工業CT原位加載裝置系統方案設計

1 系統方案設計

工業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緩慢轉動。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導線纏繞的問題，跨過罐體上下端的導線還會影響CT掃描圖像的效果，因此系統方案設計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CT主機放置在用硫酸鋇磚砌成的CT屏蔽室內，因而無線信號也無法穿透墻體，到達隔壁的CT監控室。鑒于以上特殊情況，設計了如圖1所示的系統方案。整個系統由安裝在加載裝置上的下位機、放置于CT屏蔽室的無

線路由器、放置于CT監控室的PC上位機三部分組成。在下位機中，加載裝置壓力信號經壓力變送器轉換為 0~5 V 或 4~20 mA 的電信號，再經信號調理后送至WiFi模塊模擬輸入端，經 WiFi模塊轉換為無線 WiFi信號發射出去。CT屏蔽室放置一無線路由器，該路由器與預先埋好的經過墻體的網線相連，無線 WiFi信號經無線路由器通過網線傳輸至 CT 監控室的 PC 機，PC 機軟件可實現對壓力信號采集的啟停控制，采集數據的實時顯示，數據存儲等功能。該方案只需設計信號采集端的硬件電路（圖中下位機部分），借助無線路由器實現局域網WiFi通信，降低了硬件設計的復雜度，并且方便。

2 系統硬件設計

系統硬件設計主要是下位機信號采集端的電路設計，包括信號調理電路、WiFi模塊、電源電路等。

2.1 信號調理電路

壓力變送器將壓力信號轉換為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，因此需要設計信號調理電路將壓力變送器輸出的電信號調理至 WiFi模塊模擬輸入端可接收的信號范圍。信號調理電路所示，由精密電阻 R 1 ，R 2 構成的分壓電路與運放 LM358 構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。該電路可以實現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協議，具有體積小、功耗低、設計靈活性高等優點。模塊內部結構框圖。內部集成了博通公司的 BCM343362WiFi芯片和意法半導體的 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中。WM?N?BM?09的硬件接口電路所示，模塊 RST 端接復位電路，ANT端接外置天線，四路經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三個供電電壓，分別為外接的壓力變送器、信號調理電路及 WiFi模塊供電。因數據采集端下位機要和加載裝置一起，動態加載時隨罐體旋轉，為避免加載過程的導線纏繞問題，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。采用鋰電池串聯供電，可提供外接壓力變送器的 12 V 供電電壓，同時該 12 V 電壓經降壓模塊轉換得到 5 V，3.3 V電壓，分別為信號調理電路及 WiFi模塊供電。為簡

化電路設計，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 系統軟件設計

系統軟件包括數據采集端下位機軟件和PC上位機軟件。下位機軟件主要實現 A/D 轉換，網絡 IP 配置、WiFi通信等功能。上位機軟件主要實現采集控制、數據記錄與顯示等功能。

3.1 通信協議與數據包格式

在 WiFi通信中，網絡傳輸層的協議主要有 TCP 和UDP兩種。TCP作為一種面向連接的傳輸協議，能夠提供穩定可靠的傳輸服務，具有確認、重傳、擁塞控制機制。但 TCP傳輸效率相對較低，占用系統資源較高，不適用于大規模數據的實時傳輸。UDP作為一種無連接、無狀態的傳輸協議，實時性較好，系統資源消耗小，傳輸效率高。但在不穩定的網絡環境中，UDP傳輸可能會發生丟包或數據順序錯誤。考慮到加載過程中有大量數據需要實時采集，這里選定 UDP協議進行無線傳輸，并在上位機采集軟件中進行數據包識別和檢測，以便在保證良好實時性的前提下適當進行數據容錯處理。