基于ARM7的X射線分幅相機的控制系統設計

鄧祁軍

摘要：X射線分幅相機是一套能夠全面給出X射線輻射的空間信息及其隨時間的變化過程的系統，被廣泛應用于輻射非平衡特性研究和ICF（慣性約束聚變）實驗內爆動力學。該文主要實現X射線分幅相機的電路控制系統設計以及基于此控制系統測得X攝像分幅相機的動態空間分辨率及曝光時間[1]。電路控制系統是整個X射線分幅相機的指揮控制中心，它主要由延時模塊、傳感器模塊、高壓電源開關模塊構成。此控制電路系統基于ARM7體系結構的LPC2364微處理器來實現。

關鍵詞：X射線分幅相機;空間分辨率;曝光時間;LPC2364

中圖分類號：TP39? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）02-0224-03

社會的發展伴隨著資源和能源的日益耗竭，迫使人們開發新的能源。核能源中的慣性約束聚變技術在此時也應運而生。為了進行慣性約束聚變研究，對其反應過程中所產生的現象、數據進行安全監控及記錄分析極其重要。必須要求具備高時空分辨率的儀器，才能滿足超快診斷技術要求。而X射線分幅相機是研究皮秒級時間范圍內瞬態變化圖像的主要工具。完全滿足對慣性約束聚變反應的診斷和記錄。

1 X射線分幅相機成像系統的整體結構

X射線分幅相機系統[2]主要由針孔陣列、分幅變像管、CCD相機及其數據采集卡，真空排氣系統以及控制系統五部分構成。其中分幅變像管由光電陰極、MCP微通道板（光電子學系統）和制作在光纖面板上的熒光屏組成;控制系統由遠程計算機、上位機控制系統以及下位機控制系統三部分構成。X射線分幅相機系統的整體結構示意圖如圖1所示。

2 X射線分幅相機控制系統

控制系統由以LPC2364為主控的下位機控制系統硬件模塊、下位機控制系統軟件模塊及以PCM5101計算機硬件平臺的上位機控制系統構成。

2.1 下位機控制系統硬件模塊設計

下位機控制系統硬件分別由最小系統模塊、串口通信模塊、本地鍵盤模塊、環境監測模、高壓電源模塊、步進電機模塊、液晶顯示模塊所構成。

2.1.1 最小系統模塊

基于LPC2364處理器[3]的最小系統模塊包括電源模塊、晶振模塊、系統復位模塊、掉電保存模塊和JTAG模塊。

2.1.2 串口通訊模塊

因本相機控制系統的串口通信模塊基于上位機PCM-5101工控計算機，其串口是標準RS232電平，而下位機LPC2364是3.3V的TTL電平，上位機與下位機相連時必須先進行電平信號的轉換。本文采用SP3232芯片完成電平信號的轉換工作，其原理圖如圖2所示，其中RXD0和TXD0為LPC2364內UART0部件的接口，J3為連接到PCM-5101上位機的UART接口。

2.1. 3本地鍵盤模塊

本相機控制系統設計中，為實現鍵盤中斷，本地鍵盤模塊采用74HC08芯片中三個二與門產生中斷信號，3×4矩陣結構的單獨一塊PCB板，通過10線接口與LPC2364處理芯片所在的PCB板相連。

2.1. 4環境監測器模塊

為了監測X射線分幅相機的氣室環境，本文采用HSP03S傳感器進行氣壓監測，采用SHT11傳感器進行濕度值和溫度值的監測。其原理圖如圖3所示。

2.1. 5高壓電源模塊

高壓電源控制模塊包含對MCP微通道板的電源，GPV門控電壓進行控制，熒光屏直流電壓和交流電壓的選通信號和開關信號。

2.1. 6步進電機驅動及液晶顯示模塊

本相機系統采用二相混合式步進電機[4]以及雷賽公司生產的來驅動電機模塊， LPC2364處理器的輸出電平可直接控制DM432C步進電機驅動器，經MOTO接口連接到電機驅動器上。對于液晶顯示模塊，由于LPC2364處理器的輸出電平可直接驅動1601LCD。其控制信號無須增加中鍵級，直接連接即可。

2.2下位機控制軟件的執行流程

本相機控制系統的基本流程為：ARM（bootloader）啟動，系統初始化，環境循環監測并等待中斷響應。其程序運行流程如圖4所示：

2.3 上位機控制軟件

在上位機PCM-5101計算機上，利用Microsoft Visual C++6.0集成開發環境設計的基于MFC對話框的串口通信軟件CAMERA，其界面如圖5所示。

當界面軟件運行時，程序的流程如圖6所示。

3 X射線分幅相機測試結果

3.1 動態空間分辨率

測量動態空間分辨的原理圖如圖7所示，圖中的激光器能發出波長為532nm的綠光和266nm的紫外光。此兩路光同時從激光器出發要同時在MCP會合，具體路線綠光為：通過光電轉換器件產生電脈沖信號，此脈沖信號通過納米延時電路后，經高壓電路產生高壓脈沖信號對MCP產生的信號進行選通。紫外光為：通過平行光管后，在光電陰極上產生分劃板電子圖像，最后到達MCP而露光所觸發的高壓脈沖會合，最后在熒光屏上形成了可見光圖像。通過CCD相機獲取圖并分析像，即得到變像管的動態空間分辨率。

由上圖8可看出動態空間分辨率可以分辨至第13組左右。由于實驗采用的是2.5倍的平行光管，查表知分辨率大于20lp/mm，能滿足本X射線分幅相機的指標和要求。

3.2 X射線分幅相機的曝光時間

X射線分幅相機的曝光時間定義為 MCP增益與時間關系曲線的半高寬度，因此，相機曝光時間與MCP選通電脈沖信號寬度相關。它是電路控制部分設計最關鍵的地方，也是最重要技術指標之一。

測量曝光時間的步驟和裝置與測試動態空間分辨率是類似的，只需把平行光管前的分化板換成一種特制光纖束，此光纖束是由一組光纖長度按一個等差數組遞增排列組成的，公差為2.0mm，最短的光纖長為300.0mm。共有30根光纖，由于紫外光在石英光纖中傳播速度近似為2×108 m/s，即可認為相鄰兩個光纖的時間差為20ps。利用光在不同長度的光纖中傳播的時間不同，再經過光電轉換和MCP進行倍增后，通過CCD相機系統得到其圖像，根據相機有效曝光時間內所收集到的光點數計算得到曝光時間。

圖9為利用光纖束在曝光時間內所成的圖像，當X射線分幅相機工作在曝光時間下，用激光照射所獲得的光纖束的圖像。

根據上圖9中不同光電的強度畫出其時間-強度離散圖，對其進行積分處理，可得到強度分布曲線圖。由于光纖束各端口的耦合效率不同，可能引起各個亮點的強度不同，在處理時，根據靜態圖像進行歸一化處理，處理結果如圖10所示，得出曝光時間為71ps。可見，滿足技術指標對曝光時間為70ps，時間抖動小于5%的要求。

4 結束語

本文介紹了基于ARM7體系結構的LPC2364微處理器來實現X分幅相機控制系統的設計，并搭建X射線分幅相機系統測試平臺，通過本地控制來測量X射線分幅相機的動態空間分辨率及曝光時間并對實驗數據進行分析。驗證了該文設計的電路控制系統的性能要求。

參考文獻：

[1] 劉宏波.大動態范圍掃描變像管的理論與實驗研究[D]. 西安：中國科學院西安光學精密機械研究所，2004.

[2] 歐均富. X光分幅相機的機械結構和變像管設計[D]. 深圳： 深圳大學， 2007.

[3] 周立功，張華.深入淺出ARM 7——LPC 213x/214x-上冊[M].北京：北京航空航天大學出版社，2005.

[4] 吳海濤，郭猛.步進電機及其單片機控制[J].福建電腦，2007，23（2）：183-184.

【通聯編輯：王力】