顺序式波长色散X射线荧光光谱仪的运动系统控制

摘要：本文介绍了一种利用LPC1766微控制器实现顺序式波长色散X射线荧光光谱仪的电机系统控制方案。系统分析了顺序式波长色散X射线荧光光谱仪的电机系统控制需求，充分利用LPC1766丰富的PWM和GPIO中断功能，配合光电开关的逻辑顺序，控制直流电机运动，最终实现了光谱仪中晶体、准直器和滤光片的准确定位。测试结果符合《JJG 810-1993波长色散X射线荧光光谱仪检定规程》的要求。

引言

　　顺序式波长色散X射线荧光光谱仪是一种重要的大型科研仪器，可以对从Be-4到U-92的所有元素进行高含量、常量和微量检测，广泛应用于冶金、地质、矿物、石油、化工、生物、医疗、刑侦、考古、环保等诸多部门和领域。该仪器结构复杂，涉及高压控制、精密运动设计、真空静动密封设计、高速数字信号处理以及无标样算法等高难度技术研发工作。其中晶体、准直器、滤光片是光谱仪的重要组成部分，在《JJG 810-1993 波长色散X射线荧光光谱仪检定规程》中对这三者定位精密度有严格的要求，因此对它们的运动控制方案开发非常重要。本文研究并设计搭建了顺序式波长色散X射线荧光光谱仪的运动控制系统，是基于LPC1766的电机控制方案，利用LPC1766的PWM模块通过电机驱动芯片DRV8412分别控制三个直流电机正反转，再结合GPIO中断功能和光电开关的逻辑响应实现晶体、准直器和滤光片的精确定位。

1 顺序式波长色散X荧光光谱仪的结构、原理和运动控制需求

　　顺序式波长色散X荧光光谱仪(以下简称“光谱仪”)的工作原理是用X射线照射试样，使试样中的元素被激发出各自特征波长的荧光X射线;再通过光路设计，利用布拉格衍射原理，使用晶体将这些特征X射线按波长色散开来，并测量其强度，最终进行定性和定量分析。它的基本结构主要是由高压电源、X射线管、滤光片、原级准直器、分光晶体、二级准直器、探测器和测角仪组成。

　　在光谱仪中，滤光片的作用是消除或降低来自X射线管发射的原级X射线谱，尤其是靶材的特征X射线谱对待测元素的干扰，可以改善峰背比，提高分析的灵敏度。准直器分原级准直器和二级准直器两类。在样品和晶体之间的准直器称原级准直器(又称为入射狭缝)，其作用是将样品发射出的X射线荧光通过准直器变为平行光束照射到晶体。晶体主要起分光作用，实际使用中需要多块晶体以满足不同的元素测试需求。光谱仪一般配备有4个滤光片、3个准直器和8个分光晶体。在分析测试样品时，为了获得最佳的分析结果，滤光片、准直器和晶体需要根据测试流程进行切换。切换过程中，上述器件的重复定位精度会影响到测量结果的精密度，同时也是《检定规程》必检项目。

2 设计实现过程

2.1 机械设计

　　由于准直器、晶体和滤光片的运动都是离散运动，不需要连续性。因此，在实际的运动系统控制过程中，主要依靠机械上的槽轮机构，在槽轮上设计有定位机构，通过弹簧和沟槽的组合，保证定位的重复性;用直流电机驱动配合光电开关反馈器件的实际到位情况，最终实现控制功能以达到运动器件的切换目的。如图1所示。

2.2 硬件设计

　　在硬件上，利用LPC1766微控制器的PWM波通过DRV8412芯片来控制电机，采用串口的方式来完成上位机和下位机的通讯。其结构框图见图2。DRV8412是具有先进保护系统的高性能全双桥马达驱动器，功率级效率可达到97%。设计中它是LPC1766与电机之间的桥梁。一个DRV8412芯片可以驱动两个电机，其PWM引脚和RESET引脚与微控制器LPC1766相连接。当其使能控制引脚RESET为高电平有效状态时，相应的电机才可以被正常驱动，改变PWM的输出状态就可实现电机的正反转。利用LPC1766丰富的IO口与光电开关连接来读取光电开关的状态，进而实现运动器件的位置判断，来确定器件的定位情况。

2.3 软件设计

　　在软件上，用Keil uVision4开发环境对LPC1766进行固件C语言编码和调试。LPC1766微控制器是ARMv7-M结构，100MHz的操作频率，32位ARM Cortex-M3微处理器。其UART支持RS-485、丰富的IO端口和强大的电机控制功能。本设计通过对其PWM功能模块中6路PWM的控制，输出3对波来分别驱动三个电机。每个电机有两根线与一对PWM相连接，当正转时，让一个PWM波一直为低电平，另一个控制正转的PWM呈一定占空比的矩形波输出。当互换两个PWM的波形输出状态，就会实现电机的反转。本设计利用LPC1766丰富IO口的特点，通过IO口读取光电开关的状态，来控制电机运动，进而实现滤光片、准直器和晶体的切换运动。

　　LPC1766的GPIO模块共有5个端口，可读可写，其中端口0和端口2还可提供中断的功能，可编程为上升沿、下降沿或边沿产生中断，它们与外部中断3共用相同的NVIC通道。本设计选用端口0的下降沿中断，将P0.0、P0.1和P0.2分别连接光电开关08、01和04来控制三个电机实时的转和停，再通过读取其余端口控制的光电开关的状态来判断滤光片、准直器和晶体的位置状态，从而决定电机的运动情况。滤光片使用三个光电开关09、10和11电平组合情况来表示逻辑001、011、101、110和111这5种位置状态;准直器使用两个光电开关02和03来表示逻辑00、01和10这3种位置状态;晶体使用光电开关05、06和07来表示逻辑000到111这8种位置状态。运动结构实物图如图3、图4和图5所示。

　　设计通过RS485由PC机串口发送命令给LPC1766来实现滤光片、准直器和晶体的位置选择。实现过程中应注意串口的波特率和端口配置，这里我们用的是UART3，设定波特率为9600bps。根据RS485通讯具有两根线，同一时间只能传输一个方向数据的特点，在收发数据时要对其收发使能引脚进行相应设置，且收发状态切换要加适当的延时，延时时间过短会使数据接收错误，延时时间过长则会出现死机现象，因此延时需要根据实际选用的串口波特率来计算确定。

　　当上位机发送命令后，下位机会判断当前的位置状态是否是需求的位置，是就直接返回，否则使电机继续运转，直至所需位置后停止返回。软件流程主框图如图6所示。

3 测试方法及结果

　　经上述控制方案的设计后，按照《JJG 810-1993波长色散X射线荧光光谱仪检定规程》的要求对各器件切换的精密度进行了检定。精密度以20次连续重复测量的相对标准偏差RSD表示。每次测量都必须改变晶体、准直器和滤波片的位置条件。

　　RSD计算方法如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

　　式中：

I_i——i次测量的计数率;

T——测量的时间;

n——测量的次数;

——n次测量的平均计数;

S——n次测量的标准偏差。

　　连续20次测量中，如有数据超出平均值±3S，实验应重做。

　　通过不做任何变化的计数涨落试验、准直器重现性试验、晶体重现性试验和滤光片重现性试验分别测量时间10s，交替测量20次并记录与涨落试验同条件的CuKα辐射的计数率值。最后与国标同行的鉴定结果和其他同类仪器的性能对比如表1所示。

4 结论

　　基于LPC1766的电机控制设计可实现晶体、准直器和滤光片的正常切换和准确定位，且运动稳定。PWM 具有很强的抗噪性，且有节约空间、比较经济等特点。在对电机的转速控制方面，可大大节省能量，改变PWM的输出波形占空比可以提高工作效率，并且不会出现控制电机停止时的过冲现象。设计中GPIO中断功能，可实时响应来控制电机的转和停，使系统能及时地响应外部事件的变化。本设计方案实现了顺序式波长色散X荧光光谱仪中关键器件的准确切换，解决了运动系统控制难题，提高了整机测试性能，且已经优于国标要求。

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本文来源于中国科技期刊《电子产品世界》2016年第4期第59页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。