基于DSP的X光機控制系統研究

鄧玉福， 李彥偉， 孟德川， 潘慶超， 于桂英

(1.沈陽師范大學 物理科學與技術學院， 遼寧 沈陽 110034； 2.沈陽師范大學 實驗教學中心， 遼寧 沈陽 110034)

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基于DSP的X光機控制系統研究

鄧玉福1， 李彥偉1， 孟德川1， 潘慶超1， 于桂英2

(1.沈陽師范大學 物理科學與技術學院， 遼寧 沈陽 110034； 2.沈陽師范大學 實驗教學中心， 遼寧 沈陽 110034)

針對傳統的X光機具有體積大、重量沉、效率低、操作不方便以及智能控制系統主體功能單一、速度慢、性能低、穩定性差、集成度低等缺點，介紹了一種基于DSP的X光機智能控制系統的設計方案.該智能控制系統以TMS320F28335DSP為核心控制器件，采用集成數字化控制，并結合新型高壓開關電源和高頻燈絲電源技術，構建了雙路DA輸出、雙路AD采樣、實時控制及報警信息反饋、數字PID調節的閉環控制電路.經多次測試結果表明，該系統能夠達到管電壓0～50 kV連續可調，X射線管電流0～40 mA連續可調等目標.該智能控制系統具有外圍電路簡單、操作簡便、工作穩定、精度高、軟件開發周期短、設計靈活等優點.

X光機；控制系統；DSP；高壓開關電源；PID

X光機[1-2]是一種重要的檢測設備，隨著它在醫療、工業、安檢、食品安全等諸多領域的廣泛應用，對其智能控制系統也提出了更高的要求.目前，自動化技術逐漸成熟，FPGA、DSP、ARM、單片機等微處理器被廣泛應用到X光機的控制系統中，本實驗旨在對X光機電源的控制系統[3]進行研究設計，結合新型高壓開關電源[4]技術及將DSP[5]作為X光機電源控制系統的核心，使X光機的發展更加趨于數字化、智能化、高頻化.該控制系統的核心控制器件為TMS320F28335DSP，通過PID運算完成對管電壓(kV)、管電流(mA)的閉環控制，使其產生質量較高、較理想的X射線；通過DSP的JTAG接口連接仿真器510與PC機相連，實現系統數字化控制[6-7].

圖1 整體框圖Fig.1 The overall block diagram

1 設計原理

系統整體框圖如圖1所示，該系統主要由高壓電源電路[8]、燈絲電源[9-10]電路及智能控制系統組成.高壓電源電路和燈絲電源電路的工作原理為：高頻脈沖燈絲加熱電源加熱X射線管陰極燈絲，使其在高溫下發射足夠數量的電子，高壓直流電源為X射線管陰陽兩極提供強大的高壓電場，使電子在直流高壓電場的作用下，向陽極靶加速運動，轟擊陽極靶面，使其產生X射線[11].智能控制系統的工作原理為：在輸出端將高壓經電阻串聯衰減的方式來實現對輸出電壓信號的取樣；在主回路中串聯取樣電阻，將負載電流轉化為電壓信號來實現對輸出電流信號的取樣.將取樣的電壓、電流信號經直流電壓隔離變送器后反饋入DSP.由AD返回的采樣值與設定值進行比較，采用PID算法進行閉環穩壓控制.當反饋信號異常時，啟動保護程序，以達到保護主電路的目的.本實驗主要對X光機工作電源[7]的控制系統的軟硬件[12]進行設計.

2 控制系統硬件設計

圖1虛線框內為智能控制系統[13-14]硬件結構，該智能控制系統[15]控制主體是以TMS320F2000系列的TMS320F28335DSP為核心.具體包括主芯片F28335，供電電路，復位電路，時鐘振蕩電路，JTAG接口電路，外擴鍵盤電路，AD轉換電路，LCD12864接口電路，DA輸出電路，數字PID，可調開關直流穩壓電源，直流電壓隔離變送器.控制系統的雙路DA輸出電路分別為高壓直流電源控制及燈絲電源控制提供模擬量信號.控制系統對管電壓，管電流實時采樣，采樣值經直流電壓隔離變送器送入AD轉換電路.管電壓采樣值經PID[2，16]運算后與高壓電源電路形成閉環控制，管電流采樣值經PID運算后與燈絲電源電路形成閉環控制.DSP控制器與PC機之間通過DSP的JTAG接口電路及仿真器510相連，實現了系統全數字化控制、在線模擬仿真、實時進行程序調試等功能.LCD12864液晶電路為設計者能夠直觀的觀察系統狀態提供方便.該控制系統硬件結構具有擴展接口模塊，可外接各種控制信號，以滿足不同用戶的需求.

3 控制系統軟件設計

軟件設計[17]流程如圖2所示，主要包括初始化程序、燈絲預熱程序、燈絲PID程序、高壓PID程序、按鍵輸入信號程序、LCD12864顯示程序、雙路DA輸出程序、雙路AD采樣程序、保護程序.首先系統初始化，其次啟動燈絲預熱程序，即對燈絲的供電電流進行采樣，控制高壓延時啟動，目的為防止冷高壓啟動對X射線管的損傷.鍵盤輸入設定值，DSP控制系統經過運算，利用DA輸出控制可調開關直流穩壓電源輸出，經高壓發生電路、燈絲電路得到電壓電流信號，在輸出端串聯采樣電阻對電壓電流信號進行采樣，采樣的電壓電流值經直流電壓隔離變送器后反饋入DSP.由AD經直流電壓隔離變送器返回的電壓電流值與按鍵設定的起始電壓電流值進行比較，利用燈絲PID程序、高壓PID程序通過PID算法，來實現閉環穩壓和穩流控制.當反饋信號出現異常時，立即啟動保護程序，使各路DA輸出強制變為“0”，達到X光機系統過電流，過電壓，欠毫安，欠電壓等保護功能.

圖2 系統流程圖Fig.2 System flow chart

4 實驗數據分析

4.1 閉環測試

閉環測試的目的：對設計的DSP智能控制系統的可調性、穩壓性進行檢測.檢測方法：利用按鍵輸入不同的電壓電流值并記錄鍵盤輸入的電壓電流值、LCD12864顯示值，用電流表測量采樣電阻兩端電流值并轉換為電壓值,并計算相對誤差值.數據如表1、表2所示.

由表1、表2記錄的數據分析可知：經過PID調整、記錄數據后，雙路輸出的電壓電流值分別穩定在按鍵輸入值左右，并在其上下浮動.經過計算，最大相對誤差小于3%.可以得出：通過閉環仿真測試，能夠證明該控制系統穩定，可以達到預期的目的.

表1 按鍵輸入電壓、液晶顯示電壓、電源輸出電壓、相對誤差

表2 按鍵輸入電流、液晶顯示電流、電源輸出電流、相對誤差

4.2 實際測量

將此控制系統與實際電路相連接，記錄數據如表3、表4所示.由表3、表4數據分析可知，該X射線管工作電源的控制系統工作穩定，能夠達到管電壓范圍0～50 kV連續可調，管電流范圍0～40 mA連續可調，紋波系數<0.3%，電源效率高于78%.

表3 輸出電壓最大時束流值

表4 束流最大時輸出電壓值

5 結 語

所述X光機電源控制系統的設計方案，采用數字化DSP控制，結合其外圍硬件電路，實現對X光機高壓電源及燈絲電源閉環實時控制，能夠達到管電壓0～50 kV連續可調，X射線管電流0～40 mA連續可調等目標.通過對實驗運行情況及實驗數據的分析可知，該控制系統具有操作簡便，工作穩定，精度高等優點.結合新型高壓開關電源、高頻燈絲的原理與技術，符合X光機目前的發展趨勢——數字化、智能化、高頻化、小型化[18]，具有良好的應用價值.

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Designed of X-ray control system based on DSP

DENGYufu1，LIYanwei1，MENGDechuan1，PANQingchao1，YUGuiying2

(1.College of Physics Science and Technology， Shenyang Normal University， Shenyang 110034， China；2.Experimental Teaching Centre，Shenyang Normal University, Shenyang 110034， China)

Traditional X-ray machine is featured as large size, heavy weight, low efficiency, and inconvenient operation; while the main body of intellectual control system is mostly related to such shortcomings as single funtionality, slow speed, low performance, bad stability, and low level of integration. Thus, a design project of X-ray intellectual control system, based on DSP, is introduced. This system takes TMS320F28335DSP as core control device, using integrated digital control, along with new high-voltage switching mode-power supply and high-frequency filament power supply technology to build double circuit DA output, double circuit AD sampling, real-time control, feedback of alarming information and closed loop control circuit adjusted by digital PID. It shows that, after several tests, this system could reach the goal which could constantly adjust tube voltage from 0～50 kV and tube current of X-ray from 0～40 mA. This intellectual control system is equipped with the advantages like simple peripheral circuit, easy operation, stable performance, high precision, short cycle of software development, flexible design, etc.

X-ray machine；control system；DSP；high-voltage switching mode-power supply；PID

2016-12-16

遼寧省科技廳科學技術計劃項目(20092069)；沈陽市科技計劃項目(F14-231-1-37)

鄧玉福(1966-),男，遼寧東港人，沈陽師范大學教授，博士.

1000-1735(2017)02-0187-05

10.11679/lsxblk2017020187

TN86

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