基于ARM7的X射线分幅相机的控制系统设计
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摘要：X射线分幅相机是一套能够全面给出X射线辐射的空间信息及其随时间的变化过程的系统，被广泛应用于辐射非平衡特性研究和ICF（惯性约束聚变）实验内爆动力学。该文主要实现X射线分幅相机的电路控制系统设计以及基于此控制系统测得X摄像分幅相机的动态空间分辨率及曝光时间[1]。电路控制系统是整个X射线分幅相机的指挥控制中心，它主要由延时模块、传感器模块、高压电源开关模块构成。此控制电路系统基于ARM7体系结构的LPC2364微处理器来实现。
关键词：X射线分幅相机;空间分辨率;曝光时间;LPC2364
中图分类号：TP39 文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2020）02-0224-03
社会的发展伴随着资源和能源的日益耗竭，迫使人们开发新的能源。核能源中的惯性约束聚变技术在此时也应运而生。为了进行惯性约束聚变研究，对其反应过程中所产生的现象、数据进行安全监控及记录分析极其重要。必须要求具备高时空分辨率的仪器，才能满足超快诊断技术要求。而X射线分幅相机是研究皮秒级时间范围内瞬态变化图像的主要工具。完全满足对惯性约束聚变反应的诊断和记录。
1 X射线分幅相机成像系统的整体结构
X射线分幅相机系统[2]主要由针孔阵列、分幅变像管、CCD相机及其数据采集卡，真空排气系统以及控制系统五部分构成。其中分幅变像管由光电阴极、MCP微通道板（光电子学系统）和制作在光纤面板上的荧光屏组成;控制系统由远程计算机、上位机控制系统以及下位机控制系统三部分构成。X射线分幅相机系统的整体结构示意图如图1所示。
2 X射线分幅相机控制系统
控制系统由以LPC2364为主控的下位机控制系统硬件模块、下位机控制系统软件模块及以PCM5101计算机硬件平台的上位机控制系统构成。
2.1 下位机控制系统硬件模块设计
下位机控制系统硬件分别由最小系统模块、串口通信模块、本地键盘模块、环境监测模、高压电源模块、步进电机模块、液晶显示模块所构成。
2.1.1 最小系统模块
基于LPC2364处理器[3]的最小系统模块包括电源模块、晶振模块、系统复位模块、掉电保存模块和JTAG模块。
2.1.2 串口通讯模块
因本相机控制系统的串口通信模块基于上位机PCM-5101工控计算机，其串口是标准RS232电平，而下位机LPC2364是3.3V的TTL电平，上位机与下位机相连时必须先进行电平信号的转换。本文采用SP3232芯片完成电平信号的转换工作，其原理图如图2所示，其中RXD0和TXD0为LPC2364内UART0部件的接口，J3为连接到PCM-5101上位机的UART接口。
2.1. 3本地键盘模块
本相机控制系统设计中，为实现键盘中断，本地键盘模块采用74HC08芯片中三个二与门产生中断信号，3×4矩阵结构的单独一块PCB板，通过10线接口与LPC2364处理芯片所在的PCB板相连。
2.1. 4环境监测器模块
为了监测X射线分幅相机的气室环境，本文采用HSP03S传感器进行气压监测，采用SHT11传感器进行湿度值和温度值的监测。其原理图如图3所示。
2.1. 5高压电源模块
高压电源控制模块包含对MCP微通道板的电源，GPV门控电压进行控制，荧光屏直流电压和交流电压的选通信号和开关信号。
2.1. 6步进电机驱动及液晶显示模块
本相机系统采用二相混合式步进电机[4]以及雷赛公司生产的来驱动电机模块， LPC2364处理器的输出电平可直接控制DM432C步进电机驱动器，经MOTO接口连接到电机驱动器上。对于液晶显示模块，由于LPC2364处理器的输出电平可直接驱动1601LCD。其控制信号无须增加中键级，直接连接即可。
2.2下位机控制软件的执行流程
本相机控制系统的基本流程为：ARM（bootloader）启动，系统初始化，环境循环监测并等待中断响应。其程序运行流程如图4所示：
2.3 上位机控制软件
在上位机PCM-5101计算机上，利用Microsoft Visual C++6.0集成开发环境设计的基于MFC对话框的串口通信软件CAMERA，其界面如图5所示。
当界面软件运行时，程序的流程如图6所示。
3 X射线分幅相机测试结果
3.1 动态空间分辨率
测量动态空间分辨的原理图如图7所示，图中的激光器能发出波长为532nm的绿光和266nm的紫外光。此两路光同时从激光器出发要同时在MCP会合，具体路线绿光为：通过光电转换器件产生电脉冲信号，此脉冲信号通过纳米延时电路后，经高压电路产生高压脉冲信号对MCP产生的信号进行选通。紫外光为：通过平行光管后，在光电阴极上产生分划板电子图像，最后到达MCP而露光所触发的高压脉冲会合，最后在荧光屏上形成了可见光图像。通过CCD相机获取图并分析像，即得到变像管的动态空间分辨率。
由上图8可看出动态空间分辨率可以分辨至第13组左右。由于实验采用的是2.5倍的平行光管，查表知分辨率大于20lp/mm，能滿足本X射线分幅相机的指标和要求。
3.2 X射线分幅相机的曝光时间
X射线分幅相机的曝光时间定义为 MCP增益与时间关系曲线的半高宽度，因此，相机曝光时间与MCP选通电脉冲信号宽度相关。它是电路控制部分设计最关键的地方，也是最重要技术指标之一。
测量曝光时间的步骤和装置与测试动态空间分辨率是类似的，只需把平行光管前的分化板换成一种特制光纤束，此光纤束是由一组光纤长度按一个等差数组递增排列组成的，公差为2.0mm，最短的光纤长为300.0mm。共有30根光纤，由于紫外光在石英光纤中传播速度近似为2×108 m/s，即可认为相邻两个光纤的时间差为20ps。利用光在不同长度的光纤中传播的时间不同，再经过光电转换和MCP进行倍增后，通过CCD相机系统得到其图像，根据相机有效曝光时间内所收集到的光点数计算得到曝光时间。
图9为利用光纤束在曝光时间内所成的图像，当X射线分幅相机工作在曝光时间下，用激光照射所获得的光纤束的图像。
根据上图9中不同光电的强度画出其时间-强度离散图，对其进行积分处理，可得到强度分布曲线图。由于光纤束各端口的耦合效率不同，可能引起各个亮点的强度不同，在处理时，根据静态图像进行归一化处理，处理结果如图10所示，得出曝光时间为71ps。可见，满足技术指标对曝光时间为70ps，时间抖动小于5%的要求。
4 结束语
本文介绍了基于ARM7体系结构的LPC2364微处理器来实现X分幅相机控制系统的设计，并搭建X射线分幅相机系统测试平台，通过本地控制来测量X射线分幅相机的动态空间分辨率及曝光时间并对实验数据进行分析。验证了该文设计的电路控制系统的性能要求。
参考文献：
[1] 刘宏波.大动态范围扫描变像管的理论与实验研究[D]. 西安：中国科学院西安光学精密机械研究所，2004.
[2] 欧均富. X光分幅相机的机械结构和变像管设计[D]. 深圳： 深圳大学， 2007.
[3] 周立功，张华.深入浅出ARM 7——LPC 213x/214x-上册[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005.
[4] 吴海涛，郭猛.步进电机及其单片机控制[J].福建电脑，2007，23（2）：183-184.
【通联编辑：王力】
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