基于DSP的X光机控制系统研究

邓玉福， 李彦伟， 孟德川， 潘庆超， 于桂英

(1.沈阳师范大学 物理科学与技术学院， 辽宁 沈阳 110034； 2.沈阳师范大学 实验教学中心， 辽宁 沈阳 110034)



基于DSP的X光机控制系统研究

邓玉福1， 李彦伟1， 孟德川1， 潘庆超1， 于桂英2

(1.沈阳师范大学 物理科学与技术学院， 辽宁 沈阳 110034； 2.沈阳师范大学 实验教学中心， 辽宁 沈阳 110034)

针对传统的X光机具有体积大、重量沉、效率低、操作不方便以及智能控制系统主体功能单一、速度慢、性能低、稳定性差、集成度低等缺点，介绍了一种基于DSP的X光机智能控制系统的设计方案.该智能控制系统以TMS320F28335DSP为核心控制器件，采用集成数字化控制，并结合新型高压开关电源和高频灯丝电源技术，构建了双路DA输出、双路AD采样、实时控制及报警信息反馈、数字PID调节的闭环控制电路.经多次测试结果表明，该系统能够达到管电压0～50 kV连续可调，X射线管电流0～40 mA连续可调等目标.该智能控制系统具有外围电路简单、操作简便、工作稳定、精度高、软件开发周期短、设计灵活等优点.

X光机；控制系统；DSP；高压开关电源；PID

X光机[1-2]是一种重要的检测设备，随着它在医疗、工业、安检、食品安全等诸多领域的广泛应用，对其智能控制系统也提出了更高的要求.目前，自动化技术逐渐成熟，FPGA、DSP、ARM、单片机等微处理器被广泛应用到X光机的控制系统中，本实验旨在对X光机电源的控制系统[3]进行研究设计，结合新型高压开关电源[4]技术及将DSP[5]作为X光机电源控制系统的核心，使X光机的发展更加趋于数字化、智能化、高频化.该控制系统的核心控制器件为TMS320F28335DSP，通过PID运算完成对管电压(kV)、管电流(mA)的闭环控制，使其产生质量较高、较理想的X射线；通过DSP的JTAG接口连接仿真器510与PC机相连，实现系统数字化控制[6-7].

图1 整体框图Fig.1 The overall block diagram

1 设计原理

系统整体框图如图1所示，该系统主要由高压电源电路[8]、灯丝电源[9-10]电路及智能控制系统组成.高压电源电路和灯丝电源电路的工作原理为：高频脉冲灯丝加热电源加热X射线管阴极灯丝，使其在高温下发射足够数量的电子，高压直流电源为X射线管阴阳两极提供强大的高压电场，使电子在直流高压电场的作用下，向阳极靶加速运动，轰击阳极靶面，使其产生X射线[11].智能控制系统的工作原理为：在输出端将高压经电阻串联衰减的方式来实现对输出电压信号的取样；在主回路中串联取样电阻，将负载电流转化为电压信号来实现对输出电流信号的取样.将取样的电压、电流信号经直流电压隔离变送器后反馈入DSP.由AD返回的采样值与设定值进行比较，采用PID算法进行闭环稳压控制.当反馈信号异常时，启动保护程序，以达到保护主电路的目的.本实验主要对X光机工作电源[7]的控制系统的软硬件[12]进行设计.

2 控制系统硬件设计

图1虚线框内为智能控制系统[13-14]硬件结构，该智能控制系统[15]控制主体是以TMS320F2000系列的TMS320F28335DSP为核心.具体包括主芯片F28335，供电电路，复位电路，时钟振荡电路，JTAG接口电路，外扩键盘电路，AD转换电路，LCD12864接口电路，DA输出电路，数字PID，可调开关直流稳压电源，直流电压隔离变送器.控制系统的双路DA输出电路分别为高压直流电源控制及灯丝电源控制提供模拟量信号.控制系统对管电压，管电流实时采样，采样值经直流电压隔离变送器送入AD转换电路.管电压采样值经PID[2，16]运算后与高压电源电路形成闭环控制，管电流采样值经PID运算后与灯丝电源电路形成闭环控制.DSP控制器与PC机之间通过DSP的JTAG接口电路及仿真器510相连，实现了系统全数字化控制、在线模拟仿真、实时进行程序调试等功能.LCD12864液晶电路为设计者能够直观的观察系统状态提供方便.该控制系统硬件结构具有扩展接口模块，可外接各种控制信号，以满足不同用户的需求.

3 控制系统软件设计

软件设计[17]流程如图2所示，主要包括初始化程序、灯丝预热程序、灯丝PID程序、高压PID程序、按键输入信号程序、LCD12864显示程序、双路DA输出程序、双路AD采样程序、保护程序.首先系统初始化，其次启动灯丝预热程序，即对灯丝的供电电流进行采样，控制高压延时启动，目的为防止冷高压启动对X射线管的损伤.键盘输入设定值，DSP控制系统经过运算，利用DA输出控制可调开关直流稳压电源输出，经高压发生电路、灯丝电路得到电压电流信号，在输出端串联采样电阻对电压电流信号进行采样，采样的电压电流值经直流电压隔离变送器后反馈入DSP.由AD经直流电压隔离变送器返回的电压电流值与按键设定的起始电压电流值进行比较，利用灯丝PID程序、高压PID程序通过PID算法，来实现闭环稳压和稳流控制.当反馈信号出现异常时，立即启动保护程序，使各路DA输出强制变为“0”，达到X光机系统过电流，过电压，欠毫安，欠电压等保护功能.

图2 系统流程图Fig.2 System flow chart

4 实验数据分析

4.1 闭环测试

闭环测试的目的：对设计的DSP智能控制系统的可调性、稳压性进行检测.检测方法：利用按键输入不同的电压电流值并记录键盘输入的电压电流值、LCD12864显示值，用电流表测量采样电阻两端电流值并转换为电压值,并计算相对误差值.数据如表1、表2所示.

由表1、表2记录的数据分析可知：经过PID调整、记录数据后，双路输出的电压电流值分别稳定在按键输入值左右，并在其上下浮动.经过计算，最大相对误差小于3%.可以得出：通过闭环仿真测试，能够证明该控制系统稳定，可以达到预期的目的.

表1 按键输入电压、液晶显示电压、电源输出电压、相对误差

表2 按键输入电流、液晶显示电流、电源输出电流、相对误差

4.2 实际测量

将此控制系统与实际电路相连接，记录数据如表3、表4所示.由表3、表4数据分析可知，该X射线管工作电源的控制系统工作稳定，能够达到管电压范围0～50 kV连续可调，管电流范围0～40 mA连续可调，纹波系数<0.3%，电源效率高于78%.

表3 输出电压最大时束流值

表4 束流最大时输出电压值

5 结 语

所述X光机电源控制系统的设计方案，采用数字化DSP控制，结合其外围硬件电路，实现对X光机高压电源及灯丝电源闭环实时控制，能够达到管电压0～50 kV连续可调，X射线管电流0～40 mA连续可调等目标.通过对实验运行情况及实验数据的分析可知，该控制系统具有操作简便，工作稳定，精度高等优点.结合新型高压开关电源、高频灯丝的原理与技术，符合X光机目前的发展趋势——数字化、智能化、高频化、小型化[18]，具有良好的应用价值.

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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

辽宁省科技厅科学技术计划项目(20092069)；沈阳市科技计划项目(F14-231-1-37)

邓玉福(1966-),男，辽宁东港人，沈阳师范大学教授，博士.

1000-1735(2017)02-0187-05

10.11679/lsxblk2017020187

TN86

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