工業(yè)CT原位加載裝置系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

工業(yè)CT原位加載裝置由液壓油通過活塞對試樣施加載荷，或者直接對試樣施加圍壓載荷。加載同時(shí)X射線照射罐體中試樣，得到試樣CT掃描圖像。為得到不同角度的 CT掃描圖像，加載裝置在加載同時(shí)緩慢轉(zhuǎn)動。如果加載過程中信號采用有線形式傳輸，在加載過程中會出現(xiàn)導(dǎo)線纏繞的問題，跨過罐體上下端的導(dǎo)線還會影響CT掃描圖像的效果，因此系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)中考慮信號的傳輸采用無線傳輸形式。另外，為防止射線泄露，工業(yè)CT主機(jī)放置在用硫酸鋇磚砌成的CT屏蔽室內(nèi)，因而無線信號也無法穿透墻體，到達(dá)隔壁的CT監(jiān)控室。鑒于以上特殊情況，設(shè)計(jì)了如圖1所示的系統(tǒng)方案。整個(gè)系統(tǒng)由安裝在加載裝置上的下位機(jī)、放置于CT屏蔽室的無

線路由器、放置于CT監(jiān)控室的PC上位機(jī)三部分組成。在下位機(jī)中，加載裝置壓力信號經(jīng)壓力變送器轉(zhuǎn)換為 0~5 V 或 4~20 mA 的電信號，再經(jīng)信號調(diào)理后送至WiFi模塊模擬輸入端，經(jīng) WiFi模塊轉(zhuǎn)換為無線 WiFi信號發(fā)射出去。CT屏蔽室放置一無線路由器，該路由器與預(yù)先埋好的經(jīng)過墻體的網(wǎng)線相連，無線 WiFi信號經(jīng)無線路由器通過網(wǎng)線傳輸至 CT 監(jiān)控室的 PC 機(jī)，PC 機(jī)軟件可實(shí)現(xiàn)對壓力信號采集的啟停控制，采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示，數(shù)據(jù)存儲等功能。該方案只需設(shè)計(jì)信號采集端的硬件電路（圖中下位機(jī)部分），借助無線路由器實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)WiFi通信，降低了硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，并且方便。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要是下位機(jī)信號采集端的電路設(shè)計(jì)，包括信號調(diào)理電路、WiFi模塊、電源電路等。

2.1 信號調(diào)理電路

壓力變送器將壓力信號轉(zhuǎn)換為0～5 V或4～20 mA的電信號，而 WiFi模塊模擬輸入端的輸入電壓范圍為0～3 V，因此需要設(shè)計(jì)信號調(diào)理電路將壓力變送器輸出的電信號調(diào)理至 WiFi模塊模擬輸入端可接收的信號范圍。信號調(diào)理電路所示，由精密電阻 R 1 ，R 2 構(gòu)成的分壓電路與運(yùn)放 LM358 構(gòu)成的電壓跟隨器電路組成。 V IN 來自壓力變送器輸出的電信號，V OUT 送往WiFi模塊模擬輸入端。該電路可以實(shí)現(xiàn)輸入電壓信號的電壓范圍變換及輸入電流信號到電壓信號的轉(zhuǎn)換。

2.2 WiFi模塊

WiFi模塊采用 USI公司的 WM?N?BM?09無線通信模塊。該模塊支持IEEE 802.11b/g/n協(xié)議，具有體積小、功耗低、設(shè)計(jì)靈活性高等優(yōu)點(diǎn)。模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。內(nèi)部集成了博通公司的 BCM343362WiFi芯片和意法半導(dǎo)體的 STM32F205微處理器芯片。通過該模塊可以非常方便地將 SPI，USB，UART，GPIO，ADC，DAC 等通用接口連接到無線局域網(wǎng)中。WM?N?BM?09的硬件接口電路所示，模塊 RST 端接復(fù)位電路，ANT端接外置天線，四路經(jīng)過處理的模擬輸入信號分別接至模擬輸入端ADC1～ADC4。

2.3 電源電路

電源電路要提供12 V，5 V，3.3 V三個(gè)供電電壓，分別為外接的壓力變送器、信號調(diào)理電路及 WiFi模塊供電。因數(shù)據(jù)采集端下位機(jī)要和加載裝置一起，動態(tài)加載時(shí)隨罐體旋轉(zhuǎn)，為避免加載過程的導(dǎo)線纏繞問題，信號傳輸方式上選擇了無線傳輸形式。對于下位機(jī)的供電同樣也要避免這一問題，因而采用了電池供電方式。采用鋰電池串聯(lián)供電，可提供外接壓力變送器的 12 V 供電電壓，同時(shí)該 12 V 電壓經(jīng)降壓模塊轉(zhuǎn)換得到 5 V，3.3 V電壓，分別為信號調(diào)理電路及 WiFi模塊供電。為簡

化電路設(shè)計(jì)，降壓模塊選用了雙路輸出的 TPS54290降壓模塊。電源電路，圖中 V OUT1 ，V OUT2 可分別由式（1）、式（2）確定，通過選擇合適阻值的電阻，可使電源電路的兩路輸出V OUT1 ，V OUT2 分別為5 V與3.3 V。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件包括數(shù)據(jù)采集端下位機(jī)軟件和PC上位機(jī)軟件。下位機(jī)軟件主要實(shí)現(xiàn) A/D 轉(zhuǎn)換，網(wǎng)絡(luò) IP 配置、WiFi通信等功能。上位機(jī)軟件主要實(shí)現(xiàn)采集控制、數(shù)據(jù)記錄與顯示等功能。

3.1 通信協(xié)議與數(shù)據(jù)包格式

在 WiFi通信中，網(wǎng)絡(luò)傳輸層的協(xié)議主要有 TCP 和UDP兩種。TCP作為一種面向連接的傳輸協(xié)議，能夠提供穩(wěn)定可靠的傳輸服務(wù)，具有確認(rèn)、重傳、擁塞控制機(jī)制。但 TCP傳輸效率相對較低，占用系統(tǒng)資源較高，不適用于大規(guī)模數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。UDP作為一種無連接、無狀態(tài)的傳輸協(xié)議，實(shí)時(shí)性較好，系統(tǒng)資源消耗小，傳輸效率高。但在不穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，UDP傳輸可能會發(fā)生丟包或數(shù)據(jù)順序錯(cuò)誤。考慮到加載過程中有大量數(shù)據(jù)需要實(shí)時(shí)采集，這里選定 UDP協(xié)議進(jìn)行無線傳輸，并在上位機(jī)采集軟件中進(jìn)行數(shù)據(jù)包識別和檢測，以便在保證良好實(shí)時(shí)性的前提下適當(dāng)進(jìn)行數(shù)據(jù)容錯(cuò)處理。