基于Labview的微焦點(diǎn)X射線源供電系統(tǒng)人機(jī)界面設(shè)計(jì)

鄒　敏華東電子工程研究所，安徽合肥　　230088

基于Labview的微焦點(diǎn)X射線源供電系統(tǒng)人機(jī)界面設(shè)計(jì)

鄒敏
華東電子工程研究所，安徽合肥230088

摘要微焦點(diǎn)成像技術(shù)以其優(yōu)越的成像性能得到了越來越多的關(guān)注與應(yīng)用。微焦點(diǎn)X射線源作為微焦點(diǎn)成像設(shè)備的核心部件，其性能好壞決定著整臺成像設(shè)備設(shè)計(jì)的成敗。本文針對微焦點(diǎn)X射線源供電系統(tǒng)的需求，基于單片機(jī)的硬件控制平臺，采用高效的圖形化編程語言LabVIEW，設(shè)計(jì)開發(fā)了人機(jī)交互系統(tǒng)，通過RS485接口實(shí)現(xiàn)了對微焦點(diǎn)X射線源各極電源的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

關(guān)鍵詞微焦點(diǎn)成像；微焦點(diǎn)X射線源；供電系統(tǒng)；圖形化編程語言；人機(jī)交互系統(tǒng)

0　引言

作為無損檢測的一種，射線檢測技術(shù)經(jīng)過一個多世紀(jì)的發(fā)展，已從最初的單純膠片射線檢測發(fā)展到今天以先進(jìn)的數(shù)字技術(shù)為特征，包括射線照相檢測、射線實(shí)時(shí)成像檢測等多種技術(shù)的無損檢測技術(shù)。射線檢測技術(shù)與其他無損技術(shù)一起，在社會生產(chǎn)、生活等諸多方面發(fā)揮著越來越重要的作用[1-2]。

在多種射線檢測技術(shù)中，又屬X射線成像技術(shù)獲取的信息量最多、最準(zhǔn)，分辨率也是最高的，它也是目前發(fā)展得最成熟的成像技術(shù)。然而，成像清晰度和分辨力不夠、對患者輻射劑量大等問題一直制約著X射線成像技術(shù)的發(fā)展。近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、半休工藝水平及電子學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，X射線成像技術(shù)正朝著微焦點(diǎn)成像的方向發(fā)展。文獻(xiàn)[3]中介紹了X射線成像技術(shù)的一些發(fā)展趨勢。微焦點(diǎn)技術(shù)的出現(xiàn)使圖像質(zhì)量得到大大提高，微焦點(diǎn)X射線源也成為微焦點(diǎn)X射線成像儀的理想射線源[4-5]。

本文依托微焦點(diǎn)X射線成像儀平臺建設(shè)項(xiàng)目，為其中的核心部分——微焦點(diǎn)X射線源的高壓供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一套人機(jī)交互系統(tǒng)。先對微焦點(diǎn)X射線成像儀及其供電系統(tǒng)進(jìn)行了介紹，接著詳細(xì)介紹了整個人機(jī)交互系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程。

1　系統(tǒng)介紹

1.1 微焦點(diǎn)X射線成像儀介紹

圖1所示為微焦點(diǎn)X射線成像儀實(shí)物圖及其系統(tǒng)構(gòu)成，它由高頻電壓微焦點(diǎn)X射線源、X射線平板探測器、二維運(yùn)動平臺、電源系統(tǒng)及控制系統(tǒng)等組成，是集現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、精密機(jī)械制造技術(shù)、光學(xué)技術(shù)、電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、無損檢測技術(shù)和圖像處理技術(shù)等于一體的高科技產(chǎn)品。

X射線穿透能力強(qiáng)，透過不同密度的樣品，與樣品發(fā)生相互作用。在接收端，探測器接收到的信號強(qiáng)弱反映了樣品的密度分布情況，對該信號進(jìn)行濾波、放大等處理后，送上位PC機(jī)。經(jīng)數(shù)字圖像處理后，便可以對樣品進(jìn)行實(shí)時(shí)成像，該成像能很清晰地反應(yīng)被測樣品的內(nèi)部缺陷和形狀。

1.2 微焦點(diǎn)X射線成像儀供電系統(tǒng)

本平臺建設(shè)項(xiàng)目中的微焦點(diǎn)X射線成像儀具有兩種工作模式：熱發(fā)射模式和場發(fā)射模式。相應(yīng)地，微焦點(diǎn)X射線源供電系統(tǒng)也有兩種模式，如圖2所示，兩種模式下所需控制電源的種類，各電源加/斷電順序有所不同。由圖可知，此供電系統(tǒng)電源種類多，供電電壓高，電源控制復(fù)雜（各電源分三段進(jìn)行控制）。各路電源包含過壓保護(hù)、過流保護(hù)、人身安全保護(hù)功能。

2　硬件平臺

微焦點(diǎn)X射源高壓供電系統(tǒng)的硬件平臺由基于單片機(jī)的控制板，各個電源模塊和兩個箱體（控制箱與等電位箱）組成，實(shí)物如圖3所示。PC機(jī)上的人機(jī)交互系統(tǒng)通過RS485串行通訊接口往控制板發(fā)送指令，控制板將指令譯碼后經(jīng)光纖分發(fā)至位于兩箱體內(nèi)的各個電源模塊，從而實(shí)現(xiàn)對電源模塊的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3　人機(jī)界面設(shè)計(jì)

3.1 虛擬儀器和Labview概述

虛擬儀器（Virtual Instruments，簡稱VI），是美國國家儀器公司（National Instruments，簡稱 NI）于1986年提出的全新概念。它利用軟件界面來模擬傳統(tǒng)儀器的控制面板，以多種形式來表達(dá)輸出結(jié)果；利用各種接口來實(shí)現(xiàn)信號的采集與控制。LabVIEW是NI公司同年推出的一種高效的圖形化軟件開發(fā)環(huán)境，也是目前應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強(qiáng)的圖形化編程語言。目前，LabVIEW已經(jīng)成為測試與測量領(lǐng)域的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，它所具有的豐富的儀器驅(qū)動程序庫使得復(fù)雜的測試任務(wù)變得簡單易行[6]。

3.2 通訊協(xié)議

PC機(jī)與控制板之間采用RS232通訊協(xié)議，具體協(xié)議格式如圖4所示。數(shù)據(jù)長度以字節(jié)為單位，一幀數(shù)據(jù)包括13個字節(jié)。

每一幀數(shù)據(jù)以報(bào)頭FD開始，以報(bào)尾AA結(jié)束。其中電源箱編號字節(jié)用于選擇控制箱或等電位箱；操作電源字節(jié)用于選擇預(yù)監(jiān)控電源；設(shè)置/查詢字節(jié)用于區(qū)分指令是控制指令還是查詢指令；雙字節(jié)參數(shù)部分用于存儲電壓或電流的回讀值或設(shè)置值。CRC校驗(yàn)用于驗(yàn)證數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)恼_性。

3.3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程框圖

圖5所示為人機(jī)交互系統(tǒng)的主界面，該系統(tǒng)有場發(fā)射、熱發(fā)射、調(diào)試及校準(zhǔn)4種工作模式，可對11組電源進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。調(diào)試模式下可實(shí)時(shí)觀察收發(fā)數(shù)據(jù)幀、AD輸入電壓及輸入電流值等中間變量。

整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程框圖如圖6所示。整個系統(tǒng)的工作流程如下：上電復(fù)位后，先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，對串行通訊接口進(jìn)行配置，選擇工作模式；在相應(yīng)的工作模式下，按相關(guān)的加電順序要求對各組電源輸出電壓進(jìn)行設(shè)置。系統(tǒng)對各組電源的輸出電壓及輸出電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，當(dāng)監(jiān)測到某路電源出現(xiàn)過壓或過流現(xiàn)象時(shí)，主界面上相應(yīng)的報(bào)警燈會亮起，同時(shí)系統(tǒng)自動切斷整個供電系統(tǒng)，確保人生安全。當(dāng)實(shí)際輸出電壓與預(yù)設(shè)電壓相差超出指標(biāo)要求時(shí)，需對整個供電系統(tǒng)各路電源進(jìn)行校準(zhǔn)后才能使用。

3.4 模塊化設(shè)計(jì)

整個系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，包括校準(zhǔn)模塊、串口配置模塊、設(shè)置模塊、查詢模塊及數(shù)據(jù)處理等模塊。由于整個程序過于龐大復(fù)雜，下面只對其中幾個功能模塊的程序設(shè)計(jì)進(jìn)行簡要介紹。

3.4.1 通道校準(zhǔn)

實(shí)際使用中，由于環(huán)境溫濕度的變化，電源實(shí)際輸出電壓與預(yù)設(shè)電壓會有所偏差，當(dāng)偏差超出指標(biāo)要求時(shí)，需進(jìn)入校準(zhǔn)模式對各路電源進(jìn)行校準(zhǔn)。根據(jù)供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，每路電源須分三段進(jìn)行控制。在某一段內(nèi)，電源實(shí)際輸出電壓與AD輸入電壓關(guān)系如公式（1）所示，式中x為AD輸入電壓/電流，y為電源實(shí)際輸出電壓/電流。參數(shù)a，b隨著環(huán)境的變化而變化。校準(zhǔn)模塊通過調(diào)試模式下讀取的x，y值對a，b值進(jìn)行更新。

3.4.2 設(shè)置模塊

通過簡單的參數(shù)配置，設(shè)置模塊可實(shí)現(xiàn)對各路電源輸出電壓電流的控制，其配置如圖7所示。該模塊可自動判斷前面板輸入的預(yù)設(shè)電壓所處分段并將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的AD輸入電壓，再經(jīng)數(shù)據(jù)幀打包子程序?qū)⑸傻碾娫措妷?電流設(shè)置指令幀發(fā)給控制板。

3.4.3 查詢模塊

查詢模塊主要用于實(shí)時(shí)監(jiān)測并顯示各路電源的實(shí)際輸出電壓及輸出電流，其程序框圖如圖8所示。首先數(shù)據(jù)打包子程序?qū)⑸傻哪陈冯娫措妷?電流查詢指令經(jīng)串口發(fā)送至控制板。經(jīng)過指定延時(shí)后，再將經(jīng)串口回讀的實(shí)際電壓/電流值數(shù)據(jù)幀送數(shù)據(jù)解包子程序解包后送數(shù)據(jù)處理模塊處理，并將最終的結(jié)果在前面板上顯示。

3.4.4 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊分析解包后的相關(guān)信息，判斷此回讀數(shù)據(jù)幀查詢的是電壓還是電流，電壓是正是負(fù)，是否過壓，是否過流等。其程序框圖如圖9所示。

4　結(jié)論

本人機(jī)交互系統(tǒng)基于單片機(jī)硬件控制平臺，通過RS485串行通訊接口，利用Labview的圖形化編程和強(qiáng)大的功能實(shí)現(xiàn)了對微焦點(diǎn)X射線源各路電源的實(shí)時(shí)監(jiān)控，為后續(xù)的平臺開發(fā)奠定了硬件和軟件基礎(chǔ)。本系統(tǒng)具有開發(fā)快捷、可靠性高、使用方便、可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1]耿榮生.新千年的無損檢測技術(shù)[J].無損檢測，2001，23（1）：1-5.

[2]鄭世才.我國射線檢測技術(shù)近年的發(fā)展[J].無損檢測，2004，26（4）：163-166.

[3]K. Yada. Recent trends of projection X-ray microscopy in Japan[J].Spectrochimica Acta Part B，64(2009)：729-735.

[4]孔凡琴.微焦點(diǎn)X射線檢測技術(shù)的現(xiàn)狀與應(yīng)用[J].無損檢測，2008，30（12）：913-933

[5]M. Watanabe，H. Kai，K. Ohashi，K. Yada，and B. Willis.New X-ray microscope achieves 0.4-micron resolution. AIP Conf. Proc.2002：606-612.

[6]陳錫輝，張銀鴻.LabVIEW 8.20程序設(shè)計(jì)從入門到精通[M].北京：清華大學(xué)出版社，2007.

Human Machine Interface Design of Power system for Micro-Focus X-ray Based on Labview

Zou Min

NO.38 Research Institute of CETC，AnHuiHefei 230088 Abstract Due to its superiority in imaging，the technique of Micro-Focus radiography is getting more and more attention. The microfocus x-ray Source is the heart part of the Micro-Focus radiography machine，and its performance determines that of the machine. This article gives details about the design of the human-machine interaction system for the power system of the micro-focus x-ray. The interaction system is designed based on MCU hardware platform and Labview software platform. Using the RS485 interface，the system can monitor the status of the power system in real time. The system has the merits of convenient development，high stability，easy operation and better extensibility.

Keywordsmicro-focus radiography; micro-focus x-ray source; power system; graphical programming language; human-machine interaction system

作者簡介：鄒敏，博士，中國電子科技集團(tuán)公司第三八研究所工程師，研究方向：寬帶數(shù)字收發(fā)技術(shù)研究和工程開發(fā)

中圖分類號U223.6

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號1674-6708（2015）141-0145-03