基于Labview的微焦點X射線源供電系統人機界面設計

鄒　敏華東電子工程研究所，安徽合肥　　230088

基于Labview的微焦點X射線源供電系統人機界面設計

鄒敏
華東電子工程研究所，安徽合肥230088

摘要微焦點成像技術以其優越的成像性能得到了越來越多的關注與應用。微焦點X射線源作為微焦點成像設備的核心部件，其性能好壞決定著整臺成像設備設計的成敗。本文針對微焦點X射線源供電系統的需求，基于單片機的硬件控制平臺，采用高效的圖形化編程語言LabVIEW，設計開發了人機交互系統，通過RS485接口實現了對微焦點X射線源各極電源的實時監控。

關鍵詞微焦點成像；微焦點X射線源；供電系統；圖形化編程語言；人機交互系統

0　引言

作為無損檢測的一種，射線檢測技術經過一個多世紀的發展，已從最初的單純膠片射線檢測發展到今天以先進的數字技術為特征，包括射線照相檢測、射線實時成像檢測等多種技術的無損檢測技術。射線檢測技術與其他無損技術一起，在社會生產、生活等諸多方面發揮著越來越重要的作用[1-2]。

在多種射線檢測技術中，又屬X射線成像技術獲取的信息量最多、最準，分辨率也是最高的，它也是目前發展得最成熟的成像技術。然而，成像清晰度和分辨力不夠、對患者輻射劑量大等問題一直制約著X射線成像技術的發展。近年來，隨著計算機技術、半休工藝水平及電子學技術的突飛猛進，X射線成像技術正朝著微焦點成像的方向發展。文獻[3]中介紹了X射線成像技術的一些發展趨勢。微焦點技術的出現使圖像質量得到大大提高，微焦點X射線源也成為微焦點X射線成像儀的理想射線源[4-5]。

本文依托微焦點X射線成像儀平臺建設項目，為其中的核心部分——微焦點X射線源的高壓供電系統設計了一套人機交互系統。先對微焦點X射線成像儀及其供電系統進行了介紹，接著詳細介紹了整個人機交互系統的設計過程。

1　系統介紹

1.1 微焦點X射線成像儀介紹

圖1所示為微焦點X射線成像儀實物圖及其系統構成，它由高頻電壓微焦點X射線源、X射線平板探測器、二維運動平臺、電源系統及控制系統等組成，是集現代計算機技術、精密機械制造技術、光學技術、電子技術、傳感器技術、無損檢測技術和圖像處理技術等于一體的高科技產品。

X射線穿透能力強，透過不同密度的樣品，與樣品發生相互作用。在接收端，探測器接收到的信號強弱反映了樣品的密度分布情況，對該信號進行濾波、放大等處理后，送上位PC機。經數字圖像處理后，便可以對樣品進行實時成像，該成像能很清晰地反應被測樣品的內部缺陷和形狀。

1.2 微焦點X射線成像儀供電系統

本平臺建設項目中的微焦點X射線成像儀具有兩種工作模式：熱發射模式和場發射模式。相應地，微焦點X射線源供電系統也有兩種模式，如圖2所示，兩種模式下所需控制電源的種類，各電源加/斷電順序有所不同。由圖可知，此供電系統電源種類多，供電電壓高，電源控制復雜（各電源分三段進行控制）。各路電源包含過壓保護、過流保護、人身安全保護功能。

2　硬件平臺

微焦點X射源高壓供電系統的硬件平臺由基于單片機的控制板，各個電源模塊和兩個箱體（控制箱與等電位箱）組成，實物如圖3所示。PC機上的人機交互系統通過RS485串行通訊接口往控制板發送指令，控制板將指令譯碼后經光纖分發至位于兩箱體內的各個電源模塊，從而實現對電源模塊的實時監控。

3　人機界面設計

3.1 虛擬儀器和Labview概述

虛擬儀器（Virtual Instruments，簡稱VI），是美國國家儀器公司（National Instruments，簡稱 NI）于1986年提出的全新概念。它利用軟件界面來模擬傳統儀器的控制面板，以多種形式來表達輸出結果；利用各種接口來實現信號的采集與控制。LabVIEW是NI公司同年推出的一種高效的圖形化軟件開發環境，也是目前應用最廣、發展最快、功能最強的圖形化編程語言。目前，LabVIEW已經成為測試與測量領域的工業標準，它所具有的豐富的儀器驅動程序庫使得復雜的測試任務變得簡單易行[6]。

3.2 通訊協議

PC機與控制板之間采用RS232通訊協議，具體協議格式如圖4所示。數據長度以字節為單位，一幀數據包括13個字節。

每一幀數據以報頭FD開始，以報尾AA結束。其中電源箱編號字節用于選擇控制箱或等電位箱；操作電源字節用于選擇預監控電源；設置/查詢字節用于區分指令是控制指令還是查詢指令；雙字節參數部分用于存儲電壓或電流的回讀值或設置值。CRC校驗用于驗證數據幀傳輸的正確性。

3.3 系統數據流程框圖

圖5所示為人機交互系統的主界面，該系統有場發射、熱發射、調試及校準4種工作模式，可對11組電源進行實時監控。調試模式下可實時觀察收發數據幀、AD輸入電壓及輸入電流值等中間變量。

整個系統數據流程框圖如圖6所示。整個系統的工作流程如下：上電復位后，先進行系統初始化，對串行通訊接口進行配置，選擇工作模式；在相應的工作模式下，按相關的加電順序要求對各組電源輸出電壓進行設置。系統對各組電源的輸出電壓及輸出電流進行實時監測，當監測到某路電源出現過壓或過流現象時，主界面上相應的報警燈會亮起，同時系統自動切斷整個供電系統，確保人生安全。當實際輸出電壓與預設電壓相差超出指標要求時，需對整個供電系統各路電源進行校準后才能使用。

3.4 模塊化設計

整個系統采用模塊化設計思想，包括校準模塊、串口配置模塊、設置模塊、查詢模塊及數據處理等模塊。由于整個程序過于龐大復雜，下面只對其中幾個功能模塊的程序設計進行簡要介紹。

3.4.1 通道校準

實際使用中，由于環境溫濕度的變化，電源實際輸出電壓與預設電壓會有所偏差，當偏差超出指標要求時，需進入校準模式對各路電源進行校準。根據供電系統設計要求，每路電源須分三段進行控制。在某一段內，電源實際輸出電壓與AD輸入電壓關系如公式（1）所示，式中x為AD輸入電壓/電流，y為電源實際輸出電壓/電流。參數a，b隨著環境的變化而變化。校準模塊通過調試模式下讀取的x，y值對a，b值進行更新。

3.4.2 設置模塊

通過簡單的參數配置，設置模塊可實現對各路電源輸出電壓電流的控制，其配置如圖7所示。該模塊可自動判斷前面板輸入的預設電壓所處分段并將其轉換成相應的AD輸入電壓，再經數據幀打包子程序將生成的電源電壓/電流設置指令幀發給控制板。

3.4.3 查詢模塊

查詢模塊主要用于實時監測并顯示各路電源的實際輸出電壓及輸出電流，其程序框圖如圖8所示。首先數據打包子程序將生成的某路電源電壓/電流查詢指令經串口發送至控制板。經過指定延時后，再將經串口回讀的實際電壓/電流值數據幀送數據解包子程序解包后送數據處理模塊處理，并將最終的結果在前面板上顯示。

3.4.4 數據處理模塊

數據處理模塊分析解包后的相關信息，判斷此回讀數據幀查詢的是電壓還是電流，電壓是正是負，是否過壓，是否過流等。其程序框圖如圖9所示。

4　結論

本人機交互系統基于單片機硬件控制平臺，通過RS485串行通訊接口，利用Labview的圖形化編程和強大的功能實現了對微焦點X射線源各路電源的實時監控，為后續的平臺開發奠定了硬件和軟件基礎。本系統具有開發快捷、可靠性高、使用方便、可擴展性強等優點。

參考文獻

[1]耿榮生.新千年的無損檢測技術[J].無損檢測，2001，23（1）：1-5.

[2]鄭世才.我國射線檢測技術近年的發展[J].無損檢測，2004，26（4）：163-166.

[3]K. Yada. Recent trends of projection X-ray microscopy in Japan[J].Spectrochimica Acta Part B，64(2009)：729-735.

[4]孔凡琴.微焦點X射線檢測技術的現狀與應用[J].無損檢測，2008，30（12）：913-933

[5]M. Watanabe，H. Kai，K. Ohashi，K. Yada，and B. Willis.New X-ray microscope achieves 0.4-micron resolution. AIP Conf. Proc.2002：606-612.

[6]陳錫輝，張銀鴻.LabVIEW 8.20程序設計從入門到精通[M].北京：清華大學出版社，2007.

Human Machine Interface Design of Power system for Micro-Focus X-ray Based on Labview

Zou Min

NO.38 Research Institute of CETC，AnHuiHefei 230088 Abstract Due to its superiority in imaging，the technique of Micro-Focus radiography is getting more and more attention. The microfocus x-ray Source is the heart part of the Micro-Focus radiography machine，and its performance determines that of the machine. This article gives details about the design of the human-machine interaction system for the power system of the micro-focus x-ray. The interaction system is designed based on MCU hardware platform and Labview software platform. Using the RS485 interface，the system can monitor the status of the power system in real time. The system has the merits of convenient development，high stability，easy operation and better extensibility.

Keywordsmicro-focus radiography; micro-focus x-ray source; power system; graphical programming language; human-machine interaction system

作者簡介：鄒敏，博士，中國電子科技集團公司第三八研究所工程師，研究方向：寬帶數字收發技術研究和工程開發

中圖分類號U223.6

文獻標識碼A

文章編號1674-6708（2015）141-0145-03