基于高速單片機的X射線測厚儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計

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。

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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。