徐 瑩，王 鵬，雎 希

(西安工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，陜西 西安 710061)

隨著計算機技術(shù)的日益普及，計算機輔助評片系統(tǒng)愈來愈受檢測人的青睞。針對膠片的氣孔缺陷，設(shè)計了計算機輔助評片，并進(jìn)行自動分級。為了保證缺陷智能檢測中線陣CCD相機對膠片的數(shù)字化處理準(zhǔn)確無失真[1]，文中設(shè)計采用ARM處理器STM32F103C8T6為核心，光電編碼器接入電路，電機驅(qū)動選用LMD18245芯片，驅(qū)動步進(jìn)電機控制掃描機構(gòu)的運動速度與線陣CCD線頻率的匹配，從而確保工業(yè)膠片數(shù)字化和同步只能檢測的準(zhǔn)確無誤，為未來工業(yè)射線檢測提供重要保障和技術(shù)支持。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本設(shè)計采用STM32F103作為集成控制芯片，增量式光電編碼器作為采集啟動信號[2]，接收到由增量式編碼器發(fā)出的A、B相信號，再由STM32F103對步進(jìn)電機驅(qū)動器發(fā)脈沖信號[3]，利用脈沖計數(shù)方式控制電機驅(qū)動器，再用電機驅(qū)動器帶動電機進(jìn)行加工。增量式編碼器在轉(zhuǎn)動時，可連續(xù)輸出與旋轉(zhuǎn)角度對應(yīng)的脈沖數(shù)[4]，靜止?fàn)顟B(tài)不輸出脈沖。計算其步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)速，利用步進(jìn)電機細(xì)分驅(qū)動和PID控制算法調(diào)整傳動機構(gòu)的速度，最終實現(xiàn)對步進(jìn)電機的精確控制，電機同步系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 硬件電路設(shè)計

步進(jìn)電機總體控制設(shè)計采用兩相四線的步進(jìn)電機，ARM控制器給步進(jìn)電機驅(qū)動器一個脈沖信號和方向信號，并利用驅(qū)動電路中的細(xì)分功能，經(jīng)過功率放大和環(huán)形分配器，驅(qū)使步進(jìn)電機繞組精確運轉(zhuǎn)，采用細(xì)分控制電路，能夠降低工作噪音，減少震動，消除步進(jìn)電機的低頻共振，改善步進(jìn)電機工作的旋轉(zhuǎn)位移分辨率。

圖1 電機同步系統(tǒng)框圖Fig.1 Motor synchronization system block diagram

2.1 光電編碼器

光電編碼器在電機控制中可以用來測量電機轉(zhuǎn)子的磁場位置和機械位置以及轉(zhuǎn)子的磁場和機械位置的變化速度與變化方向?？梢岳枚〞r器/計數(shù)器配合光電編碼器的輸出脈沖信號來測量電機的轉(zhuǎn)速。其測速原理是在規(guī)定的檢測時間Tc內(nèi)，對光電編碼器輸出的脈沖信號計數(shù)的測速方法[5]。

設(shè)在時間T內(nèi)，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過的弧度數(shù)為Xτ，則轉(zhuǎn)速可由下式表示：

相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 相關(guān)參數(shù)Tab.1 Parameters

2.2 步進(jìn)電機驅(qū)動及細(xì)分電路

驅(qū)動電路選用兩片LMD18245作為步進(jìn)電機驅(qū)動芯片，用來驅(qū)動兩相四線步進(jìn)電機，它與STM32F103主要硬件控制連接圖如圖2所示。

圖2 LMD18245與STM32F103硬件連接圖Fig.2 LMD18245 and STM32F103hardware connection diagram

步進(jìn)電機必須有驅(qū)動器和控制器才能正常工作，驅(qū)動器的作用是對控制脈沖進(jìn)行功率放大，環(huán)形分配，為了更加精確有效的控制步進(jìn)電機，改善步進(jìn)電機工作的旋轉(zhuǎn)位移分辨率，步進(jìn)電機驅(qū)動采用細(xì)分功能[6]，LMD18245電源電壓12 V供電，固有步距腳1.8°，電機齒數(shù)50 W，DIRECTION為方向邏輯輸入引腳[7]。邏輯控制功能，BRAKE為急停信號，為D/A轉(zhuǎn)換器的參考電壓,設(shè)置為5 V，M1-M4為D/A轉(zhuǎn)換器的二進(jìn)制數(shù)字輸入端，可以改變細(xì)分?jǐn)?shù)，此設(shè)計采用4細(xì)分驅(qū)動，因此細(xì)分后步距角=電機固有步距角/細(xì)分?jǐn)?shù)，其步距角為1.8°/4=0.45°，也就相當(dāng)于每來一個脈沖走 0.45°，當(dāng)細(xì)分等級大于1/4后，電機的定位精度并不能提高，只是電機轉(zhuǎn)動更平穩(wěn)[8]。通過對步進(jìn)電機的精確，平穩(wěn)控制，可以使其和線陣CCD相機的采集頻率表相互匹配最終達(dá)到精確檢測的目的。

3 軟件設(shè)計

控制系統(tǒng)軟件主要由六部分，分別為主控程序，增量式PID速度控制程序，串口收發(fā)程序，外部中斷程序，位移，速度計算程序，步進(jìn)電機正反控制程序。設(shè)計流程圖如圖3所示。

圖3 同步檢測設(shè)計系統(tǒng)設(shè)計流程圖Fig.3 Synchronous detection design flow chart of system design

步進(jìn)電機上電初始化后，對膠片位移和速度進(jìn)行測量和計算，并利用增量式PID控制步進(jìn)電機的移動速度，串口進(jìn)行對電機方向，目標(biāo)位置，PID參數(shù)的設(shè)定，當(dāng)膠片開始移動后，控制器將對編碼器進(jìn)行計數(shù)進(jìn)行位移計算和速度計算[9]，并調(diào)用PID算法。

計算誤差，更新電機轉(zhuǎn)速的輸出值，為了使線陣CCD線頻率與掃描機構(gòu)的運動速度相匹配[10]，已知步進(jìn)電機步距角T，細(xì)分?jǐn)?shù)N，頻率f，可以計算得到步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)速。

進(jìn)而轉(zhuǎn)化為 Vr=R×Vm，線陣 CCD的線頻率 fc=Vr×L，其中L為每個CCD像素的成像代表物面上的尺寸。從而更新膠片相對于CCD鏡頭的位置進(jìn)行成像，最終實現(xiàn)對X膠片的數(shù)字化精確采集。

4 結(jié)束語

文中設(shè)計了基于STM32的底片數(shù)字化儀硬件電路，重點描述了電機同步控制電路，通過利用驅(qū)動細(xì)分技術(shù)對步進(jìn)電機轉(zhuǎn)速的控制，使線陣CCD相機的掃描速率和膠片傳動機構(gòu)速率相匹配，實踐證明，采用以上設(shè)計方法可以獲得更加準(zhǔn)確、清晰、無失真的數(shù)字化底片圖像。

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