摘要：基于提高X射線檢測(cè)儀穩(wěn)定性與智能控制水平的目的，對(duì)其控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。描述了該控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)，給出了電路原理圖。整個(gè)控制系統(tǒng)由運(yùn)動(dòng)控制單元、高壓控制單元以及面板控制單元組成，并采用微控制器、數(shù)字隔離器、CAN總線、冗余設(shè)計(jì)、高精度模數(shù)／數(shù)模轉(zhuǎn)換器等器件與技術(shù)進(jìn)行控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，從而保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與智能控制水平。描述了該控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)思想，給出了流程圖。本控制系統(tǒng)已成功應(yīng)用于X射線檢測(cè)儀中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，達(dá)到X射線檢測(cè)儀的控制要求。
關(guān)鍵詞：X射線檢測(cè)儀；微控制器；CAN總線；冗余設(shè)計(jì)

    隨著新型器件封裝的快速發(fā)展，電子器件趨向體積小、質(zhì)量輕、引線間距小，同時(shí)高密度貼裝電路板、密集端腳布線均使得焊接缺陷增加，愈來(lái)愈多的不可見(jiàn)焊點(diǎn)缺陷使檢測(cè)更具挑戰(zhàn)性，常規(guī)顯示放大目測(cè)檢驗(yàn)已不能滿足需求。這對(duì)表面安裝技術(shù)(SMT)及檢測(cè)提出了更高的要求。而X射線焊點(diǎn)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)則可以滿足需求，它與計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)相結(jié)合，對(duì)SMT上的焊點(diǎn)、PCB內(nèi)層和器件內(nèi)部連線進(jìn)行高分辨率的檢測(cè)。X射線檢測(cè)對(duì)沒(méi)有檢測(cè)點(diǎn)的BGA封裝尤其重要，其焊錫球內(nèi)的空腔以及漏掉焊錫球，或焊錫球錯(cuò)位，只能通過(guò)X射線檢測(cè)(AXI，Automat-ic X-ray Inspection)系統(tǒng)檢測(cè)出來(lái)。

1 X射線檢測(cè)儀整體結(jié)構(gòu)
    整個(gè)檢測(cè)儀由光機(jī)系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等3個(gè)單元組成，如圖1所示。光機(jī)系統(tǒng)由X射線管、圖像增強(qiáng)器、X射線CCD成像器、移動(dòng)平臺(tái)等組成，主要完成圖像采集、載物臺(tái)三維空間移動(dòng)等功能；軟件系統(tǒng)是整個(gè)檢測(cè)儀的神經(jīng)中樞，實(shí)現(xiàn)圖像分析、操作控制等功能；控制單元?jiǎng)t是整個(gè)檢測(cè)儀的執(zhí)行者，它根據(jù)計(jì)算機(jī)指令來(lái)完成載物臺(tái)的移動(dòng)控制、X射線的強(qiáng)度控制，以及控制面板信息采集等功能。

2 X射線檢測(cè)儀控制系統(tǒng)
    X射線檢測(cè)儀控制系統(tǒng)由運(yùn)動(dòng)控制A、運(yùn)動(dòng)控制B、高壓控制和面板控制等4個(gè)單元組成，其整體框圖如圖2所示。

    其中，計(jì)算機(jī)組成整個(gè)控制系統(tǒng)的操作界面，負(fù)責(zé)發(fā)送控制命令和接受各個(gè)控制單元的狀態(tài)信息，以便監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)；運(yùn)動(dòng)控制單元A負(fù)責(zé)控制載物臺(tái)X方向步進(jìn)電機(jī)與光管上下步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行，以及光電開(kāi)關(guān)信號(hào)采集；運(yùn)動(dòng)控制單元B負(fù)責(zé)控制載物臺(tái)Y方向步進(jìn)電機(jī)與像增強(qiáng)器步進(jìn)上下步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行，以及光電開(kāi)關(guān)信號(hào)采集；高壓控制單元負(fù)責(zé)對(duì)X光管高壓電源進(jìn)行控制，以及X光管環(huán)境溫度的采集；面板控制單元?jiǎng)t是負(fù)責(zé)采集運(yùn)動(dòng)搖桿、控制按鈕的狀態(tài)信息，以及控制載物臺(tái)旋轉(zhuǎn)。
2．1 共有模塊
2．1．1 微控制器(MCU)
    X射線檢測(cè)儀控制系統(tǒng)各個(gè)單元在電路設(shè)計(jì)中都有一些共有模塊，其中4個(gè)單元都采用Infineon 16位微控制器系列中的XC164CS作為每個(gè)單元的控制芯片。Infineon系列微控制器在汽車(chē)助力轉(zhuǎn)向、發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火控制、車(chē)身控制以及汽車(chē)安全控制方面有廣泛的應(yīng)用，適應(yīng)在惡劣環(huán)境下工作，是汽車(chē)電子領(lǐng)域的主流高檔單片機(jī)品牌之一，并且現(xiàn)在也廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)控制領(lǐng)域，所以選用這款微控制器能提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力。
2．1．2 IO隔離
    每個(gè)控制單元的MCU與外圍芯片之間都采用ADI公司iCoupler系列數(shù)字隔離器進(jìn)行數(shù)字隔離?；趇Coupler工藝的數(shù)字隔離器在集成度、性能、功耗、易用性和可靠性方面都要優(yōu)于光耦合器，高達(dá)到5 000 Vrms高壓隔離性能，并且iCoupler器件是配套齊全的器件，除了常用的旁路電容以外無(wú)需外部元件，同時(shí)能以較高的數(shù)據(jù)速率(達(dá)100 Mbps)和較短的傳播延遲(18 ns)比較快速地工作，它們還具有延長(zhǎng)的工作壽命，不存在LED的耗壞問(wèn)題。因此選用iCoupler系列數(shù)字隔離器作為IO數(shù)字隔離，能進(jìn)一步提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力。
2．1．3 CAN總線
    CAN總線是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。由于CAN總線具有通信速率高、開(kāi)放性好、報(bào)文短、糾錯(cuò)能力強(qiáng)以及控制簡(jiǎn)單、擴(kuò)展能力強(qiáng)、系統(tǒng)成本低等特點(diǎn)，越來(lái)越受到人們的關(guān)注，應(yīng)用的領(lǐng)域也越來(lái)越廣。所以選用CAN總線作為整個(gè)控制系統(tǒng)的總線。
    CAN節(jié)點(diǎn)一般采取CAN控制器或CAN接口芯片和總線驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成，具體有3種構(gòu)成形式：1)獨(dú)立CAN通信控制器和驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成；2)帶控制功能的I／O器件和CAN驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成；3)帶在片CAN微控制器和CAN驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成。本系統(tǒng)采用第3種形式，有利于簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，在冗余設(shè)計(jì)時(shí)便于程序控制，如圖3所示。

    CAN冗余有完全冗余和部份冗余兩種。完全冗余就是雙控制器冗余：雙控制器+雙驅(qū)動(dòng)器+雙總線。部分冗余有兩種形式：1)雙驅(qū)動(dòng)器冗余：?jiǎn)慰刂破?模擬開(kāi)關(guān)+雙驅(qū)動(dòng)器+雙總線；2)雙總線冗余：?jiǎn)慰刂破?單驅(qū)動(dòng)器+模擬開(kāi)關(guān)+雙總線。而XC164CS采用了強(qiáng)大的增強(qiáng)的C166S V2內(nèi)核架構(gòu)并帶有TwinCAN模塊，其包含兩個(gè)可以獨(dú)立操作的CAN節(jié)點(diǎn)，完全能履行CAN2．0B規(guī)范，所以本系統(tǒng)采用部分冗余中的雙驅(qū)動(dòng)冗余，這樣的冗余設(shè)計(jì)增強(qiáng)了控制系統(tǒng)穩(wěn)定性。

2．2 運(yùn)動(dòng)控制單元
    步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可以通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到精確定位的目的；同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。X射線檢測(cè)儀共有4個(gè)步進(jìn)電機(jī)，采用日本東方電機(jī)AS66AC步進(jìn)電機(jī)，分別控制載物臺(tái)的二維移動(dòng)、X射線管上下移動(dòng)、以及像增強(qiáng)器和X射線CCD成像器的上下移動(dòng)，它們是整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)完成單元，所以步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)至關(guān)重要。

    步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路主要由微控制器、數(shù)字隔離器、鎖存器和放大電路組成，利用微控制器的I／O端口，通過(guò)數(shù)字隔離器ADUM5401隔離，經(jīng)74HC573鎖存，由ULN2803放大來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，如圖4所示。同時(shí)收集步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的End信號(hào)，以判斷電機(jī)定位是否完成，確保電機(jī)正常運(yùn)行。

2．3 高壓控制單元
    X射線源的控制實(shí)質(zhì)上是控制X射線管的管電壓和燈絲電流，也就是控制管電壓高壓電源和燈絲電流電源。本系統(tǒng)采用杭州源谷TXR1010系列X射線高壓電源，它需要兩路0～10V電壓分別控制管電壓、燈絲電流，同時(shí)需要對(duì)實(shí)際管電壓、燈絲電流進(jìn)行采樣，檢測(cè)高壓電源是否正常工作。而X射線的穩(wěn)定性對(duì)成像質(zhì)量相當(dāng)重要，所以需要選擇一款高性能DAC做為高壓電源0～10 V模擬量輸入，一款高性能ADC對(duì)高壓電源進(jìn)行模擬量采樣。
    AD5422是一款單通道16 bit DAC，通過(guò)軟件可選擇其輸出配置，在電壓模式下其輸出選擇范圍為5 V，10 V，±5 V和±10 V；在電流模式下其輸出選擇范圍為4～20 mA，0～20 mA和0～24 mA。因此選擇這款DAC作為X射線高壓電源管電壓、燈絲電流的控制輸入，原理圖如圖5所示。而AD7793適合高精度測(cè)量應(yīng)用的低功耗、低噪聲、完整模擬前端，內(nèi)置一個(gè)低噪聲24位∑-△型ADC，其中含有3個(gè)差分模擬輸入，還集成了片內(nèi)低噪聲儀表放大器，可直接輸入小信號(hào)。因此選擇這款A(yù)DC對(duì)實(shí)際管電壓、燈絲電流進(jìn)行采樣，原理圖如圖6所示。

3 軟件設(shè)計(jì)
    X射線檢測(cè)儀控制系統(tǒng)是在MCU基礎(chǔ)上進(jìn)行開(kāi)發(fā)的，其軟件設(shè)計(jì)也就是對(duì)MCU進(jìn)行程序編寫(xiě)。X射線檢測(cè)儀控制系統(tǒng)由4個(gè)單元組成，所以本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)則是對(duì)這4個(gè)單元MCU進(jìn)行程序編寫(xiě)。從各個(gè)單元實(shí)現(xiàn)功能上分析：運(yùn)動(dòng)控制單元和高壓控制單元通過(guò)CAN總線接收計(jì)算機(jī)的控制命令，面板控制單元通過(guò)CAN總線來(lái)發(fā)送搖桿與按鈕狀態(tài)信息給計(jì)算機(jī)，因此程序編寫(xiě)可以分為數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)發(fā)送兩種模式。
    數(shù)據(jù)接收模式是指MCU不會(huì)主動(dòng)發(fā)出控制指令，只有通過(guò)CAN總線接收到計(jì)算機(jī)控制指令后，才會(huì)進(jìn)行相關(guān)操作，其流程圖如圖7所示。例如對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，運(yùn)動(dòng)控制單元會(huì)一直等待著計(jì)算機(jī)的控制命令(即CAN接收中斷)，如果有控制命令產(chǎn)生，則進(jìn)入CAN中斷，置接收狀態(tài)標(biāo)志位，接著退出中斷，然后判斷相關(guān)指令是否為控制步進(jìn)電機(jī)，如果是，則對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。

    數(shù)據(jù)發(fā)送模式是指當(dāng)狀態(tài)信息有數(shù)據(jù)更新時(shí)，將通過(guò)CAN總線把更新的狀態(tài)發(fā)送給計(jì)算機(jī)，其流程圖如圖8所示。例如當(dāng)有一狀態(tài)按鈕按下，這時(shí)MCU會(huì)檢測(cè)到這個(gè)變化，同時(shí)去請(qǐng)求數(shù)據(jù)的發(fā)送，如果CAN發(fā)送緩沖器釋放，則裝載需要發(fā)送的狀態(tài)數(shù)據(jù)，然后通過(guò)CAN總線發(fā)送到計(jì)算機(jī)。

4 總結(jié)
    X射線檢測(cè)儀控制系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)并完成聯(lián)調(diào)，滿足了X射線檢測(cè)儀對(duì)控制系統(tǒng)可靠性和靈活性等高要求。同時(shí)實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)各單元相對(duì)獨(dú)立，各單元之間的連線簡(jiǎn)潔，系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，使用可靠，在使用中取得了良好的效果。由于微控制器、數(shù)字隔離器、CAN總線、冗余設(shè)計(jì)、高精度模數(shù)／數(shù)模轉(zhuǎn)換器等器件與技術(shù)的應(yīng)用，使X射線檢測(cè)儀的穩(wěn)定性、抗干擾能力、智能控制水平進(jìn)一步提高。