基于ARM7和USB技术的工业CT数据采集系统设计

肖 慧， 刘义保， 赵梦云

(东华理工大学核工程与地球物理学院，江西抚州 344000)

工业CT(ICT)是计算机断层扫描技术的工业应用，主要用于工业产品的无损检测和探伤，它不受被检物的材料、形状、表面状况影响，能以灰度图象形式展示出构件的二、三维直观图像(高富强等，2007;张平等，2006)。工业 CT探测器由固态闪烁晶体和光电倍增管组成，接收射线并将其转化为可识别信号(高富强等，2008)。数据采集系统将探测器获得的信号转换、处理和存储以供后期图像重建用，是关键的组成部分(段黎明等，2007)。传统的数据采集系统采用廉价落后的单片机来控制实现，其可靠性、稳定性、准确性和一致性都较低，直接影响到CT系统重建图像的质量，甚至出现采集程序工作不稳定以及图像数据缺失等现象(段黎明等，2008)。我国现用的工业CT数据传输大多是通过数据总线接口，如ISA总线、PCI总线等。但是ISA总线传输速率低，易造成传输瓶颈(张平等，2009)。PCI总线传输速度虽然高，但存在现场安装麻烦、布线繁琐、价格昂贵等缺点。随着技术的发展，体积小、成本低、效率和精度高的新型工业CT成为工业发展的时代需求(瞿中等，2004;Cheng，2004)。

针对以上问题，本文提出了一种基于ARM7和USB接口技术的工业CT数据采集系统的设计方案:系统采用单探头的扫描方案，对样品每个断层进行平移加旋转的方式扫描，探测器接收并产生的信号经过调理放大电路处理后进入ARM7完成A/D转换和数据预处理，最后通过USB接口送入计算机存储，实现在线数据获取。高度的集成效果可以解决以往工业CT体积大，成本高、仪器笨重等问题。

1 系统硬件设计

系统硬件包括以下几个部分:第一部分为数据产生的硬件装置。主要包括Na I固态闪烁晶体和光电倍增管组成的射线探测器;第二部分为信号调理的电路，包括线性放大电路、幅度甄别电路、A/D变换电路;第三部分为电机运动控制设计，包括平移和旋转步进电机的运动控制;第四部分为数据传输的设计，包括USB，ARM7和上位机之间的相互通信。

系统中核心控制芯片选用ARM7系列的LPC2290，USB接口芯片选用南京沁恒公司的CH376。LPC2290属于32位的处理器，其丰富的GPIO口，强大的外设功能不仅实现步进电机平移和旋转的控制，还完成前端探测信号的A/D转换及数据预处理，并通过USB实现与上位机的通讯。CH376支持1.5 Mbps低速和12 Mbps全速USB通讯，兼容USB 2.0，且外围电路简单、速度快、效率高，能够即插即用，适合实时、高速的数据处理使用。

1.1 信号调理电路

信号调理电路是数据采集系统中非常重要的一部分，直接决定着最终采集到的数据的好坏。图1是信号调理电路的示意图。

图1 信号调理电路结构图Fig.1 Signal processing circuit structure diagram

1.2 电机运动控制模块

通常控制系统采用计算机或PLC为核心的CT成本高、体积大。本文控制系统采用一种与以前的大型工业 CT设备完全不同的设计方式:采用LPC2290作为核心控制器，将运动控制、数据采集与一些辅助功能结合到一起，同时为了增强硬件电路的可靠性和可视性，采用自动/手动控制和显示模块。硬件设计框图如图2所示。整个硬件系统的电路部分集成在一块电路板上，大大提高了控制系统的集成度。

1.3 数据通信模块

图2 电机运动控制模块Fig.2 Motor control module

本文的采集系统是一个上下位机系统。上位机通过采集控制软件提供人机操作界面，实现参数设置、命令发送、数据接收及状态显示等功能;下位机是以ARM7微控制器为核心的控制系统，负责命令接收、运动控制、数据采集、数据传输等功能的具体实现，以及CT扫描等任务的流程控制。上、下位机之间数据的传输需要通过 USB接口来完成，其电路连接如图3所示:

图3 USB接口电路原理图Fig.3 USB interface circuit diagram

2 系统软件设计

系统中上、下位机之间命令和数据的传输通过USB接口来完成，二者之间除了要制定一系列的USB通信协议外，还需设计上位机的采集控制软件和底层ARM7的控制软件。通常USB通信协议已经固化，这里不再讨论。

2.1 上位机的采集控制软件

采集控制软件通过VC语言编写，运行在上位机的Windows XP平台上，设计实现了简洁美观、操作方便的人机交互界面。采集控制软件由测试模块、电机控制模块和数据采集模块三大部分构成。测试模块负责保证仪器工作正常，包括通讯测试和电机测试;电机控制模块设定步进电机的初始位置;采集程序负责初始化设置、数据的采集、电机控制、数据保存，在数据传输过程中确保数据的正确性。

2.1.1 测试模块

测试模块负责上、下位机的通讯。当设备出现故障或者采集数据有较大误差甚至发生错误，可以通过测试模块的操作，检查设备通讯是否正常以及电机控制的准确性，这样从源头检查错误，可以很快检查出错误并改正。测试流程如图4所示:

图4 测试模块流程Fig.4 Test module process

2.1.2 电机控制模块

在上位机软件中，通过电机控制模块菜单操作步进电机自由移动，方便电机初始和中止位置的确定。电机控制操作界面如图5所示。

2.1.3 数据采集模块

数据采集模块通过调用电机控制模块获取被测物体的采集信息，将下位机采集的信号通过USB接口接收到内部缓冲区中，当采集过程完成时，按工业CT数据格式保存。

采集数据，提交给图像处理软件进行处理。采集流程如图6所示:

2.2 底层控制软件

图5 电机初始化设置界面Fig.5 Motor initialization setting interface

底层ARM7控制软件完全模块化，包括主程序、初始化、USB通信、任务执行、电机控制、诊断告警等几大模块，易于维护和升级。ARM7程序采用C语言和汇编语言混合编写，编程和调试均在ADS1.2开发环境下进行。

主程序流程如图7所示。初始化模块包括系统资源的初始设置和上电自检。系统资源包括单片机片内寄存器、USB通信缓冲区、系统的各种变量及标志等，上电自检对扩展 RAM、CH376S、电机驱动器等进行诊断，若发现系统错误则置位相应的告警标志。当发生 USB通信中断、电机手动控制或告警中断时，则调用相应的程序模块进行处理。在下位机程序运行过程中，LED指示灯指示电路的工作状态，当电路开始工作时，LED灯点亮，当数据采集开始时，下位机每取得一个数据，LED灯闪烁一下，采集完成后，LED灯恢复正常点亮状态。

图7 底层控制软件流程Fig.7 Program process of slave computer control

3 系统测试结果

本文数据采集系统的所有元器件在实验仪上装配完成后，将底层控制软件通过JTAG方式烧录到ARM7核中，在未打开射线源的情况下，进行控制系统软硬件的联合调试。

3.1 USB 通讯测试

USB通讯测试主要为数据校验测试和传输速度测试，通过调用一个测试线程测试数据传输的正确性和传输速度。测试时，向端点2下传输入框内输入任意数字，端点2上传输入框可以接收到下位机取反后的数据。图8即为该软件的测试界面，测试结果说明数据传输完全正确，传输速度为4.6 Mb/S。

3.2 步进电机的控制测试

步进电机的测试主要指上位机对电机的控制能力测试:通过上位机操作界面分别设定平移和旋转电机的初始位置和中止位置，对比电机实际的执行结果得出结论。经过测试，电机在扫描总长设定范围内(0～200 mm)，执行误差不超过电机的1个单位步长(或1个单位步距角)。如图9为平移电机分别执行10 mm和15.5 mm总长的结果，电机旋转误差最大为3°，折算成平移距离为0.008 3 mm，说明上位机能够实现电机的精确控制。

图8 USB通讯测试Fig.8 Test of USB communication

图9 步进电机的控制测试Fig.9 Test of stepper motor control

测试结果说明，数据传输稳定可靠、高效便捷，步进电机控制方便精确。

4 总结

本文提出了一种与传统大型工业CT采集系统完全不同的设计方案，将ARM7和USB技术结合起来实现数据采集的控制与传输。利用ARM7强大的控制处理功能，提高了电路的集成度和稳定性，节约了成本;USB技术很好的解决了传统的工业CT传输速率低、布线繁琐、价格昂贵等问题。

总之，本文设计的基于ARM7和USB技术的工业CT数据采集系统能够满足新型工业CT体积小、成本低、效率和精度高的发展要求。

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