x光工业用ct成像二代扫描运动控制系统设计

项目 万方数据 ! ! 在工业 "#$%系统中，当探测器（或传感器）数 量为有限的情况下，为获得 $%成像用所需的足够 多的投影数据（如 &’( ) &’( 或 ’*& ) ’*&），则一般 通过运动扫描方法来实现。国外工业 "#$% 系统 的运动扫描方式主要采用二代（!代）扫描方式，即 “平移 +旋转”运动。在国内因研发的主要为工业 ! #$%系统，故较多采用三代（"代）扫描，即仅“旋 转”运动，一则控制较为简单，二则 !射线源射线出 束角度可任意确定；对工业 "#$% 系统，则较多采 用二代扫描运动控制，即“平移 +旋转”运动，这缘 于 "射线出束角度有限制，一般小于 &,-。目前， 国内对此项研究工作尚处于起步研究阶段。本文 将介绍二代扫描的实现方案、提高扫描效率的方案 以及运动控制系统总体方案的设计。 !" 工业 "#$%二代扫描的特点 ! ! 工业 "#$%二代（!代）扫描是在一代（#代） 扫描基础上发展起来的，如图 * 所示。使用单个 "光源多探测器阵列，" 光源为一小角度的扇形 射线束。由于射线出束角小、探测器数目少，因此 扇形束不能全包容被检断层，其扫描运动除被检 物需作 !个分度旋转外，射线束与探测器阵列架 一起相对于被检物还需作平移运动，直至全部覆 盖被检物，获得所需的成像数据为止。当需要得 到被检物的三维图像时，再加一个分层运动即可。 图 *! 二代 $%扫描方式 ./01 *! 2343567/84#! 9:644/40 #" 二代扫描方案的设计 ! ! 二代扫描必须进行“平移”和“旋转”（分度） 两种运动才能得到一个断层的 $% 图像。由于分 层运动与平移及分度运动是基本独立的，所以二 代扫描方案的设计主要是针对平移和分度运动。 这二者的协调运动至关重要。根据二代扫描的特 点，设计了下面两种方案来实现二代扫描，如图 & 所示。 （6）“步进”式二代扫描 （6）;73<#=>#973< 9:644/40 （=）“连续”式二代扫描 （=）$847/4?8?9 9:644/40 图 &! 两种二代扫描方案 ./01 &! %@8 A/4B9 8C 0343567/84#! 9:644/40 图 &（6）所示为“步进”式二代扫描方案。之 所以说是“步进”式，是因为 " 光源—探测器相对 于工作台作“步进”式平行移动，每平移一次，探 测器采集一次数据，得到与探测器数目相同数量 的数据。系统运动从图中所示的最上端的位置开 始进行扫描，到最下端所示的位置结束扫描。假 设需要得到 ! " #个像素的图像，探测器数目是 $（一般为 & 的幂），这样就需作 !次分度，并且每 一次分度后，" 光源—探测器也需要平行移动 （# % $ & *）次才能得到 #个数据［’］。 当被检物大小尺寸有变化时，要保证得到 ! " #个数据，可使分度数与平行移动步数保持不 变，调整被检物与探测器的相对位置关系即可。假 DE’第 ( 期! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 魏! 彪，等："光工业用 $%成像二代扫描运动控制系统设计 万方数据 设被检物的尺寸为 !，! 光源到探测器的距离为 "，探测器阵列的弦长为 #，于是通过几何关系可 以求出被检物中心到 !光源的垂直距离为： $ %（ &’ ( !#）) " " " 图 #（$）所示为“连续”式二代扫描方案。与 “步进”式扫描不同，它的平移运动不是“步进”式 移动，而是“连续”移动。之所以称“步进”式和 “连续”式，主要是因为它们每次移动的距离不一 样。对于“连续”式，可以用较少的探测器得到所 需的数据，这是因为 ! 光源—探测器相对工作台 作连续移动，每次移动的距离小，其实就相当于在 每两个探测器之间作插值运动。假设两种扫描方 式所用的探测器数量相同，在“步进”式中 ! 光 源—探测器相对工作台作一步移动的距离，在 “连续”式中就需要作 *步移动来完成，这就相当 于在“步进”式中作了 * 次插值操作，得到的数据 便是“步进”式中得到数据的 #% 倍。所以，“连 续”式只需用“步进”式中探测器数量的 & ’ #% 便 可以达到要求，这就大大节省了价格昂贵的探测 器的数量，节约了成本。 由于“连续”式二代扫描有这样一个类似“插 值”的特点，所以它的一个非常重要的用途是在 对一个物体进行扫描的时候，如果对物体的某一 局部感兴趣，那么可以对物体进行局部扫描，而在 “步进”式中则难于实现。这是因为在“步进”式 中，由于探测器数量的限制而不能得到足够的数 据，而在“连续”式中，由于插值则可轻易得到所 需要的数据。 !" 提高系统扫描效率的方案设计 " " 在二代扫描过程中，由于要得到足够多的用 于图像重建的数据，所以要反复进行平移和分度 （旋转）运动。要完成所有这些运动将花费相当 长的时间（一般需要几 ()% 甚至几十 ()%），所以 提高系统的扫描效率是一件非常有意义的工作。 提高系统扫描效率主要是在平移运动和分度运动 的协调关系上进行考虑。 传统的二代扫描系统中，平移运动和分度运 动的关系如图 *（+）所示。图中将分度和平移分 开进行。其整个工作过程为：在调整区工作台进 行分度运动；分度完成后，工作台便从零位开始平 移运动，在平移运动过程中进行扫描，当到达终点 后系统停止扫描；工作台回零进行分度；然后再重 复前面的过程直到整个扫描结束。整个过程控制 简单易行，但效率非常低，要占用大量的时间。 为了提高系统的扫描效率，设计了如下两种 方案： 改进方案之一： 如图 *（$）所示。平移运动和分度运动的关 系为：工作台从调整区快速运行到零位；工作台从 零位开始作平移运动，在平移过程中进行扫描；到 达终点后，工作台快速回零，在工作台回零这个过 程中，进行分度运动；到达零位后，工作台便又开 始平移运动，重复前面的过程直到整个扫描结束。 在此方案中，系统充分利用了工作台从终点回到 零位这段时间来完成分度运动，从而提高了整个 系统的效率。 （+）传统方案 （+）,-./(/ （$）改进方案 & （$）,-./(/ & （-）改进方案 # （-）,-./(/ # 图 *" 扫描方案 0)12 *" ,-+%%)%1 (/3.456 778 光学" 精密工程" " " " " " " " " " " " " " " 第 && 卷 万方数据 ! ! 改进方案之二： 如图 "（#）所示。平移运动和分度运动的关 系为：工作台在零位 $ 进行分度运动；分度完成以 后，工作台从零位 $ 开始作平移运动，在平移过程 中进行扫描；到达零位 % 后，系统停止扫描；工作 台又进行分度运动；分度完成后，工作台从零位 % 开始作反向平移运动，在反向平移过程中系统再 一次进行扫描；到达零位 $ 后，系统停止扫描；然 后再重复前面的过程直到整个扫描结束。在此方 案中，系统充分利用了工作台从零位 % 回到零位 $ 这段时间来进行平移运动，工作台在一个往返 运动过程中系统进行了两次扫描，从而显著提高 了系统的扫描效率。 !" 驱动控制系统设计 ! ! 根据系统的要求以及二代扫描的特点，采用由 上、下位机组成的分布式开环控制方案来满足对控 制系统的要求。如图 & 所示，采用 ’( 机作为上位 机，通过 )*+,-. 编程设计出友好的用户控制界 面，用户只需通过界面按要求对实际控制系统进行 一些相关参数的设置即可。参数设置后，用户便可 以向下位机发出控制命令。控制命令是通过国际 流行的 /01%"%总线传向下位机［2］。 图 &! 控制系统框图 3*45 &! 6*74879 -: ;<= #-+;8-> ?@?;=9 ! ! 系统包含了三种运动方式，且各种运动方式 之间要求能够协调工作。因此，为了保证运动控 制的可靠性，采用分布式控制方法，各个运动采用 单独的微控制器（(’A）与驱动器进行控制，这样 便减轻了 (’A的负担。 选用通用集成芯片来完成各部分的功能，以 达到提高系统集成度与抗干扰的目的。单片机 BCDE(F%［D］作为中央处理；GBH%"% 完成 CCI和 /0%"% 之间电气特性的转换；6B(JD"%［$J］ 完成细分的工作；CKB"2$2 完成信号驱动放大的 工作。另外，环形分配器的功能在单片机中用全 软件的方法来实现。 在控制电路的基础上，设计了针对不同方案 在各种效率情况下的软件实现，并进行了软硬件 实验，利用 97;>7L 进行了一定的仿真［$$］，在此基 础上进行了理论上的 ’M6校正［$%］。实验表明，研 究方案设计合理，控制误差较小，设计达到了预期 的目标。 #" 结束语 ! !（$）根据 H光 (C系统中二代扫描的特点，提 出并实现了二代扫描的两种基本方案，即“步进” 式二代扫描和“连续”式二代扫描； （%）提出并设计了提高二代扫描效率的两种 方案，基此分析了其运动过程及各种运动的协调 关系； （"）研制了步进电动机的驱动控制电路，包 括通信电路、细分电路、驱动放大电路、外部中断 接口电路以及单片机常规外围电路等； （&）研制了上、下位机的软件，特别是下位 机，针对其不同的控制方案设计了相应的控制软 件。 EDF第 N 期! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 魏! 彪，等：H光工业用 (C成像二代扫描运动控制系统设计 万方数据 参考文献： ［!］"#$$% &，’()*+" ,，-.*/+" (，!" #$ 0 .112113245 67 8642 3942:;< =645245 7:63 >?@ 1A4=B:65:64 :;C9;5964 39=:65636D? :;EBA 93;D21［F］0 %&&& ’(#)* +) ,-.$ /.0，GHH!，IJ（>）：JKL?JM>0 ［G］N(( & O，P+- Q P，RQ% S0 . >?@ T?:;A 39=:65636D:;EB9= 1A1523 U95B ; R-%& 93;D2 12416:［F］0 %&&& ’(#)* +) ,-.$ /.0，GHHG，IL（I）：!KH>?!KHK0 ［>］程耀瑜，胡欧，韩焱，等0高质量 T射线数字化成像及图像采集［F］0光学 精密工程，GHHG，!H（I）：>KL?>M>0 RQ("S ) )，Q# %，Q." )，!" #$1 Q9DB VW;<95A T?:;A C9D95;< 93;D94D ;4C 951 93;D2 =6<<2=5964［F］0 23"0.* #)4 5(!.0*0+) &)60)!!(0)6，GHHG，!H（I）：>KL?>M>0（ 94 RB94212） ［I］&)NX+( R，-.*R @，$N./P% @0 *2;0 ［K］先武，李时光0工业 R/技术［F］0无损检测，!LLM，!J（G）：!KM?!M>0 T+." O，N+ &Q S0 +4CW15:9;< =63EW52C 5636D:;EBA［F］0 ,+)74!*"(-." ’!*"，!LLM，!J（G）：!KM?!M>0（ 94 RB94212） ［M］王俊普，黄胜0高精度工业 R/扫描运动控制系统设计［F］0机械工业自动化，!LLK，!!（>）：GZ>?GZM0 O."S F ’，Q#."S &Q，Q9DB E:2=91964 94CW15:9;< R/ 1=;4494D 36[23245 =645:6<<94D 1A1523 C219D494D［ F］0 8!.9#)0*: %)4-*"(; <-"+:#"0=#"0+)，!LLK0 !!（>）：GZ>?GZM0（ 94 RB94212） ［Z］张建平0单片机与 ’R机简易串行通信的实现［F］0现代电子技术，!LLL，K（I）：>HK?>!!0 $Q."S F ’0 /B2 :2;<9\;5964 67 193E<2 12:9;< =633W49=;59641 76: 194D<2?=B9E 56 ’R 3;=B942［ F］0 8+4!() &$!."(+7"!.9)+$+6;，!LLK，K（I）：>HK?>!!0（ 94 RB94212） ［J］钟刚毅0 JL 系列 ,<;1B单片机原理及应用［-］0北京：电子工业出版社，GHHH0 $Q%"S S )0 ’9! 3(0).03$! #)4 #33$0.#"0+)* +> JL *!(0!* *0)6$!7.903［-］，]29^94D：(<2=5:64 +4CW15:A ’W8<91B94D R63E;4A， GHHH0（ 94 RB94212） ［L］RQ+ Q，RQ(" -0 &52E 3656: C:9[2: 76: 5B2 <25?677 32=B;4913 67 <6631［F］0 ?+-()#$ +> @90)# ’!A"0$! B)0C!(*0";，(4D<91B (? 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