基于DSP的X光機(jī)控制系統(tǒng)研究

鄧玉福， 李彥偉， 孟德川， 潘慶超， 于桂英

(1.沈陽(yáng)師范大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 遼寧 沈陽(yáng) 110034； 2.沈陽(yáng)師范大學(xué) 實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心， 遼寧 沈陽(yáng) 110034)

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基于DSP的X光機(jī)控制系統(tǒng)研究

鄧玉福1， 李彥偉1， 孟德川1， 潘慶超1， 于桂英2

(1.沈陽(yáng)師范大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 遼寧 沈陽(yáng) 110034； 2.沈陽(yáng)師范大學(xué) 實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心， 遼寧 沈陽(yáng) 110034)

針對(duì)傳統(tǒng)的X光機(jī)具有體積大、重量沉、效率低、操作不方便以及智能控制系統(tǒng)主體功能單一、速度慢、性能低、穩(wěn)定性差、集成度低等缺點(diǎn)，介紹了一種基于DSP的X光機(jī)智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案.該智能控制系統(tǒng)以TMS320F28335DSP為核心控制器件，采用集成數(shù)字化控制，并結(jié)合新型高壓開關(guān)電源和高頻燈絲電源技術(shù)，構(gòu)建了雙路DA輸出、雙路AD采樣、實(shí)時(shí)控制及報(bào)警信息反饋、數(shù)字PID調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制電路.經(jīng)多次測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠達(dá)到管電壓0～50 kV連續(xù)可調(diào)，X射線管電流0～40 mA連續(xù)可調(diào)等目標(biāo).該智能控制系統(tǒng)具有外圍電路簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便、工作穩(wěn)定、精度高、軟件開發(fā)周期短、設(shè)計(jì)靈活等優(yōu)點(diǎn).

X光機(jī)；控制系統(tǒng)；DSP；高壓開關(guān)電源；PID

X光機(jī)[1-2]是一種重要的檢測(cè)設(shè)備，隨著它在醫(yī)療、工業(yè)、安檢、食品安全等諸多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，對(duì)其智能控制系統(tǒng)也提出了更高的要求.目前，自動(dòng)化技術(shù)逐漸成熟，F(xiàn)PGA、DSP、ARM、單片機(jī)等微處理器被廣泛應(yīng)用到X光機(jī)的控制系統(tǒng)中，本實(shí)驗(yàn)旨在對(duì)X光機(jī)電源的控制系統(tǒng)[3]進(jìn)行研究設(shè)計(jì)，結(jié)合新型高壓開關(guān)電源[4]技術(shù)及將DSP[5]作為X光機(jī)電源控制系統(tǒng)的核心，使X光機(jī)的發(fā)展更加趨于數(shù)字化、智能化、高頻化.該控制系統(tǒng)的核心控制器件為TMS320F28335DSP，通過(guò)PID運(yùn)算完成對(duì)管電壓(kV)、管電流(mA)的閉環(huán)控制，使其產(chǎn)生質(zhì)量較高、較理想的X射線；通過(guò)DSP的JTAG接口連接仿真器510與PC機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)字化控制[6-7].

圖1 整體框圖Fig.1 The overall block diagram

1 設(shè)計(jì)原理

系統(tǒng)整體框圖如圖1所示，該系統(tǒng)主要由高壓電源電路[8]、燈絲電源[9-10]電路及智能控制系統(tǒng)組成.高壓電源電路和燈絲電源電路的工作原理為：高頻脈沖燈絲加熱電源加熱X射線管陰極燈絲，使其在高溫下發(fā)射足夠數(shù)量的電子，高壓直流電源為X射線管陰陽(yáng)兩極提供強(qiáng)大的高壓電場(chǎng)，使電子在直流高壓電場(chǎng)的作用下，向陽(yáng)極靶加速運(yùn)動(dòng)，轟擊陽(yáng)極靶面，使其產(chǎn)生X射線[11].智能控制系統(tǒng)的工作原理為：在輸出端將高壓經(jīng)電阻串聯(lián)衰減的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓信號(hào)的取樣；在主回路中串聯(lián)取樣電阻，將負(fù)載電流轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電流信號(hào)的取樣.將取樣的電壓、電流信號(hào)經(jīng)直流電壓隔離變送器后反饋入DSP.由AD返回的采樣值與設(shè)定值進(jìn)行比較，采用PID算法進(jìn)行閉環(huán)穩(wěn)壓控制.當(dāng)反饋信號(hào)異常時(shí)，啟動(dòng)保護(hù)程序，以達(dá)到保護(hù)主電路的目的.本實(shí)驗(yàn)主要對(duì)X光機(jī)工作電源[7]的控制系統(tǒng)的軟硬件[12]進(jìn)行設(shè)計(jì).

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

圖1虛線框內(nèi)為智能控制系統(tǒng)[13-14]硬件結(jié)構(gòu)，該智能控制系統(tǒng)[15]控制主體是以TMS320F2000系列的TMS320F28335DSP為核心.具體包括主芯片F(xiàn)28335，供電電路，復(fù)位電路，時(shí)鐘振蕩電路，JTAG接口電路，外擴(kuò)鍵盤電路，AD轉(zhuǎn)換電路，LCD12864接口電路，DA輸出電路，數(shù)字PID，可調(diào)開關(guān)直流穩(wěn)壓電源，直流電壓隔離變送器.控制系統(tǒng)的雙路DA輸出電路分別為高壓直流電源控制及燈絲電源控制提供模擬量信號(hào).控制系統(tǒng)對(duì)管電壓，管電流實(shí)時(shí)采樣，采樣值經(jīng)直流電壓隔離變送器送入AD轉(zhuǎn)換電路.管電壓采樣值經(jīng)PID[2，16]運(yùn)算后與高壓電源電路形成閉環(huán)控制，管電流采樣值經(jīng)PID運(yùn)算后與燈絲電源電路形成閉環(huán)控制.DSP控制器與PC機(jī)之間通過(guò)DSP的JTAG接口電路及仿真器510相連，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)全數(shù)字化控制、在線模擬仿真、實(shí)時(shí)進(jìn)行程序調(diào)試等功能.LCD12864液晶電路為設(shè)計(jì)者能夠直觀的觀察系統(tǒng)狀態(tài)提供方便.該控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)具有擴(kuò)展接口模塊，可外接各種控制信號(hào)，以滿足不同用戶的需求.

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)[17]流程如圖2所示，主要包括初始化程序、燈絲預(yù)熱程序、燈絲PID程序、高壓PID程序、按鍵輸入信號(hào)程序、LCD12864顯示程序、雙路DA輸出程序、雙路AD采樣程序、保護(hù)程序.首先系統(tǒng)初始化，其次啟動(dòng)燈絲預(yù)熱程序，即對(duì)燈絲的供電電流進(jìn)行采樣，控制高壓延時(shí)啟動(dòng)，目的為防止冷高壓?jiǎn)?dòng)對(duì)X射線管的損傷.鍵盤輸入設(shè)定值，DSP控制系統(tǒng)經(jīng)過(guò)運(yùn)算，利用DA輸出控制可調(diào)開關(guān)直流穩(wěn)壓電源輸出，經(jīng)高壓發(fā)生電路、燈絲電路得到電壓電流信號(hào)，在輸出端串聯(lián)采樣電阻對(duì)電壓電流信號(hào)進(jìn)行采樣，采樣的電壓電流值經(jīng)直流電壓隔離變送器后反饋入DSP.由AD經(jīng)直流電壓隔離變送器返回的電壓電流值與按鍵設(shè)定的起始電壓電流值進(jìn)行比較，利用燈絲PID程序、高壓PID程序通過(guò)PID算法，來(lái)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)穩(wěn)壓和穩(wěn)流控制.當(dāng)反饋信號(hào)出現(xiàn)異常時(shí)，立即啟動(dòng)保護(hù)程序，使各路DA輸出強(qiáng)制變?yōu)椤?”，達(dá)到X光機(jī)系統(tǒng)過(guò)電流，過(guò)電壓，欠毫安，欠電壓等保護(hù)功能.

圖2 系統(tǒng)流程圖Fig.2 System flow chart

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

4.1 閉環(huán)測(cè)試

閉環(huán)測(cè)試的目的：對(duì)設(shè)計(jì)的DSP智能控制系統(tǒng)的可調(diào)性、穩(wěn)壓性進(jìn)行檢測(cè).檢測(cè)方法：利用按鍵輸入不同的電壓電流值并記錄鍵盤輸入的電壓電流值、LCD12864顯示值，用電流表測(cè)量采樣電阻兩端電流值并轉(zhuǎn)換為電壓值,并計(jì)算相對(duì)誤差值.數(shù)據(jù)如表1、表2所示.

由表1、表2記錄的數(shù)據(jù)分析可知：經(jīng)過(guò)PID調(diào)整、記錄數(shù)據(jù)后，雙路輸出的電壓電流值分別穩(wěn)定在按鍵輸入值左右，并在其上下浮動(dòng).經(jīng)過(guò)計(jì)算，最大相對(duì)誤差小于3%.可以得出：通過(guò)閉環(huán)仿真測(cè)試，能夠證明該控制系統(tǒng)穩(wěn)定，可以達(dá)到預(yù)期的目的.

表1 按鍵輸入電壓、液晶顯示電壓、電源輸出電壓、相對(duì)誤差

表2 按鍵輸入電流、液晶顯示電流、電源輸出電流、相對(duì)誤差

4.2 實(shí)際測(cè)量

將此控制系統(tǒng)與實(shí)際電路相連接，記錄數(shù)據(jù)如表3、表4所示.由表3、表4數(shù)據(jù)分析可知，該X射線管工作電源的控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定，能夠達(dá)到管電壓范圍0～50 kV連續(xù)可調(diào)，管電流范圍0～40 mA連續(xù)可調(diào)，紋波系數(shù)<0.3%，電源效率高于78%.

表3 輸出電壓最大時(shí)束流值

表4 束流最大時(shí)輸出電壓值

5 結(jié) 語(yǔ)

所述X光機(jī)電源控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，采用數(shù)字化DSP控制，結(jié)合其外圍硬件電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)X光機(jī)高壓電源及燈絲電源閉環(huán)實(shí)時(shí)控制，能夠達(dá)到管電壓0～50 kV連續(xù)可調(diào)，X射線管電流0～40 mA連續(xù)可調(diào)等目標(biāo).通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)運(yùn)行情況及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析可知，該控制系統(tǒng)具有操作簡(jiǎn)便，工作穩(wěn)定，精度高等優(yōu)點(diǎn).結(jié)合新型高壓開關(guān)電源、高頻燈絲的原理與技術(shù)，符合X光機(jī)目前的發(fā)展趨勢(shì)——數(shù)字化、智能化、高頻化、小型化[18]，具有良好的應(yīng)用價(jià)值.

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Designed of X-ray control system based on DSP

DENGYufu1，LIYanwei1，MENGDechuan1，PANQingchao1，YUGuiying2

(1.College of Physics Science and Technology， Shenyang Normal University， Shenyang 110034， China；2.Experimental Teaching Centre，Shenyang Normal University, Shenyang 110034， China)

Traditional X-ray machine is featured as large size, heavy weight, low efficiency, and inconvenient operation; while the main body of intellectual control system is mostly related to such shortcomings as single funtionality, slow speed, low performance, bad stability, and low level of integration. Thus, a design project of X-ray intellectual control system, based on DSP, is introduced. This system takes TMS320F28335DSP as core control device, using integrated digital control, along with new high-voltage switching mode-power supply and high-frequency filament power supply technology to build double circuit DA output, double circuit AD sampling, real-time control, feedback of alarming information and closed loop control circuit adjusted by digital PID. It shows that, after several tests, this system could reach the goal which could constantly adjust tube voltage from 0～50 kV and tube current of X-ray from 0～40 mA. This intellectual control system is equipped with the advantages like simple peripheral circuit, easy operation, stable performance, high precision, short cycle of software development, flexible design, etc.

X-ray machine；control system；DSP；high-voltage switching mode-power supply；PID

2016-12-16

遼寧省科技廳科學(xué)技術(shù)計(jì)劃項(xiàng)目(20092069)；沈陽(yáng)市科技計(jì)劃項(xiàng)目(F14-231-1-37)

鄧玉福(1966-),男，遼寧東港人，沈陽(yáng)師范大學(xué)教授，博士.

1000-1735(2017)02-0187-05

10.11679/lsxblk2017020187

TN86

A