基于STM32的焊縫底片數(shù)字化儀硬件設(shè)計

摘要：針對焊縫缺陷X射線實時自動檢測技術(shù)普遍存在誤檢高的問題，研制了焊縫缺陷X射線實時自動檢測系統(tǒng)，提出了工業(yè)膠片智能檢測系統(tǒng)中采集和控制的同步問題的研究方法，設(shè)計了步進電機的控制方法與光電編碼器采集方法，采用Cortex—M3內(nèi)核的STM32進行步進電機速度的采集與電機速度PID控制，同時，步進電機帶動夾持機構(gòu)使膠片相對CCD運動，線陣CCD開始采集圖像。只要CCD的線頻率與掃描機構(gòu)的運動速度同步，就可以采集到?jīng)]有畸變的圖像，運用LMD18245全橋電機驅(qū)動器等器件以及設(shè)計所需的相關(guān)軟件的使用。在此基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)進行設(shè)計、編程和調(diào)試，該系統(tǒng)在壓力管道焊縫缺陷實時自動檢測中驗證了其正確性和有效性。

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)字化處理準確無失真，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，接收到由增量式編碼器發(fā)出的A、B相信號，再由STM32 F103對步進電機驅(qū)動器發(fā)脈沖信號，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)，靜止狀態(tài)不輸出脈沖。計算其步進電機的轉(zhuǎn)速，利用步進電機細分驅(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

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

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。

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

相關(guān)參數(shù)如表1所示。

2.2 步進電機驅(qū)動及細分電路

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

步進電機必須有驅(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行功率放大，環(huán)形分配，為了更加精確有效的控制步進電機，改善步進電機工作的旋轉(zhuǎn)位移分辨率，步進電機驅(qū)動采用細分功能，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。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)換器的二進制數(shù)字輸入端，可以改變細分數(shù)，此設(shè)計采用4細分驅(qū)動，因此細分后步距角=電機固有步距角/細分數(shù)，其步距角為1.8°/4=0.45°，也就相當于每來一個脈沖走0.45°，當細分等級大于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)。通過對步進電機的精確，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，步進電機正反控制程序。設(shè)計流程圖如圖3所示。

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

PreU=Kax[(Dreeor+betaxKbxek+KcxPreDerror)] (4)

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，已知步進電機步距角T，細分數(shù)N，頻率f，可以計算得到步進電機的轉(zhuǎn)速。

進而轉(zhuǎn)化為Vr=RxVm，線陣CCD的線頻率fc=VrxL，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)動細分技術(shù)對步進電機轉(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確、清晰、無失真的數(shù)字化底片圖像。