基于STM32的焊縫底片數字化儀硬件設計

徐 瑩，王 鵬，雎 希

(西安工業大學 電子信息工程學院，陜西 西安 710061)

隨著計算機技術的日益普及，計算機輔助評片系統愈來愈受檢測人的青睞。針對膠片的氣孔缺陷，設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相機對膠片的數字化處理準確無失真[1]，文中設計采用ARM處理器STM32F103C8T6為核心，光電編碼器接入電路，電機驅動選用LMD18245芯片，驅動步進電機控制掃描機構的運動速度與線陣CCD線頻率的匹配，從而確保工業膠片數字化和同步只能檢測的準確無誤，為未來工業射線檢測提供重要保障和技術支持。

1 系統總體設計

本設計采用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出的A、B相信號，再由STM32F103對步進電機驅動器發脈沖信號[3]，利用脈沖計數方式控制電機驅動器，再用電機驅動器帶動電機進行加工。增量式編碼器在轉動時，可連續輸出與旋轉角度對應的脈沖數[4]，靜止狀態不輸出脈沖。計算其步進電機的轉速，利用步進電機細分驅動和PID控制算法調整傳動機構的速度，最終實現對步進電機的精確控制，電機同步系統框圖如圖1所示。

2 硬件電路設計

步進電機總體控制設計采用兩相四線的步進電機，ARM控制器給步進電機驅動器一個脈沖信號和方向信號，并利用驅動電路中的細分功能，經過功率放大和環形分配器，驅使步進電機繞組精確運轉，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位移分辨率。

圖1 電機同步系統框圖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子的磁場位置和機械位置以及轉子的磁場和機械位置的變化速度與變化方向。可以利用定時器/計數器配合光電編碼器的輸出脈沖信號來測量電機的轉速。其測速原理是在規定的檢測時間Tc內，對光電編碼器輸出的脈沖信號計數的測速方法[5]。

設在時間T內，轉軸轉過的弧度數為Xτ，則轉速可由下式表示：

相關參數如表1所示。

表1 相關參數Tab.1 Parameters

2.2 步進電機驅動及細分電路

驅動電路選用兩片LMD18245作為步進電機驅動芯片，用來驅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。

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

步進電機必須有驅動器和控制器才能正常工作，驅動器的作用是對控制脈沖進行功率放大，環形分配，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位移分辨率，步進電機驅動采用細分功能[6]，LMD18245電源電壓12 V供電，固有步距腳1.8°，電機齒數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轉換器的參考電壓,設置為5 V，M1-M4為D/A轉換器的二進制數字輸入端，可以改變細分數，此設計采用4細分驅動，因此細分后步距角=電機固有步距角/細分數，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，只是電機轉動更平穩[8]。通過對步進電機的精確，平穩控制，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 軟件設計

控制系統軟件主要由六部分，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。設計流程圖如圖3所示。

圖3 同步檢測設計系統設計流程圖Fig.3 Synchronous detection design flow chart of system design

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參數的設定，當膠片開始移動后，控制器將對編碼器進行計數進行位移計算和速度計算[9]，并調用PID算法。

計算誤差，更新電機轉速的輸出值，為了使線陣CCD線頻率與掃描機構的運動速度相匹配[10]，已知步進電機步距角T，細分數N，頻率f，可以計算得到步進電機的轉速。

進而轉化為 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鏡頭的位置進行成像，最終實現對X膠片的數字化精確采集。

4 結束語

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

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