陳文明 葉云洋

摘 要：工業(yè)用測厚儀有接觸式和非接觸式兩種，通常在線測量使用非接觸式的，而X光測厚儀是目前非接觸式中使用最多的。一般而言，工業(yè)上多采用以PLC和工業(yè)計(jì)算機(jī)為核心實(shí)現(xiàn)測厚數(shù)據(jù)的采集和處理，但該系統(tǒng)體積大、價(jià)格昂貴，不適合中、小型企業(yè)客戶的需求。為此，提出基于高速單片機(jī)的X射線測厚儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在保證系統(tǒng)工作效率和測量精的前提下，使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡化以及設(shè)備的成本降低了。

關(guān)鍵詞：高速單片機(jī)；X射線測厚儀；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

1 X射線測厚的原理

X射線測厚儀原理是利用X射線穿透被測物時(shí)的衰減規(guī)律來進(jìn)行測量物體厚度的，因?yàn)閄射線穿透物體時(shí)X射線強(qiáng)度會有能量損失，我們就根據(jù)X射線穿透物體前后的能量差值來確定被測件的厚度。

下面通過一個(gè)示意圖來說明X射線測厚理論。如圖1所示，I0為X射線入射前的強(qiáng)度，I為X射線入射后的強(qiáng)度，ΔI=I-I0即為X射線穿透物體前后強(qiáng)度的變化量。設(shè)t為被測物體的厚度，μ為被測物體的X射線強(qiáng)度吸收系數(shù)（μ與被測物體的材料性質(zhì)有關(guān)）。在被測物體材料成分一定的情況下，則射線強(qiáng)度的變化量可用如下公式表示：

-？駐？磚=？滋I0t （1）

當(dāng)μ 和I0一定時(shí)，上式可改寫為：dI/I=-？滋dt （2）

對兩邊積分得： （3）

當(dāng)t=0時(shí)，I=I0，因此：I=I0e-？滋t （4）

上式中，當(dāng)μ和I0已知時(shí)，I僅是被測材料厚度t的函數(shù)，因此只要測出I的大小即可計(jì)算出被測材料的厚度t。

圖1 X射線測厚儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 高速單片機(jī)C8051F060 的特點(diǎn)

美國Cygnal公司推出的C8051F系列單片機(jī)，將51系列單片機(jī)從MCU級推向了SoC時(shí)代。特別是C8051F06X系列，更是集當(dāng)前單片機(jī)最新發(fā)展技術(shù)于一身，其功能已完全達(dá)到板卡級水平。與普通51系列單片機(jī)比較，有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

（1）運(yùn)行速度快：這是高速單片機(jī)C8051F060 相較普通單片機(jī)最明顯的一個(gè)特點(diǎn)，其運(yùn)行速度是普通51系列單片機(jī)快10倍，其運(yùn)行速度可達(dá)25MIPS（25MHz晶振）。（2）集成度高：單片機(jī)C8051F060 片上有足夠的輸入輸出接口（含有59個(gè)I/O口，10位逐次逼近型（SAR）ADC和8通道可編程增益等），并且具備較大的數(shù)據(jù)和程序存儲空間（有64kB的 Flash、4352B的內(nèi)部RAM，且可外擴(kuò)至64kB）。因此使用時(shí)基本基本不需再另加輔助電路，從而大大簡化了電路結(jié)構(gòu)，同時(shí)也提高了系統(tǒng)的可靠性。（3）功能強(qiáng)大：C8051F060集成了CAN總線控制器，且單片機(jī)C8051F060內(nèi)設(shè)功能多，包含有5個(gè)16位通用定時(shí)器，6個(gè)可編程定時(shí)器，有2個(gè)UART、1個(gè)SM（兼容12C）和1個(gè)SP等，具有開發(fā)費(fèi)用低廉、抗干擾性強(qiáng)、適用于工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用等特點(diǎn)，因此該單片機(jī)具有廣闊的市場發(fā)展前景。

雖然高速單片機(jī)C8051F060雖然比普通的51系列有很大不同，但其編程指令與標(biāo)準(zhǔn)系列51單片機(jī)是兼容的，因而也比較容易掌握、開發(fā)和學(xué)習(xí)。

3 X射線測厚儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 X射線測厚儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

前面分析了傳統(tǒng)的X射線測厚儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理，測量被測物體的厚度，關(guān)鍵是要能夠測量出X射線入射后的強(qiáng)度I，因此在X射線測厚儀輸入端必須要裝一個(gè)X射線探測頭，X其作用就將接收到的信號轉(zhuǎn)換為電信號，然后將電信號經(jīng)過前置放大器放大，再經(jīng)基于單片機(jī)C8051F060的X射線專用測厚儀操作系統(tǒng)處理、轉(zhuǎn)換，最后將得到的材料實(shí)際厚度數(shù)據(jù)送到專門的顯示器顯示出來。相比較傳統(tǒng)的測厚系統(tǒng)，設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)C8051F060的X射線測厚系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

（1）由于采用單片機(jī)控制的X射線專用測厚系統(tǒng)體積較小，可以將此系統(tǒng)直接放在X射線探測頭內(nèi)，大大縮短了信號的傳輸距離，這樣可以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。（2）由于系統(tǒng)內(nèi)傳輸和處理的信號為數(shù)字信號，因此設(shè)計(jì)的X射線測厚系統(tǒng)具有更好的穩(wěn)定性；（3）由于C8051F060 單片機(jī)具有高速的數(shù)據(jù)采樣與處理能力，系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度快，因此系統(tǒng)很適合用在線測量系統(tǒng)中。

3.2 硬件電路設(shè)計(jì)

如圖2所示，以C8051F060單片機(jī)為核，加上配套的時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、數(shù)據(jù)采集電路、輸入輸出電路和處理電路，構(gòu)成了結(jié)構(gòu)較簡單的X射線數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)硬件電路。單片機(jī)的工作狀態(tài)由連接到單片機(jī)P0.6 端口的發(fā)光二極管D1指示，S2-S4與R10-R15等用于調(diào)零與校準(zhǔn)補(bǔ)償電路。 同時(shí)為了使信號在工作現(xiàn)場不被電磁干擾，設(shè)計(jì)中需將RS232信號轉(zhuǎn)換為RS485信號，再將信號輸出到LED數(shù)碼管顯示出來。這里采用半雙工通訊芯片MAX485作為轉(zhuǎn)換接頭。該硬件電路工作過程如下：（1）首先將經(jīng)過被測物體衰減后強(qiáng)度為I的X射線轉(zhuǎn)換為電流信號；（2）將信號通過前置電流放大器AD549放大；（3）將信號通過電壓跟隨器后送到C8051F060單片機(jī)的16位ADC輸入通道進(jìn)行電壓采樣；（4）采樣后的數(shù)據(jù)經(jīng)過單片機(jī)內(nèi)部處理和計(jì)算，得到被測板材厚度值；（5）最后將被測厚度由UART串口輸出到電腦顯示器。

當(dāng)X射線測厚儀使用一段時(shí)間后，要閉合S2，對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)零；如果不及時(shí)通過S3或S4對系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)補(bǔ)償，會使系統(tǒng)測量出的準(zhǔn)確度會逐漸下降。通常在測厚儀開機(jī)后，正式測量前，先測量一塊已知厚度的標(biāo)準(zhǔn)樣板，然后通過S3或S4來進(jìn)行校準(zhǔn)補(bǔ)償。

3.3 軟件設(shè)計(jì)

C8051F060是高度集成的片上系統(tǒng)混合信號單片機(jī)，片上集成了兩組數(shù)模轉(zhuǎn)換器ADC0和ADC1，兩個(gè)ADC可以獨(dú)立工作，也可以進(jìn)行同步轉(zhuǎn)換，使用專用的內(nèi)部電壓基準(zhǔn)或使用外部電壓基準(zhǔn)源，允許用軟件事件或外部硬件信觸發(fā)ADC轉(zhuǎn)換。文章設(shè)計(jì)的系統(tǒng)就是兩個(gè)ADC獨(dú)立工作，且采用軟件事件觸發(fā)。

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用模塊化程序設(shè)計(jì)方法，即把一個(gè)較長的完整程序，分成若干個(gè)子程序。每段程序完成一個(gè)功能，并且具有相對獨(dú)立性。而模塊化程序設(shè)計(jì)易找出出錯(cuò)的語句和地方，簡潔明了，所以本次軟件程序采用模塊化設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)的主程序框圖如圖3所示，程序整體主要包括模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、校準(zhǔn)與補(bǔ)償和顯示輸出等模塊組成，利用這些模塊可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換、保存、報(bào)警、管理、顯示等。系統(tǒng)工作時(shí)首先從數(shù)據(jù)RAM中讀取采集到的電壓信號，再用軟件事件信號觸發(fā)ADC轉(zhuǎn)換，為了減少其它數(shù)據(jù)的干擾，要將信號經(jīng)過數(shù)字濾波。最后將得到的數(shù)值代入物體下面的厚度計(jì)算公式（5）中，經(jīng)運(yùn)算就可以得到被測材料的厚度值。

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 分別為不同材質(zhì)板材的擬合系數(shù)；u0為X射線射入被測物體前的采樣電壓值；u為X射線經(jīng)過被測物體后的采樣電壓值；taj為校準(zhǔn)補(bǔ)償值。

3.4 測試與結(jié)果分析

測試中要先采用標(biāo)準(zhǔn)的樣片進(jìn)行驗(yàn)證，將X射線穿過同種材料不同厚度板材，將衰減后的X射線經(jīng)基于C8051F060 單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，得到衰減程度數(shù)據(jù)情況如表1 所示，可以發(fā)現(xiàn)X射線穿過同種材料不同厚度板材的衰減情況。為了盡可能減少測量誤差，要將記錄每組的值代入式（4）進(jìn)行擬合，從而得到最佳的參數(shù)。

同時(shí)，為了驗(yàn)證X射線測厚儀的測試精度，依據(jù)工業(yè)使用標(biāo)準(zhǔn)，專門計(jì)算被測物體厚度在0.2-2.0 mm的范圍內(nèi)的測量精度，計(jì)算出來的精度表如表2，由表2的數(shù)據(jù)可以看出，所有采樣的實(shí)際值和測量值之間誤差都在千分之一以內(nèi)。

4 結(jié)束語

經(jīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證，設(shè)計(jì)的基于C8051F060單片機(jī)的X射線測厚儀不但結(jié)構(gòu)簡單，成本低，而且系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)，特別是被測物體厚度在0.2-2.0 mm范圍內(nèi)其測量精度高，達(dá)到了工業(yè)生產(chǎn)的要求。

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作者簡介：陳文明（1978-），男，漢族，湖南祁陽，碩士研究生，講師，主要研究方向：電氣工程。