1、1基于 ARM7 的工业 CT 控制软件的设计摘 要：本文设计了一种基于 ARM7 为核心处理器的工业 CT 控制软件。完成对工业 CT 系统步进电机的机械控制和数据采集，结合 USB 接口芯片 CH376 实现上下位机的数据传输，上位机利用计算机编写人机交互界面，实现了对下位机的控制，界面状态显示和数据保存。测试的实验证明：该系统软件具有数据传输准确，传输速度快，上位机控制软件界面简洁，使用方便，运行稳定，可实时显示控制下位机状态，下位机程序执行速度快，电机控制精确，采集效率高，数据准确等优点，满足设计要求。 关键词：工业 CT USB CH376 中图分类号：TP381 文献标识码：A 文
2、章编号：1003-9082（2014）05-0006-02 一、引言 CT 技术首先应用于医学领域，形成了医学 CT（MCT）技术1，其重要作用被评价为是医学诊断上的革命。CT 技术成功应用于医学领域后，美国率先将其引入到航天及其它工业部门，另一些发达国家相继跟上，经过一段不长的时间，形成了 CT 技术的又一个分支工业CT（Industrial Computed Tomography， ICT） ，其重要作用被评价是无损检则领域的重大技术突破26。因同出于 CT 技术，医学 CT 和工业CT 在基本原理和功能组成上是相同的，但因检测对象不同，技术指标及2系统结构就有较大差别。前者检测对象是人体
3、，单一而确定，性能指标及设备结构较规范，适于批量生产。工业 CT 检测对象是工业产品，形状、组成、尺寸及重量等千差万别，而且测量要求不一，由此带来技术上的复杂性及结构的多样化，专用性较强7，8。 在国内，CT 教学实验仪主要为 射线 CT 教学实验仪。其中以 射线 CT 教学实验仪为主，研制单位主要是清华大学和重庆大学，并已形成几种产品，广泛应用于各高校的教学实验中。清华大学曾率先在 1999 年研制出了 PPL-型 CT 教学实验仪，采用强度为 10mCi 的 137Cs 作为放射源，单探测器结构，被测工件的最大尺寸为 50mm80mm，空间分辨率小于 1mm，具有 CT 扫描成像和 能谱测
4、量两种功能。2004 年，清华大学将仪器稍作改进得到 PPL-型 CT 教学实验仪，仪器的整体结构和功能几乎不变912。 在本文中以微控制器 ARM7 平台为工业 CT 核心控制系统，通过控制机械扫描装置，对探测器传来的数据进行模数转换并上传至计算机系统，计算机系统不仅接收保存数据，还对下面设备实时监测和控制。通过设计上位机采集控制界面，下位机控制软件，优化上下位机之间数据传输的通信协议，在此基础上研究并完善了运动控制和数据采集与传输的设计方案，使系统运动实现控制精度高、数据采集准确、数据传输可靠，采集时间短的效果。最后还对整个系统进行了联合调试，结合实际的工作性能得出最终结论。 二、系统整体
5、结构 现有的工业 CT 普遍存在传输设备落后，传输速度慢，灵活性差，通3用性差，无法实现软硬件升级等问题。本文针对控制部分软件设计存在的不足利用 ARM7 作为核心设计 CT 的采集控制系统。本文采用上位机控制下位机，下位机控制工业 CT 的工作方式完成对控制系统的设计，如图1 所示。 整个控制系统由上位机软件，传输系统，下位机部分，前端调理电路，执行单元等构成。上位机软件提供人机交互控制界面，状态控制，数据显示与保存等功能，主要利用 MFC 编写上位机程序。 传输系统是完成下位机与上位机通讯和数据传输用的接口转换功能，上位机发送的控制命令以及控制系统的状态检测需要通过传输系统上传至上位机显示
6、。下位机采用微控制器对系统进行采集控制，数据接收，模数转换以及上传等工作。由于一般输入信号含有较大干扰，故在数据采集前需加前段调理电路对输出信号进行初步处理，前端电路一般包含放大电路，滤波电路，采样与保持电路等构成。执行单元考虑到由下位机控制并且需要较高的定位精度，采用步进电机作为执行单元控制物件的平移和旋转。 三、系统软件设计 工业 CT 系统的采集控制软件运行在上位机计算机的 Windows 平台上，为用户提供简洁美观、操作方便的交互界面。采集控制软件通过 USB接口接收下位机 ARM7 的采集数据，然后提供给图像处理软件。 上位机控制软件是使用 C+语言，利用 VC6.0 软件编写而成。
7、上位机程序主要作用是实现交互界面，控制下位机，并且实时显示转换数据。在前期设计中上位机软件部分存在响应速度慢，可定制性较差，数据采4集效率低，代码繁杂，未写数据保存格式等不足。本文针对以上不足进行进一步改进，主要完成初始化设置下传，速度测试，数据采集，数据保存等程序设计。 上位机软件部分主要由操作界面，初始化设置，电机测试，电机控制和数据显示与保存等部分构成。 系统菜单部分里包含所有可用命令，如图 2 所示，菜单包含开始，通讯测试，电机测试，电机控制，数据采集，帮助等模块，每个模块又由多个命令构成，数据采集控制模块里的快捷命令都包含在开始菜单中。如图 3 所示，当用户打开程序时，系统检测 US
8、B 设备是否插入，当用户打开设备后，系统便等待用户执行相关命令，在执行采集控制指令前需要进行参数初始化设置，设置好采集参数和电机参数后便可开始进行系统操作，当用户执行某一操作命令时，上位机将相应命令码下传至CH376 中的缓冲区中，CH376 接收成功后产生中断，下位机接收中断后执行中断程序，程序读取下传的命令码并根据命令码执行相应的中断子程序，如产生数据需要上传，则上传至 CH376 中的缓冲区中供上位机接收，下位机执行完中断子程序后退出中断，继续等待接收下传命令，上位机控制软件接收数据并进行进一步操作，完成操作后程序复位，继续等待用户命令。 下位机主要由 ARM7 构成，负责读取上位机下传
9、的命令包并执行电机控制，数据采集及上传等工作。其主要工作过程如图 3-22 所示，CH376接收上位机下传的命令字并以中断的形式通知下位机接收，下位机进入5中断获取中断状态并接收命令字，根据命令字执行相应子程序。 在前期设计中，下位机电机控制精度不高，未写初始化参数接收程序和上传速度测试，数据采集代码繁杂，效率低。本文在研究前期设计的基础上，改进电机控制函数，增加与上位机相对应的上传速度测试和参数接收程序，优化数据采集流程，精简相关代码，在实际测试中取得良好效果。 射线信号经过前端的信号调理电路的放大、滤波、甄别、展宽之后，使用模数转换器进行数据采集和模数转换。根据前期设计的数据采集流程存在采
10、集效率低，执行复杂等问题，本文重新编写数据采集操作程序，提高了数据采集效率并优化相关代码。 执行采集操作前需进行上位机初始化设置，需对采集参数进行设定，包含平移步距角，旋转步距角，平移数，旋转次数，电机速度等进行设定，也可采用默认设置。 本文以初始化设置中的默认值为例并结合上位机数据采集操作进行采集流程说明。采集流程如图 5 所示，上位机在上位机执行开始采集操作前便根据初始化设置值计算好平移次数和旋转次数，当点击“采集开始”按钮时，数据采集开始，上位机向下位机下传数据采集命令码，下位机接收到数据采集命令后，首先进行数据采集并启动 AD 转换。 图 5 下位机数据采集流程 进行多次 AD 转换读
11、取转换数据，然后将转换数据上传至 CH376，上位机从 CH376 中读取数据并显示。电机控制物体平移 2mm，然后程序根据采集次数判断是否到达终点，若没有则退出子程序继续等待数据采集命6令，上位机显示完数据后继续发送数据采集命令。下位机循环执行采集平移操作 30 次，当物体到达终点后，电机控制物体旋转 3 度并改变平移电机方向，接着重复采集平移操作 30 次。当物体平移至起点时，电机控制物体旋转 3 度并改变平移电机方向，进行下一周期数据采集。如此循环 15 次，下位机共执行 3600 次采集操作，采集 3600 个数据，最后数据采集完成，电机控制物体返回起点。 总结 本文通过对上位机和下位
12、机的程序设计使得整个控制系统运行具有状态良好，软件响应速度快，设备连接稳定，数据采集效率高。采用 ARM 7 微控制器作为下位机完成工业 CT 系统步进电机的机械控制和数据采集，结合 USB 接口芯片 CH376 实现上下位机的数据传输，上位机利用计算机编写人机交互程序，实现了对下位机的控制，界面状态显示和数据保存，以 C+语言为编程语言，完成工业 CT 教学仪控制系统采集控制软件和底层 ARM 控制软件的编写，以及上下位机之间数据传输通信协议的制定，并进一步完成数据显示与保存等功能的实现。 参考文献 1卿杰.工业 CT 三维图像测量技术研究D. 重庆大学.2007：7-9. 2马睿.工业 C
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