基于ARM7的底片數(shù)字化儀電機同步驅動設計

西安工業(yè)大學電子信息工程學院 徐 瑩 王 鵬 雎 希

山東省特種設備檢驗研究院 杜衛(wèi)東

基于ARM7的底片數(shù)字化儀電機同步驅動設計

西安工業(yè)大學電子信息工程學院 徐 瑩 王 鵬 雎 希

山東省特種設備檢驗研究院 杜衛(wèi)東

針對焊縫缺陷X射線實時自動檢測技術普遍存在誤檢高的問題，研制了鋼管焊縫缺陷X射線實時自動檢測系統(tǒng)，本文提出了工業(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，設計了步進電機的控制方法與光電編碼器采集方法，通過超低功耗系列單片機LPC2114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的運動速度同步，就可以采集到沒有畸變的圖像，運用LMD18245全橋電機驅動器等器件以及設計所需的相關軟件的使用。在此基礎上，對系統(tǒng)進行設計、編程和調試，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。

LPC2114；DMOS LMD18245；智能檢測；同步控制

1.引言

隨著計算機技術的日益普及，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，做計算機輔助評片，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，本文設計采用ARM處理器LPC2114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(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支持。

2.系統(tǒng)總體設計

本設計采用LPC2114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LPC2114對步進電機驅動器發(fā)脈沖信號，利用脈沖計數(shù)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(xù)輸出與旋轉角度對應的脈沖數(shù)，靜止狀態(tài)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(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。

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

3.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(huán)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。

3.1 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(shù)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(guī)定的檢測時間Tc內，對光電編碼器輸出的脈沖信號計數(shù)的測速方法。

設在時間T內，轉軸轉過的弧度數(shù)為Xτ，則轉速n可由下式表示：

相關參數(shù)

3.2 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LPC2114主要硬件控制連接圖如圖2所示：

圖2 LMD18245與LPC2114硬件連接圖Fig.2 LMD18245 and LPC2114 hardware 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(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位移分辨率，步進電機驅動采用細分功能，LMD18245采用TO-220封裝，電源電壓12V供電，固有步距腳1.8°，電機齒數(shù)50W，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轉換器的參考電壓，設置為5V，M1-M4為D/A轉換器的二進制數(shù)字輸入端，可以改變細分數(shù)，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(shù)，其步距角為1.8o/4=0.45o，也就相當于每來一個脈沖走0.45o，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(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。

4.軟件設計

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。設計流程圖如圖3所示。

圖3 同步檢測設計系統(tǒng)設計流程圖

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，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速：

進而轉化為，線陣CCD的線頻率，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。

5.結束語

本文基于鋼管焊縫缺陷智能檢測技術，設計了基于ARM7的底片數(shù)字化儀電機同步系統(tǒng)，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更加精細的調整CCD鏡頭，最終可以獲得更加準確，清晰的數(shù)字化圖像。

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陜西省科技廳工業(yè)攻關項目（項目編號：2013K07-15）；陜西省教育廳專項科研計劃資助項目（項目編號：11JK0921）；山東省科技廳科技發(fā)展計劃項目（項目編號：2010GWZ20402）。