程控放大器在X－射線測(cè)厚儀系統(tǒng)中的應(yīng)用

魯業(yè)安，湯代斌，李 爭(zhēng)

（1.安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽蕪湖 241000；2.河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院，河北石家莊 050018）

X－射線測(cè)厚儀系統(tǒng)在測(cè)量不同厚度范圍或不同材質(zhì)的板材時(shí)，需要改變X－射線的強(qiáng)度，因而由X－射線探測(cè)器轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)變化范圍很寬，對(duì)該電壓信號(hào)的調(diào)理一般采用增益可控的放大器，采用多路模擬開關(guān)和運(yùn)算放大器組成的程控增益放大器可以實(shí)現(xiàn)放大增益的控制，但其增益控制電阻反饋網(wǎng)絡(luò)的電阻難以選取到匹配值，且電阻工作時(shí)存在的溫漂也會(huì)給放大增益帶來一定的影響［1］。而采用數(shù)字信號(hào)控制的增益放大器可以避免以上問題，且增益設(shè)置簡(jiǎn)單、修改靈活［2］。

MAX532是一種雙路12位串行數(shù)據(jù)并帶有輸出放大器的數(shù)字－模擬轉(zhuǎn)換器（DAC），應(yīng)用Mega48單片機(jī)的同步串行口（SPI）可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)模轉(zhuǎn)換器MAX532的放大增益控制，從而滿足X－射線測(cè)厚儀系統(tǒng)對(duì)不同厚度范圍或不同材質(zhì)板材測(cè)量的要求［2－3］。

1 X－射線測(cè)厚儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理

X－射線測(cè)厚儀系統(tǒng)在線測(cè)量時(shí)，首先根據(jù)板材的厚度或材質(zhì)選擇適合的測(cè)量量程，并由此確定所需的X－射線的強(qiáng)度和對(duì)X－射線探測(cè)器轉(zhuǎn)換出的電壓信號(hào)的放大增益，系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。對(duì)檢測(cè)信號(hào)放大增益控制的數(shù)字信號(hào)由測(cè)厚儀系統(tǒng)中的工業(yè)控制PC 通過RS485 總線送到Mega48單片機(jī)，在單片機(jī)內(nèi)部將RS485信號(hào)轉(zhuǎn)換成SPI信號(hào)，并通過SPI總線送給具有SPI接口的程控放大器，以此來實(shí)現(xiàn)對(duì)放大器信號(hào)增益的控制。

圖1 X－射線測(cè)厚儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of X－ray thickness gauge＇s system

2 MAX532內(nèi)部結(jié)構(gòu)與工作原理

MAX532 是一個(gè)具有SPI串行數(shù)據(jù)輸入接口、內(nèi)置輸出放大器的雙12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其接口能與標(biāo)準(zhǔn)的SPI，QSPI和MICROWIRE 接口標(biāo)準(zhǔn)兼容，采用±12～±15V 之間的電源供電，所有輸入端口與TTL和CMOS兼容。

MAX532內(nèi)部有一個(gè)24 位的移位寄存器，高12位為B通道的DAC 數(shù)據(jù)，低12位為A 通道的DAC數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采用SPI接口0方式傳輸，即當(dāng)片選信號(hào)CS有效時(shí)，數(shù)據(jù)在串行同步時(shí)鐘信號(hào)SCLK的第1個(gè)跳變沿時(shí)被采樣；在第2個(gè)跳變沿時(shí)被移入移位寄存器，先移入的是高位數(shù)據(jù)，且B 通道的DAC數(shù)據(jù)在A 通道的DAC 數(shù)據(jù)之前移入，移位寄存器中原有的數(shù)據(jù)依次從DOUT 引腳輸出；當(dāng)片選信號(hào)CS無效時(shí)，數(shù)據(jù)不能通過DIN 引腳讀入，同時(shí)DOUT 為高阻抗?fàn)顟B(tài)。

圖2為采用MAX532實(shí)現(xiàn)的程控增益放大器原理圖［2］。在這種連接方式下，數(shù)模轉(zhuǎn)換器的功能相當(dāng)于一個(gè)程控的電阻反饋網(wǎng)絡(luò)。放大器的增益由移位寄存器中的DAC數(shù)據(jù)確定，當(dāng)DAC 數(shù)據(jù)減小時(shí)相當(dāng)于電阻反饋網(wǎng)絡(luò)的阻值增大，因而放大器的增益也增大。輸出電壓Vout與輸入電壓Vin之間滿足如下關(guān)系：

式中：RFBA為反饋電阻，RFBA＝R／2；REQA為數(shù)模轉(zhuǎn)換器的等效電阻，其阻值與移位寄存器中CODE的數(shù)值關(guān)系為

由式（1）和式（2）可知，放大器的增益G＝－4 096／CODE，改變移位寄存器中的CODE 就可以改變放大器的增益。而移位寄存器中的CODE是MAX532通過SPI接口接收的，該數(shù)據(jù)由工業(yè)PC中選擇的測(cè)量量程決定并經(jīng)Mega48單片機(jī)進(jìn)行通訊模式轉(zhuǎn)換后送給MAX532的。

圖2 程控放大器原理圖Fig.2 Diagram of programmable－gain amplifier

3 Mega48單片機(jī)特點(diǎn)

系統(tǒng)選用的Mega48單片機(jī)是ATMEL公司的高性能、低功耗的8 位AVR 單片機(jī)，與一般8位機(jī)相比，AVR 單片機(jī)的顯著特點(diǎn)為高性能、高速度和低功耗［4－5］。它取消機(jī)器周期，以時(shí)鐘周期為指令周期，實(shí)行流水作業(yè)，并首先采用寄存器文件和精簡(jiǎn)指令集的8位單片機(jī)。它具有高質(zhì)量的FLASH 程序存儲(chǔ)器和EEPROM 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、功能多樣化的定時(shí)器／計(jì)數(shù)器、可靠的監(jiān)視定時(shí)器、多渠道的復(fù)位電路以及多種選擇的休眠方式等方面優(yōu)勢(shì)，使其功能、可靠性、速度、節(jié)電和價(jià)位等綜合性指標(biāo)在8位機(jī)中名列前茅，是8位嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的首選機(jī)種。此外該單片機(jī)還具有可編程的串行USART 接口和可工作于主機(jī)／從機(jī)模式的SPI串行接口，能夠比較方便地實(shí)現(xiàn)RS232（RS485）到SPI 通訊模式的轉(zhuǎn)換。

Mega48單片機(jī)通用同步和異步串行接收器和發(fā)送器（USART），是一個(gè)高度靈活的串行通訊用芯片。主要特點(diǎn)為全雙工操作（獨(dú)立的串行接收和發(fā)送寄存器）；高精度的波特率發(fā)生器；支持5，6，7，8或9 個(gè)數(shù)據(jù)位和1個(gè)或2個(gè)停止位；硬件支持的奇偶校驗(yàn)操作和噪聲濾波，包括錯(cuò)誤的起始位檢測(cè)，以及數(shù)字低通濾波器。

Mega48單片機(jī)串行外設(shè)接口SPI允許單片機(jī)與外設(shè)或其他AVR 器件進(jìn)行高速的同步數(shù)據(jù)傳輸［6］。具有全雙工，3線同步數(shù)據(jù)傳輸；主機(jī)或從機(jī)操作；LSB 首先發(fā)送或MSB 首先發(fā)送和7 種可編程的比特率等特點(diǎn)。

4 程控放大器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

采用數(shù)－模轉(zhuǎn)換器MAX532實(shí)現(xiàn)的程控放大器的原理圖如圖3所示。X－射線測(cè)厚儀系統(tǒng)在線測(cè)量時(shí)，通過工業(yè)PC 中的量程轉(zhuǎn)換程序選擇適當(dāng)?shù)牧砍?，并根?jù)量程確定放大增益的數(shù)值，該數(shù)值信號(hào)為數(shù)字信號(hào)，通過RS485通訊接口傳送給Mega48單片機(jī)，在Mega48單片機(jī)中將RS485信號(hào)轉(zhuǎn)換為滿足MAX532要求的SPI信號(hào)［7－8］。為了增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾性能和工作的可靠性，在MAX532與單片機(jī)之間插入光耦合器進(jìn)行電氣隔離［9－10］。X－射線探測(cè)器轉(zhuǎn)換出的電壓信號(hào)Vin經(jīng)由R1，R2和C1組成濾波器濾波后，送到MAX532的1腳（A 通道），根據(jù)MAX532中移位寄存器里設(shè)定的放大增益，將信號(hào)放大后由3腳輸出，再經(jīng)后級(jí)放大器反相后送給模－數(shù)轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行采樣。

圖3 程控放大器系統(tǒng)原理圖Fig.3 Circuit schematics of programmed amplifier system

4.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中Mega48單片機(jī)主要實(shí)現(xiàn)RS485到SPI通訊模式轉(zhuǎn)換的功能。從工業(yè)PC 送到單片機(jī)的信號(hào)為異步串行通訊信號(hào)，每次傳輸1 個(gè)字節(jié)，即8位，而MAX532所需的為同步串行信號(hào)，需要3個(gè)字節(jié)共24位，且高12位為B通道的增益控制代碼，系統(tǒng)使用的A 通道，增益控制代碼為低12位，這就需要將工業(yè)PC發(fā)來的3個(gè)字節(jié)代碼按照MAX532的要求進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換。

SPI通訊時(shí)，單片機(jī)配置為主機(jī)，MAX532為從機(jī)。增益控制代碼由Mega48單片機(jī)的MOSI引腳輸出，經(jīng)光耦合器轉(zhuǎn)換后由MAX532 的DIN 引腳移入，原MAX532移位寄存器中的代碼則由DOUT引腳輸出，經(jīng)光耦合器轉(zhuǎn)換后送到單片機(jī)的MISO引腳。單片機(jī)的SCLK 信號(hào)控制代碼傳送的頻率，CS信號(hào)用于啟動(dòng)SPI的數(shù)據(jù)傳輸。

系統(tǒng)工作時(shí)，單片機(jī)首先對(duì)工業(yè)PC 發(fā)來的控制代碼信息進(jìn)行保存并統(tǒng)計(jì)字節(jié)數(shù)，一旦接收滿3個(gè)字節(jié)，便啟動(dòng)一次SPI傳輸，直到3個(gè)字節(jié)傳輸結(jié)束，然后將收到的原MAX532移位寄存器中的代碼信息再分3個(gè)字節(jié)發(fā)回到工業(yè)PC。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示。

4.3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

X－射線測(cè)厚儀實(shí)際在線測(cè)量時(shí)，X－射線探測(cè)器轉(zhuǎn)換出的電壓信號(hào)范圍為0～5mV，而模－數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的電壓采樣輸入電壓一般為0～2.5V，為匹配信號(hào)和提高測(cè)厚儀的測(cè)量精度，需要采用高增益的放大器將對(duì)幾毫伏的電壓放大到1～2V 左右。以X－射線探測(cè)器輸出最高電壓5 mV 和模－數(shù)轉(zhuǎn)換模塊最佳采樣電壓2.0 V 計(jì)算，需要采用放大增益為400的放大器。根據(jù)MAX532內(nèi)部移位寄存器的通道分配情況，采用A 通道時(shí)，12位CODE為190H，B通道的12位CODE 設(shè)置為000H，則移位寄存器中的增益控制CODE應(yīng)設(shè)置為000190H。

圖4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖Fig.4 Main program flow chart

實(shí)驗(yàn)中，工業(yè)PC將A 通道增益控制CODE 通過RS485總線傳送給Mega48單片機(jī)，單片機(jī)先將該增益控制CODE擴(kuò)展為24位，即000190H，然后通過SPI總線輸送給MAX532 來實(shí)現(xiàn)增益控制。Mega48單片機(jī)輸出增益控制CODE 的SPI波形如圖5所示。

圖5 增益控制CODE的SPI波形圖Fig.5 Waveforms of SPI for gain control code

5 結(jié) 語

提出的基于MAX532 數(shù)模轉(zhuǎn)換器和Mega48單片機(jī)的程控放大器設(shè)計(jì)方案已經(jīng)成功的應(yīng)用于X－射線測(cè)厚儀系統(tǒng)中，實(shí)際測(cè)量效果證明該方案切實(shí)可行，并解決了以往采用多路模擬開關(guān)和運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)程控放大器時(shí)增益反饋網(wǎng)絡(luò)電阻選擇困難和反饋網(wǎng)絡(luò)電阻的溫度漂移對(duì)測(cè)量精度的影響。

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