鲁业安，汤代斌，李 争

（1.安徽机电职业技术学院，安徽芜湖 241000；2.河北科技大学电气工程学院，河北石家庄 050018）

X－射线测厚仪系统在测量不同厚度范围或不同材质的板材时，需要改变X－射线的强度，因而由X－射线探测器转换成电压信号变化范围很宽，对该电压信号的调理一般采用增益可控的放大器，采用多路模拟开关和运算放大器组成的程控增益放大器可以实现放大增益的控制，但其增益控制电阻反馈网络的电阻难以选取到匹配值，且电阻工作时存在的温漂也会给放大增益带来一定的影响［1］。而采用数字信号控制的增益放大器可以避免以上问题，且增益设置简单、修改灵活［2］。

MAX532是一种双路12位串行数据并带有输出放大器的数字－模拟转换器（DAC），应用Mega48单片机的同步串行口（SPI）可实现对数模转换器MAX532的放大增益控制，从而满足X－射线测厚仪系统对不同厚度范围或不同材质板材测量的要求［2－3］。

1 X－射线测厚仪系统结构和原理

X－射线测厚仪系统在线测量时，首先根据板材的厚度或材质选择适合的测量量程，并由此确定所需的X－射线的强度和对X－射线探测器转换出的电压信号的放大增益，系统的总体结构框图如图1所示。对检测信号放大增益控制的数字信号由测厚仪系统中的工业控制PC 通过RS485 总线送到Mega48单片机，在单片机内部将RS485信号转换成SPI信号，并通过SPI总线送给具有SPI接口的程控放大器，以此来实现对放大器信号增益的控制。

图1 X－射线测厚仪系统结构示意图Fig.1 Structure of X－ray thickness gauge＇s system

2 MAX532内部结构与工作原理

MAX532 是一个具有SPI串行数据输入接口、内置输出放大器的双12位数模转换器，其接口能与标准的SPI，QSPI和MICROWIRE 接口标准兼容，采用±12～±15V 之间的电源供电，所有输入端口与TTL和CMOS兼容。

MAX532内部有一个24 位的移位寄存器，高12位为B通道的DAC 数据，低12位为A 通道的DAC数据，数据采用SPI接口0方式传输，即当片选信号CS有效时，数据在串行同步时钟信号SCLK的第1个跳变沿时被采样；在第2个跳变沿时被移入移位寄存器，先移入的是高位数据，且B 通道的DAC数据在A 通道的DAC 数据之前移入，移位寄存器中原有的数据依次从DOUT 引脚输出；当片选信号CS无效时，数据不能通过DIN 引脚读入，同时DOUT 为高阻抗状态。

图2为采用MAX532实现的程控增益放大器原理图［2］。在这种连接方式下，数模转换器的功能相当于一个程控的电阻反馈网络。放大器的增益由移位寄存器中的DAC数据确定，当DAC 数据减小时相当于电阻反馈网络的阻值增大，因而放大器的增益也增大。输出电压Vout与输入电压Vin之间满足如下关系：

式中：RFBA为反馈电阻，RFBA＝R／2；REQA为数模转换器的等效电阻，其阻值与移位寄存器中CODE的数值关系为

由式（1）和式（2）可知，放大器的增益G＝－4 096／CODE，改变移位寄存器中的CODE 就可以改变放大器的增益。而移位寄存器中的CODE是MAX532通过SPI接口接收的，该数据由工业PC中选择的测量量程决定并经Mega48单片机进行通讯模式转换后送给MAX532的。

图2 程控放大器原理图Fig.2 Diagram of programmable－gain amplifier

3 Mega48单片机特点

系统选用的Mega48单片机是ATMEL公司的高性能、低功耗的8 位AVR 单片机，与一般8位机相比，AVR 单片机的显著特点为高性能、高速度和低功耗［4－5］。它取消机器周期，以时钟周期为指令周期，实行流水作业，并首先采用寄存器文件和精简指令集的8位单片机。它具有高质量的FLASH 程序存储器和EEPROM 数据存储器、功能多样化的定时器／计数器、可靠的监视定时器、多渠道的复位电路以及多种选择的休眠方式等方面优势，使其功能、可靠性、速度、节电和价位等综合性指标在8位机中名列前茅，是8位嵌入式系统应用的首选机种。此外该单片机还具有可编程的串行USART 接口和可工作于主机／从机模式的SPI串行接口，能够比较方便地实现RS232（RS485）到SPI 通讯模式的转换。

Mega48单片机通用同步和异步串行接收器和发送器（USART），是一个高度灵活的串行通讯用芯片。主要特点为全双工操作（独立的串行接收和发送寄存器）；高精度的波特率发生器；支持5，6，7，8或9 个数据位和1个或2个停止位；硬件支持的奇偶校验操作和噪声滤波，包括错误的起始位检测，以及数字低通滤波器。

Mega48单片机串行外设接口SPI允许单片机与外设或其他AVR 器件进行高速的同步数据传输［6］。具有全双工，3线同步数据传输；主机或从机操作；LSB 首先发送或MSB 首先发送和7 种可编程的比特率等特点。

4 程控放大器系统设计

4.1 系统硬件设计

采用数－模转换器MAX532实现的程控放大器的原理图如图3所示。X－射线测厚仪系统在线测量时，通过工业PC 中的量程转换程序选择适当的量程，并根据量程确定放大增益的数值，该数值信号为数字信号，通过RS485通讯接口传送给Mega48单片机，在Mega48单片机中将RS485信号转换为满足MAX532要求的SPI信号［7－8］。为了增强系统的抗干扰性能和工作的可靠性，在MAX532与单片机之间插入光耦合器进行电气隔离［9－10］。X－射线探测器转换出的电压信号Vin经由R1，R2和C1组成滤波器滤波后，送到MAX532的1脚（A 通道），根据MAX532中移位寄存器里设定的放大增益，将信号放大后由3脚输出，再经后级放大器反相后送给模－数转换模块进行采样。

图3 程控放大器系统原理图Fig.3 Circuit schematics of programmed amplifier system

4.2 系统软件设计

系统中Mega48单片机主要实现RS485到SPI通讯模式转换的功能。从工业PC 送到单片机的信号为异步串行通讯信号，每次传输1 个字节，即8位，而MAX532所需的为同步串行信号，需要3个字节共24位，且高12位为B通道的增益控制代码，系统使用的A 通道，增益控制代码为低12位，这就需要将工业PC发来的3个字节代码按照MAX532的要求进行相应的转换。

SPI通讯时，单片机配置为主机，MAX532为从机。增益控制代码由Mega48单片机的MOSI引脚输出，经光耦合器转换后由MAX532 的DIN 引脚移入，原MAX532移位寄存器中的代码则由DOUT引脚输出，经光耦合器转换后送到单片机的MISO引脚。单片机的SCLK 信号控制代码传送的频率，CS信号用于启动SPI的数据传输。

系统工作时，单片机首先对工业PC 发来的控制代码信息进行保存并统计字节数，一旦接收满3个字节，便启动一次SPI传输，直到3个字节传输结束，然后将收到的原MAX532移位寄存器中的代码信息再分3个字节发回到工业PC。系统软件设计流程图如图4所示。

4.3 实验与结果

X－射线测厚仪实际在线测量时，X－射线探测器转换出的电压信号范围为0～5mV，而模－数转换模块的电压采样输入电压一般为0～2.5V，为匹配信号和提高测厚仪的测量精度，需要采用高增益的放大器将对几毫伏的电压放大到1～2V 左右。以X－射线探测器输出最高电压5 mV 和模－数转换模块最佳采样电压2.0 V 计算，需要采用放大增益为400的放大器。根据MAX532内部移位寄存器的通道分配情况，采用A 通道时，12位CODE为190H，B通道的12位CODE 设置为000H，则移位寄存器中的增益控制CODE应设置为000190H。

图4 系统软件设计流程图Fig.4 Main program flow chart

实验中，工业PC将A 通道增益控制CODE 通过RS485总线传送给Mega48单片机，单片机先将该增益控制CODE扩展为24位，即000190H，然后通过SPI总线输送给MAX532 来实现增益控制。Mega48单片机输出增益控制CODE 的SPI波形如图5所示。

图5 增益控制CODE的SPI波形图Fig.5 Waveforms of SPI for gain control code

5 结 语

提出的基于MAX532 数模转换器和Mega48单片机的程控放大器设计方案已经成功的应用于X－射线测厚仪系统中，实际测量效果证明该方案切实可行，并解决了以往采用多路模拟开关和运算放大器实现程控放大器时增益反馈网络电阻选择困难和反馈网络电阻的温度漂移对测量精度的影响。

／References：

［1］ 张 平，蒋 阳.高能X－射线数据采集系统研究［J］.计算机工程与设计，2011，32（7）：2 505－2 508.ZHANG PING，JIANG Yang.Study on high energy X－ray detection and data acquisition system［J］.Computer Engineering and Design，2011，32（7）：2 505－2 508.

［2］ Maxim Integrated Products，Inc.Dual，Serial Input，Voltage－Output，12－Bit MDAC MAX532［EB／OL］.http：／／www.mouser.com／ds／2／256／.

［3］ 王秀玲，赵雁南，刘植桢.微型计算机A／D D／A 转换接口技术及数据采集系统设计［M］.北京：清华大学出版社，1984.WANG Xiuling，ZHAO Yannan，LIU Zhizhen.Microcomputer A／D D／A Convertion Interface Technology and Data Acquisition System Design［M］.Beijing：Tsinghua University Press，1984.

［4］ 胡寿伟.一种单片机控制的程控放大器［J］.测试技术学报，1996，16（2）：402－406.HU Shouwei.A programme control amplifier controlled by single chip microcomputer［J］.Journal of Test and Measurement Technology，1996，16（2）：402－406.

［5］ 杨武刚.单片机典型模块设计实例导航［M］.北京：人民邮电出版社，2004.YANG Wugang.SCM Typical Module Design Examples Navigation［M］.Beijing：People＇s Posts and Telecommunications Press，2004.

［6］ 赵海婷，贺占庄.面向EEPROM 应用的SPI主控制器设计与实现［J］.计算机系统应用，2012，21（4）：64－67.ZHAO Haiting，HE Zhanzhuang.Design and implementation of SPI Controller for EEPROM Application［J］.Computer Systems ＆Applications，2012，21（4）：64－67.

［7］ 张云柯.AVR 单片机在预多频激励信号源中的应用［J］.无损检测，2012，34（6）：53－56.ZHANG Yunke.The application of AVR MCU in the premulti frequency excitation signal source［J］.Nondestructive Testing，2012，34（6）：53－56.

［8］ 曾菊容.基于AT89C51和MAX262的程控滤波器设计［J］.制造业自动化，2012，34（7）：154－156.ZENG Jurong.Design of programmable filter based on AT89C51 and MAX262［J］.Manufacturing Automation，2012，34（7）：154－156.

［9］ 张光华，任 军，胡振雷，等.基于PIC16F873A 单片机的温控阀门的低功耗设计［J］.河北工业科技，2012，28（2）：82－84.ZHANG Guanghua，REN Jun，HU Zhenlei，et al.Low power design of temperature control valve based on PIC16F873A microchip［J］.Hebei Journal of Industrial Science and Technology，2012，28（2）：82－84.

［10］ 丁银银，白采玉，张持健.基于单片机的多功能密码输入器的设计［J］.河北工业科技，2012，29（3）：167－169.DING Yinyin，BAI Caiyu，ZHANG Chijian.Design of multifunctional password input set based on STC89C52microchip［J］.Hebei Journal of Industrial Science and Technology，2012，29（3）：167－169.