C8051F060是高度集成的片上系統(tǒng)混合信號單片機,片上集成了兩組數(shù)模轉換器ADC0和ADC1,兩個ADC可以獨立工作,也可以進行同步轉換,使用專用的內部電壓基準或使用外部電壓基準源,允許用軟件事件或外部硬件信觸發(fā)ADC轉換。文章設計的系統(tǒng)就是兩個ADC獨立工作,且采用軟件事件觸發(fā)。
系統(tǒng)的軟件設計采用模塊化程序設計方法,即把一個較長的完整程序,分成若干個子程序。每段程序完成一個功能,并且具有相對獨立性。而模塊化程序設計易找出出錯的語句和地方,簡潔明了,所以本次軟件程序采用模塊化設計。
設計的主程序框圖如圖3所示,程序整體主要包括模數(shù)轉換、數(shù)據(jù)處理、校準與補償和顯示輸出等模塊組成,利用這些模塊可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的模數(shù)轉換、保存、報警、管理、顯示等。系統(tǒng)工作時首先從數(shù)據(jù)RAM中讀取采集到的電壓信號,再用軟件事件信號觸發(fā)ADC轉換,為了減少其它數(shù)據(jù)的干擾,要將信號經(jīng)過數(shù)字濾波。最后將得到的數(shù)值代入物體下面的厚度計算公式(5)中,經(jīng)運算就可以得到被測材料的厚度值。
t=A5(u0-u)5+A4(u0-u)4+A3(u0-u)3+A2(u0-u)2+A1(u0-u)+A0+taj (5)
式中:A5-A0 分別為不同材質板材的擬合系數(shù);u0為X射線射入被測物體前的采樣電壓值;u為X射線經(jīng)過被測物體后的采樣電壓值;taj為校準補償值。
3.4 測試與結果分析
測試中要先采用標準的樣片進行驗證,將X射線穿過同種材料不同厚度板材,將衰減后的X射線經(jīng)基于C8051F060 單片機的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),得到衰減程度數(shù)據(jù)情況如表1 所示,可以發(fā)現(xiàn)X射線穿過同種材料不同厚度板材的衰減情況。為了盡可能減少測量誤差,要將記錄每組的值代入式(4)進行擬合,從而得到最佳的參數(shù)。
同時,為了驗證X射線測厚儀的測試精度,依據(jù)工業(yè)使用標準,專門計算被測物體厚度在0.2-2.0 mm的范圍內的測量精度,計算出來的精度表如表2,由表2的數(shù)據(jù)可以看出,所有采樣的實際值和測量值之間誤差都在千分之一以內。
4 結束語
經(jīng)實驗結果驗證,設計的基于C8051F060單片機的X射線測厚儀不但結構簡單,成本低,而且系統(tǒng)運行穩(wěn)定、抗干擾能力強,特別是被測物體厚度在0.2-2.0 mm范圍內其測量精度高,達到了工業(yè)生產的要求。
參考文獻
[1]朱建芳,梁煦宏,陳仕光.薄帶材智能輻射測厚儀的測量精度集成處理[J],傳感器與微系統(tǒng),2006(5).
[2]張瑩,劉詩斌,劉子懿.基于單片機的數(shù)字磁通門傳感器[J],傳感器與微系統(tǒng),2006(7).
[3]張劍平,胡萍萍.傳感器的發(fā)展方向及其數(shù)字傳感器的地位[J].傳感器世界,2001,10.
[4]汪安民,王殊.TMS320C54xx DSP的USB接口實現(xiàn)[J].電子技術應用,2003,1.
[5]張平,周日峰,劉麗莎.基于CPLD教學CT實驗儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].重慶大學學報(自然科學版),2006,12.
[6]陳德斌,胥福順,欒爭位.影響X射線測厚儀測量精度的因素及維護方法[J].輕合金加工技術,2009,4.
[7]寧濤,呂智斌,金釗.X光測厚儀原理與系統(tǒng)應用[J].中國新技術新產品,2009,13.
[8]曾明敏.基于嵌入式系統(tǒng)電導率儀的設計及應用研究[D].華南理工大學,2012.
作者簡介:陳文明(1978-),男,漢族,湖南祁陽,碩士研究生,講師,主要研究方向:電氣工程。