基于高速单片机的X射线测厚仪数据采集系统设计

陈文明 叶云洋

摘 要：工业用测厚仪有接触式和非接触式两种，通常在线测量使用非接触式的，而X光测厚仪是目前非接触式中使用最多的。一般而言，工业上多采用以PLC和工业计算机为核心实现测厚数据的采集和处理，但该系统体积大、价格昂贵，不适合中、小型企业客户的需求。为此，提出基于高速单片机的X射线测厚仪数据采集系统，在保证系统工作效率和测量精的前提下，使系统的结构简化以及设备的成本降低了。

关键词：高速单片机；X射线测厚仪；数据采集系统

1 X射线测厚的原理

X射线测厚仪原理是利用X射线穿透被测物时的衰减规律来进行测量物体厚度的，因为X射线穿透物体时X射线强度会有能量损失，我们就根据X射线穿透物体前后的能量差值来确定被测件的厚度。

下面通过一个示意图来说明X射线测厚理论。如图1所示，I0为X射线入射前的强度，I为X射线入射后的强度，ΔI=I-I0即为X射线穿透物体前后强度的变化量。设t为被测物体的厚度，μ为被测物体的X射线强度吸收系数（μ与被测物体的材料性质有关）。在被测物体材料成分一定的情况下，则射线强度的变化量可用如下公式表示：

-？驻？砖=？滋I0t （1）

当μ 和I0一定时，上式可改写为：dI/I=-？滋dt （2）

对两边积分得： （3）

当t=0时，I=I0，因此：I=I0e-？滋t （4）

上式中，当μ和I0已知时，I仅是被测材料厚度t的函数，因此只要测出I的大小即可计算出被测材料的厚度t。

图1 X射线测厚仪系统结构图

2 高速单片机C8051F060 的特点

美国Cygnal公司推出的C8051F系列单片机，将51系列单片机从MCU级推向了SoC时代。特别是C8051F06X系列，更是集当前单片机最新发展技术于一身，其功能已完全达到板卡级水平。与普通51系列单片机比较，有以下几个特点：

（1）运行速度快：这是高速单片机C8051F060 相较普通单片机最明显的一个特点，其运行速度是普通51系列单片机快10倍，其运行速度可达25MIPS（25MHz晶振）。（2）集成度高：单片机C8051F060 片上有足够的输入输出接口（含有59个I/O口，10位逐次逼近型（SAR）ADC和8通道可编程增益等），并且具备较大的数据和程序存储空间（有64kB的 Flash、4352B的内部RAM，且可外扩至64kB）。因此使用时基本基本不需再另加辅助电路，从而大大简化了电路结构，同时也提高了系统的可靠性。（3）功能强大：C8051F060集成了CAN总线控制器，且单片机C8051F060内设功能多，包含有5个16位通用定时器，6个可编程定时器，有2个UART、1个SM（兼容12C）和1个SP等，具有开发费用低廉、抗干扰性强、适用于工业现场应用等特点，因此该单片机具有广阔的市场发展前景。

虽然高速单片机C8051F060虽然比普通的51系列有很大不同，但其编程指令与标准系列51单片机是兼容的，因而也比较容易掌握、开发和学习。

3 X射线测厚仪数据采集系统的设计

3.1 X射线测厚仪的系统结构

前面分析了传统的X射线测厚仪数据采集系统结构及原理，测量被测物体的厚度，关键是要能够测量出X射线入射后的强度I，因此在X射线测厚仪输入端必须要装一个X射线探测头，X其作用就将接收到的信号转换为电信号，然后将电信号经过前置放大器放大，再经基于单片机C8051F060的X射线专用测厚仪操作系统处理、转换，最后将得到的材料实际厚度数据送到专门的显示器显示出来。相比较传统的测厚系统，设计的基于单片机C8051F060的X射线测厚系统具有以下特点：

（1）由于采用单片机控制的X射线专用测厚系统体积较小，可以将此系统直接放在X射线探测头内，大大缩短了信号的传输距离，这样可以提高系统的抗干扰能力。（2）由于系统内传输和处理的信号为数字信号，因此设计的X射线测厚系统具有更好的稳定性；（3）由于C8051F060 单片机具有高速的数据采样与处理能力，系统的动态响应速度快，因此系统很适合用在线测量系统中。

3.2 硬件电路设计

如图2所示，以C8051F060单片机为核，加上配套的时钟电路、复位电路、数据采集电路、输入输出电路和处理电路，构成了结构较简单的X射线数据采集与处理系统硬件电路。单片机的工作状态由连接到单片机P0.6 端口的发光二极管D1指示，S2-S4与R10-R15等用于调零与校准补偿电路。 同时为了使信号在工作现场不被电磁干扰，设计中需将RS232信号转换为RS485信号，再将信号输出到LED数码管显示出来。这里采用半双工通讯芯片MAX485作为转换接头。该硬件电路工作过程如下：（1）首先将经过被测物体衰减后强度为I的X射线转换为电流信号；（2）将信号通过前置电流放大器AD549放大；（3）将信号通过电压跟随器后送到C8051F060单片机的16位ADC输入通道进行电压采样；（4）采样后的数据经过单片机内部处理和计算，得到被测板材厚度值；（5）最后将被测厚度由UART串口输出到电脑显示器。

当X射线测厚仪使用一段时间后，要闭合S2，对系统进行调零；如果不及时通过S3或S4对系统进行校准补偿，会使系统测量出的准确度会逐渐下降。通常在测厚仪开机后，正式测量前，先测量一块已知厚度的标准样板，然后通过S3或S4来进行校准补偿。

3.3 软件设计

C8051F060是高度集成的片上系统混合信号单片机，片上集成了两组数模转换器ADC0和ADC1，两个ADC可以独立工作，也可以进行同步转换，使用专用的内部电压基准或使用外部电压基准源，允许用软件事件或外部硬件信触发ADC转换。文章设计的系统就是两个ADC独立工作，且采用软件事件触发。

系统的软件设计采用模块化程序设计方法，即把一个较长的完整程序，分成若干个子程序。每段程序完成一个功能，并且具有相对独立性。而模块化程序设计易找出出错的语句和地方，简洁明了，所以本次软件程序采用模块化设计。

设计的主程序框图如图3所示，程序整体主要包括模数转换、数据处理、校准与补偿和显示输出等模块组成，利用这些模块可以实现数据的模数转换、保存、报警、管理、显示等。系统工作时首先从数据RAM中读取采集到的电压信号，再用软件事件信号触发ADC转换，为了减少其它数据的干扰，要将信号经过数字滤波。最后将得到的数值代入物体下面的厚度计算公式（5）中，经运算就可以得到被测材料的厚度值。

t=A5（u0-u）5+A4（u0-u）4+A3（u0-u）3+A2（u0-u）2+A1（u0-u）+A0+taj （5）

式中：A5-A0 分别为不同材质板材的拟合系数；u0为X射线射入被测物体前的采样电压值；u为X射线经过被测物体后的采样电压值；taj为校准补偿值。

3.4 测试与结果分析

测试中要先采用标准的样片进行验证，将X射线穿过同种材料不同厚度板材，将衰减后的X射线经基于C8051F060 单片机的数据采集系统，得到衰减程度数据情况如表1 所示，可以发现X射线穿过同种材料不同厚度板材的衰减情况。为了尽可能减少测量误差，要将记录每组的值代入式（4）进行拟合，从而得到最佳的参数。

同时，为了验证X射线测厚仪的测试精度，依据工业使用标准，专门计算被测物体厚度在0.2-2.0 mm的范围内的测量精度，计算出来的精度表如表2，由表2的数据可以看出，所有采样的实际值和测量值之间误差都在千分之一以内。

4 结束语

经实验结果验证，设计的基于C8051F060单片机的X射线测厚仪不但结构简单，成本低，而且系统运行稳定、抗干扰能力强，特别是被测物体厚度在0.2-2.0 mm范围内其测量精度高，达到了工业生产的要求。

参考文献

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作者简介：陈文明（1978-），男，汉族，湖南祁阳，硕士研究生，讲师，主要研究方向：电气工程。