魯業(yè)安，湯代斌，李 爭

（1.安徽機電職業(yè)技術學院，安徽蕪湖 241000；2.河北科技大學電氣工程學院，河北石家莊 050018）

X－射線測厚儀系統(tǒng)在測量不同厚度范圍或不同材質的板材時，需要改變X－射線的強度，因而由X－射線探測器轉換成電壓信號變化范圍很寬，對該電壓信號的調理一般采用增益可控的放大器，采用多路模擬開關和運算放大器組成的程控增益放大器可以實現(xiàn)放大增益的控制，但其增益控制電阻反饋網(wǎng)絡的電阻難以選取到匹配值，且電阻工作時存在的溫漂也會給放大增益帶來一定的影響［1］。而采用數(shù)字信號控制的增益放大器可以避免以上問題，且增益設置簡單、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－模擬轉換器（DAC），應用Mega48單片機的同步串行口（SPI）可實現(xiàn)對數(shù)模轉換器MAX532的放大增益控制，從而滿足X－射線測厚儀系統(tǒng)對不同厚度范圍或不同材質板材測量的要求［2－3］。

1 X－射線測厚儀系統(tǒng)結構和原理

X－射線測厚儀系統(tǒng)在線測量時，首先根據(jù)板材的厚度或材質選擇適合的測量量程，并由此確定所需的X－射線的強度和對X－射線探測器轉換出的電壓信號的放大增益，系統(tǒng)的總體結構框圖如圖1所示。對檢測信號放大增益控制的數(shù)字信號由測厚儀系統(tǒng)中的工業(yè)控制PC 通過RS485 總線送到Mega48單片機，在單片機內(nèi)部將RS485信號轉換成SPI信號，并通過SPI總線送給具有SPI接口的程控放大器，以此來實現(xiàn)對放大器信號增益的控制。

圖1 X－射線測厚儀系統(tǒng)結構示意圖Fig.1 Structure of X－ray thickness gauge＇s system

2 MAX532內(nèi)部結構與工作原理

MAX532 是一個具有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)模轉換器，其接口能與標準的SPI，QSPI和MICROWIRE 接口標準兼容，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，即當片選信號CS有效時，數(shù)據(jù)在串行同步時鐘信號SCLK的第1個跳變沿時被采樣；在第2個跳變沿時被移入移位寄存器，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；當片選信號CS無效時，數(shù)據(jù)不能通過DIN 引腳讀入，同時DOUT 為高阻抗狀態(tài)。

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

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

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中選擇的測量量程決定并經(jīng)Mega48單片機進行通訊模式轉換后送給MAX532的。

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

3 Mega48單片機特點

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

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

Mega48單片機串行外設接口SPI允許單片機與外設或其他AVR 器件進行高速的同步數(shù)據(jù)傳輸［6］。具有全雙工，3線同步數(shù)據(jù)傳輸；主機或從機操作；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。

4 程控放大器系統(tǒng)設計

4.1 系統(tǒng)硬件設計

采用數(shù)－模轉換器MAX532實現(xiàn)的程控放大器的原理圖如圖3所示。X－射線測厚儀系統(tǒng)在線測量時，通過工業(yè)PC 中的量程轉換程序選擇適當?shù)牧砍蹋⒏鶕?jù)量程確定放大增益的數(shù)值，該數(shù)值信號為數(shù)字信號，通過RS485通訊接口傳送給Mega48單片機，在Mega48單片機中將RS485信號轉換為滿足MAX532要求的SPI信號［7－8］。為了增強系統(tǒng)的抗干擾性能和工作的可靠性，在MAX532與單片機之間插入光耦合器進行電氣隔離［9－10］。X－射線探測器轉換出的電壓信號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中移位寄存器里設定的放大增益，將信號放大后由3腳輸出，再經(jīng)后級放大器反相后送給模－數(shù)轉換模塊進行采樣。

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)軟件設計

系統(tǒng)中Mega48單片機主要實現(xiàn)RS485到SPI通訊模式轉換的功能。從工業(yè)PC 送到單片機的信號為異步串行通訊信號，每次傳輸1 個字節(jié)，即8位，而MAX532所需的為同步串行信號，需要3個字節(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個字節(jié)代碼按照MAX532的要求進行相應的轉換。

SPI通訊時，單片機配置為主機，MAX532為從機。增益控制代碼由Mega48單片機的MOSI引腳輸出，經(jīng)光耦合器轉換后由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)光耦合器轉換后送到單片機的MISO引腳。單片機的SCLK 信號控制代碼傳送的頻率，CS信號用于啟動SPI的數(shù)據(jù)傳輸。

系統(tǒng)工作時，單片機首先對工業(yè)PC 發(fā)來的控制代碼信息進行保存并統(tǒng)計字節(jié)數(shù)，一旦接收滿3個字節(jié)，便啟動一次SPI傳輸，直到3個字節(jié)傳輸結束，然后將收到的原MAX532移位寄存器中的代碼信息再分3個字節(jié)發(fā)回到工業(yè)PC。系統(tǒng)軟件設計流程圖如圖4所示。

4.3 實驗與結果

X－射線測厚儀實際在線測量時，X－射線探測器轉換出的電壓信號范圍為0～5mV，而模－數(shù)轉換模塊的電壓采樣輸入電壓一般為0～2.5V，為匹配信號和提高測厚儀的測量精度，需要采用高增益的放大器將對幾毫伏的電壓放大到1～2V 左右。以X－射線探測器輸出最高電壓5 mV 和模－數(shù)轉換模塊最佳采樣電壓2.0 V 計算，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，12位CODE為190H，B通道的12位CODE 設置為000H，則移位寄存器中的增益控制CODE應設置為000190H。

圖4 系統(tǒng)軟件設計流程圖Fig.4 Main program flow chart

實驗中，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，單片機先將該增益控制CODE擴展為24位，即000190H，然后通過SPI總線輸送給MAX532 來實現(xiàn)增益控制。Mega48單片機輸出增益控制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 語

提出的基于MAX532 數(shù)模轉換器和Mega48單片機的程控放大器設計方案已經(jīng)成功的應用于X－射線測厚儀系統(tǒng)中，實際測量效果證明該方案切實可行，并解決了以往采用多路模擬開關和運算放大器實現(xiàn)程控放大器時增益反饋網(wǎng)絡電阻選擇困難和反饋網(wǎng)絡電阻的溫度漂移對測量精度的影響。

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