CT教学实验仪控制系统研究与设计

论文摘要

CT技术作为一种先进实用的无损检测手段,目前已广泛应用于医学、航天、航空、军工、材料、钢铁、地质等领域,它涉及核物理、电子技术、精密机械、控制技术及计算机图像处理等多学科知识,是一门新兴的多学科交叉的综合技术。CT教学实验仪正是为了清晰地体现CT技术的原理而研制的功能完整的小型CT设备,不仅可用于高校的教学实验,也可用于小型工件的无损检测。它由射线源、探测、控制、机械及图像处理等系统组成。控制系统需要完成机械系统运动的控制、探测系统数据的采集等功能,是整个仪器的神经中枢。控制系统的性能将直接影响重建图像的质量,它的研究与设计是整个仪器研制的一个关键环节。本文介绍了CT教学实验仪的特点、研究现状及基本原理,分析了新一代CD50BGA+型CT教学实验仪的扫描检测模式、结构组成和主要性能指标,并探讨了影响仪器性能指标的主要因素及噪声来源。根据CD50BGA+型CT教学实验仪对控制系统的功能要求,分析计算了控制系统应达到的技术指标,讨论并确定了运动控制、数据采集和传输的设计方案,并对运动控制部分关键元器件的选型进行了分析。在此基础上,设计了CD50BGA+型CT教学实验仪的控制系统。控制系统的设计分为硬件设计和软件设计两个部分。硬件部分详细论述了控制电路板各模块电路的设计,包括微控制器、CPLD电路、步进电机驱动与控制、USB接口电路等。软件设计分为上位机的采集控制软件、单片机的底层控制软件以及它们之间的通信协议三个部分,并讨论了单片机软件中的定位控制算法。最后对控制系统及整个仪器进行了调试与测试。测试结果表明:控制系统功能完善、性能稳定;仪器的整体性能指标有所提高,解决了以往CT教学实验仪体积大、成本高、功能少、使用及维护不便等问题。目前,该仪器已应用于国内数所高校的教学实验中。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 国内外现状综述
• 1.2.1 CT 技术的历史与现状
• 1.2.2 CT 教学实验仪的特点与研究现状
• 1.2.3 CT 控制系统现状
• 1.3 研究目的与主要内容
• 2 CT 教学实验仪及其性能指标
• 2.1 基本原理
• 2.1.1 CT 成像原理
• 2.1.2 辐射物理实验原理
• 2.2 扫描检测模式
• 2.3 结构组成及工作过程
• 2.3.1 结构及各部分功能
• 2.3.2 仪器工作过程
• 2.4 主要性能指标及其影响因素
• 2.4.1 主要性能指标要求
• 2.4.2 空间分辨率及其影响因素
• 2.4.3 密度分辨率及其影响因素
• 2.5 CT 教学实验仪噪声来源分析
• 2.5.1 γ射线与物质相互作用的噪声及降低措施
• 2.5.2 探测系统的噪声
• 2.5.3 机械扫描精度及重建算法引起的噪声
• 2.6 小结
• 3 控制系统设计方案分析
• 3.1 控制系统设计要求
• 3.1.1 功能要求
• 3.1.2 技术指标的分析计算
• 3.2 运动控制设计方案分析
• 3.2.1 运动控制结构的设计
• 3.2.2 步进电机的选型计算及性能分析
• 3.2.3 步进电机的细分驱动设计
• 3.2.4 位置检测元件的选型
• 3.3 数据采集与传输设计方案
• 3.3.1 数据采集设计方案
• 3.3.2 数据传输设计方案
• 3.4 小结
• 4 控制系统硬件设计
• 4.1 硬件总体设计方案
• 4.2 微控制器部分
• 4.2.1 微控制器的选型
• 4.2.2 P89V51RD2 单片机的特性
• 4.2.3 微控制器及其外围电路
• 4.3 CPLD 电路
• 4.3.1 CPLD 电路总体功能
• 4.3.2 CPLD 器件的开发
• 4.3.3 探测脉冲的分频处理
• 4.3.4 正交信号的倍频与鉴向
• 4.3.5 地址译码逻辑
• 4.4 步进电机驱动及控制
• 4.4.1 双极性步进电机驱动电路的特点
• 4.4.2 双极性步进电机专用驱动芯片A3980
• 4.4.3 驱动及控制电路
• 4.4.4 细分驱动的实现
• 4.5 其它电路
• 4.5.1 USB 接口电路
• 4.5.2 辅助功能电路
• 4.6 小结
• 5 控制软件的设计
• 5.1 通信协议
• 5.1.1 命令的格式及类型
• 5.1.2 状态的格式及类型
• 5.2 采集控制软件
• 5.2.1 通信模块
• 5.2.2 应用程序
• 5.3 底层控制软件
• 5.3.1 主程序
• 5.3.2 USB 通信处理
• 5.3.3 电机控制模块
• 5.3.4 任务执行模块
• 5.4 闭环定位控制算法
• 5.4.1 核步法
• 5.4.2 积分分离PID 控制算法
• 5.4.3 简化的PID 控制算法
• 5.5 小结
• 6 系统调试与测试
• 6.1 控制系统的调试
• 6.1.1 控制电路板的调试
• 6.1.2 控制系统软硬件联合调试
• 6.1.3 功能与技术指标测试
• 6.2 CT 教学实验仪性能测试
• 6.2.1 功能测试
• 6.2.2 性能指标测试
• 6.2.3 仪器性能比较
• 6.3 小结
• 7 总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 后续工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录