基于Labview的微焦点X射线源供电系统人机界面设计

邹　敏华东电子工程研究所，安徽合肥　　230088

基于Labview的微焦点X射线源供电系统人机界面设计

邹敏
华东电子工程研究所，安徽合肥230088

摘要微焦点成像技术以其优越的成像性能得到了越来越多的关注与应用。微焦点X射线源作为微焦点成像设备的核心部件，其性能好坏决定着整台成像设备设计的成败。本文针对微焦点X射线源供电系统的需求，基于单片机的硬件控制平台，采用高效的图形化编程语言LabVIEW，设计开发了人机交互系统，通过RS485接口实现了对微焦点X射线源各极电源的实时监控。

关键词微焦点成像；微焦点X射线源；供电系统；图形化编程语言；人机交互系统

0　引言

作为无损检测的一种，射线检测技术经过一个多世纪的发展，已从最初的单纯胶片射线检测发展到今天以先进的数字技术为特征，包括射线照相检测、射线实时成像检测等多种技术的无损检测技术。射线检测技术与其他无损技术一起，在社会生产、生活等诸多方面发挥着越来越重要的作用[1-2]。

在多种射线检测技术中，又属X射线成像技术获取的信息量最多、最准，分辨率也是最高的，它也是目前发展得最成熟的成像技术。然而，成像清晰度和分辨力不够、对患者辐射剂量大等问题一直制约着X射线成像技术的发展。近年来，随着计算机技术、半休工艺水平及电子学技术的突飞猛进，X射线成像技术正朝着微焦点成像的方向发展。文献[3]中介绍了X射线成像技术的一些发展趋势。微焦点技术的出现使图像质量得到大大提高，微焦点X射线源也成为微焦点X射线成像仪的理想射线源[4-5]。

本文依托微焦点X射线成像仪平台建设项目，为其中的核心部分——微焦点X射线源的高压供电系统设计了一套人机交互系统。先对微焦点X射线成像仪及其供电系统进行了介绍，接着详细介绍了整个人机交互系统的设计过程。

1　系统介绍

1.1 微焦点X射线成像仪介绍

图1所示为微焦点X射线成像仪实物图及其系统构成，它由高频电压微焦点X射线源、X射线平板探测器、二维运动平台、电源系统及控制系统等组成，是集现代计算机技术、精密机械制造技术、光学技术、电子技术、传感器技术、无损检测技术和图像处理技术等于一体的高科技产品。

X射线穿透能力强，透过不同密度的样品，与样品发生相互作用。在接收端，探测器接收到的信号强弱反映了样品的密度分布情况，对该信号进行滤波、放大等处理后，送上位PC机。经数字图像处理后，便可以对样品进行实时成像，该成像能很清晰地反应被测样品的内部缺陷和形状。

1.2 微焦点X射线成像仪供电系统

本平台建设项目中的微焦点X射线成像仪具有两种工作模式：热发射模式和场发射模式。相应地，微焦点X射线源供电系统也有两种模式，如图2所示，两种模式下所需控制电源的种类，各电源加/断电顺序有所不同。由图可知，此供电系统电源种类多，供电电压高，电源控制复杂（各电源分三段进行控制）。各路电源包含过压保护、过流保护、人身安全保护功能。

2　硬件平台

微焦点X射源高压供电系统的硬件平台由基于单片机的控制板，各个电源模块和两个箱体（控制箱与等电位箱）组成，实物如图3所示。PC机上的人机交互系统通过RS485串行通讯接口往控制板发送指令，控制板将指令译码后经光纤分发至位于两箱体内的各个电源模块，从而实现对电源模块的实时监控。

3　人机界面设计

3.1 虚拟仪器和Labview概述

虚拟仪器（Virtual Instruments，简称VI），是美国国家仪器公司（National Instruments，简称 NI）于1986年提出的全新概念。它利用软件界面来模拟传统仪器的控制面板，以多种形式来表达输出结果；利用各种接口来实现信号的采集与控制。LabVIEW是NI公司同年推出的一种高效的图形化软件开发环境，也是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化编程语言。目前，LabVIEW已经成为测试与测量领域的工业标准，它所具有的丰富的仪器驱动程序库使得复杂的测试任务变得简单易行[6]。

3.2 通讯协议

PC机与控制板之间采用RS232通讯协议，具体协议格式如图4所示。数据长度以字节为单位，一帧数据包括13个字节。

每一帧数据以报头FD开始，以报尾AA结束。其中电源箱编号字节用于选择控制箱或等电位箱；操作电源字节用于选择预监控电源；设置/查询字节用于区分指令是控制指令还是查询指令；双字节参数部分用于存储电压或电流的回读值或设置值。CRC校验用于验证数据帧传输的正确性。

3.3 系统数据流程框图

图5所示为人机交互系统的主界面，该系统有场发射、热发射、调试及校准4种工作模式，可对11组电源进行实时监控。调试模式下可实时观察收发数据帧、AD输入电压及输入电流值等中间变量。

整个系统数据流程框图如图6所示。整个系统的工作流程如下：上电复位后，先进行系统初始化，对串行通讯接口进行配置，选择工作模式；在相应的工作模式下，按相关的加电顺序要求对各组电源输出电压进行设置。系统对各组电源的输出电压及输出电流进行实时监测，当监测到某路电源出现过压或过流现象时，主界面上相应的报警灯会亮起，同时系统自动切断整个供电系统，确保人生安全。当实际输出电压与预设电压相差超出指标要求时，需对整个供电系统各路电源进行校准后才能使用。

3.4 模块化设计

整个系统采用模块化设计思想，包括校准模块、串口配置模块、设置模块、查询模块及数据处理等模块。由于整个程序过于庞大复杂，下面只对其中几个功能模块的程序设计进行简要介绍。

3.4.1 通道校准

实际使用中，由于环境温湿度的变化，电源实际输出电压与预设电压会有所偏差，当偏差超出指标要求时，需进入校准模式对各路电源进行校准。根据供电系统设计要求，每路电源须分三段进行控制。在某一段内，电源实际输出电压与AD输入电压关系如公式（1）所示，式中x为AD输入电压/电流，y为电源实际输出电压/电流。参数a，b随着环境的变化而变化。校准模块通过调试模式下读取的x，y值对a，b值进行更新。

3.4.2 设置模块

通过简单的参数配置，设置模块可实现对各路电源输出电压电流的控制，其配置如图7所示。该模块可自动判断前面板输入的预设电压所处分段并将其转换成相应的AD输入电压，再经数据帧打包子程序将生成的电源电压/电流设置指令帧发给控制板。

3.4.3 查询模块

查询模块主要用于实时监测并显示各路电源的实际输出电压及输出电流，其程序框图如图8所示。首先数据打包子程序将生成的某路电源电压/电流查询指令经串口发送至控制板。经过指定延时后，再将经串口回读的实际电压/电流值数据帧送数据解包子程序解包后送数据处理模块处理，并将最终的结果在前面板上显示。

3.4.4 数据处理模块

数据处理模块分析解包后的相关信息，判断此回读数据帧查询的是电压还是电流，电压是正是负，是否过压，是否过流等。其程序框图如图9所示。

4　结论

本人机交互系统基于单片机硬件控制平台，通过RS485串行通讯接口，利用Labview的图形化编程和强大的功能实现了对微焦点X射线源各路电源的实时监控，为后续的平台开发奠定了硬件和软件基础。本系统具有开发快捷、可靠性高、使用方便、可扩展性强等优点。

参考文献

[1]耿荣生.新千年的无损检测技术[J].无损检测，2001，23（1）：1-5.

[2]郑世才.我国射线检测技术近年的发展[J].无损检测，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.微焦点X射线检测技术的现状与应用[J].无损检测，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]陈锡辉，张银鸿.LabVIEW 8.20程序设计从入门到精通[M].北京：清华大学出版社，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

作者简介：邹敏，博士，中国电子科技集团公司第三八研究所工程师，研究方向：宽带数字收发技术研究和工程开发

中图分类号U223.6

文献标识码A

文章编号1674-6708（2015）141-0145-03