（材料加工工程专业论文）基于32位arm微处理器的弧焊电参数采集分析系统.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 本文以c 0 2 短路过渡孤焊过程为研究对象，开发了一套基于3 2 位a r m 徼处 理器的弧焊电参数采集分析系统。该系统结合了3 2 位a r m 微控制器、u s b 总线 和虚拟仪器三种先进技术，在焊接学科的交叉应用方面具有一定的创新意义。 该系统硬件主要由霍尔传感器、信号调理电路和基于a r m 核的l p c 2 1 4 2 单 片机等组成。l p c 2 1 4 2 自带u s b 控制器和a d 转换模块，使得系统硬件电路设计 简单方便，并可实现对电弧电压、焊接电流信号的高速、实时传输。该系统不仅 能充分发挥a r m 单片机体积小、功能强、使用灵活的特点，而且具备u s b 设备 即插即用、热插拔的优点，且系统开发成本大大低于目前使用最多的插入式数据 采集卡。 系统软件包括单片机固件程序、u s b 驱动程序和用户应用程序。单片机固件 程序采用c 语言和汇编语言编写，在a d s l 2 集成开发环境下完成。u s b 设备驱 动程序和工控机端用户应用程序采用图形化编程工具l a b v i e w 编写。其中，用户 应用程序，也即采集分析程序的编写充分体现出l a b v i e w 编程简单、功能强大、 开发周期短等优点。 系统主要实现的功能为：对c 0 2 气体保护焊熔滴短路过渡的电弧电压、焊 接电流波形进行实时采集和显示；对采集到的电弧电压、焊接电流信号进行波 形分析、相图分析、频谱分析和统计分析。该系统为实现c 0 2 焊接质量的在线检 测和评判提供直观可靠的依据，同时也为焊接工艺的制定提供参考和指导。 最后，针对两组不同焊接参数熔滴短路过渡c 0 2 焊焊接过程进行对比试验。 试验中，运用该系统对电弧电压、焊接电流进行实时采集和显示，并对采集到的 电弧电压、焊接电流进行了详细的波形分析、相图分析、频谱分析和统计分析， 从而验证了系统的可靠性和实用性。 关键词：c 0 2 焊，a r m 微处理器，l a b v i e w ，u s b 总线，数据采集分析 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t t h e p a p e rd e v e l o p e dad e t e c t i n ga n da n a l y z i n gs y s t e mo f c 0 2g a ss h i e l d e da r c w e l d i n gb a s e d0 1 1d r o p l e ts h o r t - c i r c u i t i n gt r a n s f e rp r o c e s s t h es y s t e mm a d eap r o g r e s s i nt h ec r o s s - s u b j e c tf i e l d b yc o m b i n i n gt h ew e l d i n gw i t ht h et h r e ea d v a n c e d t e c h n o l o g i 懿s u c ha s3 2 - b i t a r mm i c r o p r o c e s s o r , u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) i n t e r f a c e d e v i c ea n dv i s u a li n s t r u r a e n ta n ds oo n t h eh a r d w a r ec i r c u i to ft h es y s t e mc o n s i s t e do ft h eh a l lv o l t a g es e n s o r , t h eh a l l c u r r e n ts e n s o ra n dt h ec i r c u i to fs i g n a ld e b u g , t h el p c 2 1 4 2p a c kb a s eo na r b lc h i p a n dt h eo t h e rn e e d e dc o m p o n e n t s b e c a u s eo fu s bc o n t r o l l e ra n da du n i te m b e d d e d i nl p c 2 1 4 2p a c k , t h eh a r d w a r ed e s i g nw a sm o r ec o n v e n i e n ta n de a s i e r t h es y s t e mh a d h i g h e rt r a n s m i s s i o ns p e e di nv i r t u eo f b o t hc h a r a c t e r i s t i c so f a r mm i c r o p r o c e s s o ra n d t h e # u g & p l a y b e s i d e s , c o m p 缸e dw i t hg e n e r a ld a t aa c q u i s i t i o nc a r d , i ti sm u c h c h e a p e r , m o r ef l e x i b l e t h es o f t w a r es y s t e mw a sc o m p o s e do ft h el p c 2 1 4 2m i c r o p r o c e s s o rf l r l n w a f e p r o g r a m , t h eu s bd r i v e rp r o g r a m a n dt h eu s e ra p p l i c a t i o np r o g r m n t h e m i c r o p r o c e s s o rf l r n l w a r ep r o g r a mw a sd e v e l o p e db ycl a n g u a g ea n da s s e m b l el a n g u a g e b o t ht h eu s bd r i v e rp r o g r a ma n du s e ra p p l i c a t i o np r o g r a mw e r ec r e a t e db yl a b v i e w ( l a b o r a t o r y v i r t u a li n s l x m n e n t e n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ) ，a v i r t u a li n s t r u m e n t p r o g r a m m m gs o f t w a r ew h i c hd e v e l o p e db ya m e r i c a nn a t i o n a li n s t r u m e n tc o r p o r a t i o n , a n dm a d et h ew h o l ed e v e l o p i n gp r o c e s sm o r ee a s i l ya n dl o w - c o s t t h es y s t e mw a ss u c c e s s f u li na c q u i r i n ga n dp r o c e s st h es i g n a io ft h ec u r r e n ta n d v o l t a g eo ft h ec 0 2g a ss h i e l d e dd r o p l e ts h o r t - c i r c u i t i n gt r a n s f e r i tm c a n e dt h a to n e c o u l di m p l e m e n ts i g n a lr e a lt i m ea c q u i s i t i o n , d y n a m i c a l l yd i s p l a y , d a t as a v ea n dd r a w i n s t a n t a n e o u su - ic u r v e , g e tp r o b a b i l i t yd e n s i t yd i s t r i b u t i o na b o u t 眦v o l t a g ea n d w e l d i n gc u r r e n ta n dg a i nf r e q u e n c c - d i s t r i b u t i o n 吼l r v ea b o u t 黜c y c l ea n ds h o r t - c i r c u i t c y c l ea n ds oo n a l lo f t h e s ec o u l ds 翻m t ot h eq u a l i t yd e t e c to u l i n eo f t h ec u r r e n ta n d v o l t a g eo f t h ec 0 2g a ss h i e l d e dd r o p l e ts h o r t - c i r c u i t i n gt r a n s f e r a n d i ta l s op r o v i d e da n e a s yw a y t oe v a l u a t et h ew e l d i n gp r o c e s ss t a b i l i t yd i r e c t l ya n dp r e c i s e l y i nt h ee n d , t h es y s t e mw a st e s t e db yc 0 2g a ss h i e l dd r o p l e ts h o r t - c i r c u i t i n g w a n s f c re x p e r i m e n t t w ow o r k p i e c o sw e r es e l e c tt ob ew e l d e dw i t hd i f f 黜n tw e l d i n g p a r a m e t e r s t h es y s t e mc o u l dp e r f o r mw e l li nt h ea c q u i r i n gf u n c t i o na n da n a l y s i s 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 f u n c t i o n c o n t r a s t i n gt h et w od i f f e r e n tr e s u l t s , t h er e l i a b i l i t ya n dp r a c t i c a b i l i t yo ft h e s y s t e mw a s v a l i d a t e d k e y w o r d s ：c 0 2w e l d i n g ，a r mm i c r o p r o c e s s o r ，l a b v i e w ，u s bb u s ， d a t a a c q u i r ea n d a n a l y s i s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重废太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：毖吃翊f签字日期：c r d 7 年午月o e t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重迭友堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重庆太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 学位论文作者签名：辱i 魄囱户 导师签名： 渤易屎 i 签字目期：哗年年月，。日签字日期：。泖7 年弘月，日 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 课题研究背景 焊接作为制造业的基础工艺与技术在2 0 世纪为工业经济的发展做出了重要的贡 献。据统计，发达国家钢产量有4 0 - 5 0 是经过焊接加工后才投入使用的。在人类引 以为自豪的各个领域，如航空航天、核能利用、电子信息海洋钻探、高层建筑等，都 利用了焊接技术的优秀成果。随着工业的发展和钢产量的不断增加，焊接将在国民经 济中占据越来越重要的地位。 在今天，焊接作为一种传统技术又面临着2 1 世纪的挑战。一方面，新材料不断 出现，对焊接技术提出了更高的要求。另一方面，先进制造技术的蓬勃发展，正从信 息化、集成化、系统化、柔性化等几个方面对焊接技术的发展提出了越来越高的要求。 可以预计，在不远的将来，焊接必定在先进制造业中发挥越来越重要的作用，焊接也 必定成为先进制造技术的一个不可或缺的重要组成部分“1 。 焊接工艺发展到今天，虽然种类繁多，但电弧焊工艺仍是众多焊接工艺中应用最 广、影响最大的一种。在现代焊接制造技术中，气体保护电弧焊是现代电弧焊工艺中 最重要的工艺之一。c 0 2 气体保护焊是上世纪五十年代发展起来的一项新工艺。同其 它电弧焊接相比，c 0 2 电弧焊主要具有生产率高、焊接质量好、焊接变形和内应力小、 成本低、耗电量少、适用范围广和操作简便优点，因此获得业界广泛关注。c o z 气 体保护焊采用短路过渡和细颗粒过渡两种熔滴过渡形式，从而获得稳定的焊接过程。 短路过渡通常是在电压较低、弧长较短的情况下发生的。它是个周期性变化的过程： 焊丝端部和母材在电弧燃烧热的作用下熔化形成熔滴，随着焊丝不断地送迸，与熔池 发生接触而短路，形成液桥；在表面张力和电磁收缩力的作用下，发生颈缩直至液桥 破断；接着电弧又重新引燃，新的熔滴又开始形成。如此周期性的不断重复，便构成 了熔滴短路过渡过程。c 0 2 细颗粒过渡焊接又称为c 0 2 长弧焊接。在c o a 气体中， 对于一定的直径焊丝，当电流增大到一定数值后，同时配以较高的电弧电压，焊丝的 熔化金属即以小颗粒状态、非短路形式进入熔池，这种熔滴过渡形式叫做细颗粒过渡。 许多国家的焊接工作者都在致力于c 0 2 焊接技术的研究和推广工作，使得c 0 2 焊在越来越多的领域得到了推广和应用，特别是在重型机械制造工业、机车、汽车制 造业、造船业、发电设备制造业和其它构件加工工业中，应用己较普遍。由中国焊接 协会主办的第二届全国c 0 2 焊接技术推广应用交流会统计，日本气体保护熔化极电 弧焊用焊接材料占焊接材料总额的7 5 左右，其中以c 0 2 焊为主的实芯焊丝占4 4 。 而在我国，气体保护熔化极电弧焊用焊接材料仅占焊接材料总额的1 0 左右。这说明 c 0 2 焊在我国还有待继续推广。在c 0 2 焊推广与应用过程中发现，c 0 2 焊主要有熔滴 重庆大学硕士学位论文 i 绪论 短路过渡可控性和稳定性较差，成型较差、飞溅较大、焊缝成型表面不如埋弧焊或氩 弧焊美观等缺点。它在一定程度上影响到c 0 2 焊的推广和应用。因此，研究和控制 c c h 弧焊过程对于提高c o z 焊接质量具有重要的意义。 1 2c 0 2 气体保护焊焊接质量检测分析技术研究现状 电弧焊焊接过程中，电弧会发出声、光、电等信号。这些信号中蕴含着丰富的电 弧燃烧过程信息，人们主要通过电弧传感与视觉传感等途径获取电弧信号，寻找它们 与焊接质量相关的信号特征来进行焊接质量控制。 1 2 1 基于焊接电弧光谱特征的参数检测及分析技术 焊接电弧光谱是一个丰富的信息源，电弧中各种变化都能在电弧光谱中得到体 现。不同波段不同谱线的电弧光谱所包含的信息各不相同。电弧光谱信息对于检测焊 接电弧喷射过渡过程有着独特的优越性：信号灵敏而且信号品质高电，弧光谱的动态 特征与熔滴过渡之间存在着很好的对应关系。 在电弧光信号方面，美国c a r l s o n ，n m 等人运用c c d 成像技术，计算机图像处理 技术，实现了焊接温度场的动态测试和熔池特征信号的提取，并为进而实现实时控制 焊接温度场和焊缝成型奠定了基础。天津大学利用光谱仪成功地实现了焊接电弧熔 滴过渡的检测和反馈控制，为电弧光谱信息在焊接质量保证技术领域的应用开拓了新 的方法嘲。杨运强，张晓琪等人提出了焊接电弧熔滴过渡特征光谱窗口的选择原则， 并对熔化极电弧光谱分布特征进行分析，以此实现进行熔滴过渡闭环精确控制。清 华大学的潘际銮、张华等将红外成像技术应用于焊接温度场的监测，实时地获得了焊 接温度场的全面信息，并利用热循环参数对熔宽、熔深实施闭环控制”1 。 运用基于电源光谱特征的高速摄影法、高速摄像法和x 一射线检测法对熔滴过渡 过程进行摄像或摄影，提取电弧过程的有用信息的方式直观，形象，但也存在数据采 集量大，速度慢，设备复杂且成本高的缺点，难以满足实时控制的需要。 1 ，2 。2 基于电弧声波特征的参数检测及分析技术 焊接电弧声是在焊接过程中产生的非平稳随机信号，根据电弧声能够辨别熔滴的 过渡方式、过程稳定性和飞溅大小。 在电弧声信号方面，日本学者k o u k c t s u ，m 等指出电弧声信号有助于焊接质量 特征信息的提取嘲澳大利亚s a i n if l o y d 等学者认为电弧声波产生于能量突变、电 弧输入能量、熔滴过渡方式和过渡速率是其三个主要影响因素”。在国内，兰州理工 大学研制了计算机检测和分析系统，对c o z 焊接电弧声与飞溅的关系做了深入的研 究，结果发现焊接飞溅与短路过渡结束时，电弧声能及短路平均声能成线性关系，从 而提出用声能来表征焊接飞溅的新型传感方法。近年来，甘肃工业大学又采用全指 向性电容式测量传声器拾取声波信号，并将近年来发展起来的小波变换方法和奇异点 2 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 分析技术引入到其中，用小波包降噪技术抑制背景噪声，以小波包多层分解结合 w e l c h 平均法实现对电弧声信号进行时频分析，并提取声波信号的特征值“”。吉林工 业大学则设计了飞溅声波动态跟踪法研究c 0 2 弧焊过程各阶段飞溅生成的条件和规 律“4 。 基于电弧声信号的孤焊参数检测分析方法具备实时控制的特征，但它在各种工艺 形式下都很复杂，其信号品质的工艺适应性存在一定的不足，目前的研究多集中在电 弧声信号与飞溅的关系上。 1 2 3 基于焊接过程电信号的参数检测及分析技术 通过对c o = 飞溅机理的研究发现，在焊接生产过程中，飞溅的产生以及数量都 与焊接过程的电参数( 电孤电压、焊接电流等) 密切相关，飞溅的产生和其它与焊接 质量有关的信息就蕴藏在电弧电压和焊接电流的波动中。且电弧电压和焊接电流作为 电信号可以很方便地被采集，故被作为国内外工程技术人员和研究机构进行c 0 2 弧 焊质量检测焊接过程研究最常用的信息源。 在基于计算机的焊接过程或电焊机动态参数检测分析系统研究开发方面，最初有 美国的梅利克公司，英国的o l s 公司，德国的t r i n k 公司，德国汉诺威大学等以 及国内的哈尔滨工业大学、清华大学、哈尔滨焊接研究所、船舶工业公司等“”。从 国外来看，具有代表性的有，m i r a 研制的焊接过程分析仪“目，该系统通过多元回归 技术分析，确立了波形参数和电弧稳定性的关系，并建立了一种稳定性的指数表达式； 德国汉诺威大学的d r e h f e l d t 教授则研制了一种焊接过程测试分析仪“”，该参数测 量仪采用m c 6 8 0 3 0 为c p u ，能以5 0 k h z 到2 0 0 k h z 的频率对电弧电压、焊接电流进 行采样和分析。国内具有代表性的是哈尔滨焊接研究所研制的d h c c - 2 型焊接参数测 量仪“”。北京石油工业大学研制了一种用于c 0 2 弧焊电源工作过程的检测系统“”， 实现了对熔滴短路过渡过程特征参数的检测和简单分析。但是由于受当时计算机发展 水平的限制，这些测试仪器在连续的实时在线监测焊接过程和需分析大量数据的场合 显然是力不从心。此外，m i r a 研制的焊接过程稳定性分析仪对影响焊接飞溅和成型 的特征参数分析不够；汉诺威大学研制的测试分仪可测量和分析的特征参数较少。 d h c c - 2 型测量仪在人机界面和可视化方面尚不能方便地将参数以形象的图形输出， 且没有对焊接过程及其稳定性进行分析和评价。 随着计算机及信息技术的进一步发展，各研究机构或个人主要借助科技的发展来 改进硬件和软件：一方面利用精确可靠而且线性度好的传感器检测焊接过程的原始数 据，利用分辨率以及响应速度都很高的a d 转换芯片进行数据的实时采集；另一方面， 运用不同的分析手段，通过各种功能强大的编程环境对焊接原始数据进行处理分析， 试图找出采集信号与焊接过程稳定性的联系，建立对短路过程稳定性评估的模型。 这方面的研究有：朱六妹等利用m a t l a b 仿真软件建立起c 0 2 电弧焊的动态模 3 重庆大学硕士学位论文1 绪论 型，重点分析了电源输出回路的电感对其动态性能的影响，并比较了不同数值的线性 电感以及可饱和电感、可变电感等对负载电流和负载电压的响应速度的影响。华南 理工大学利用采用n i 公司的n 1 6 2 2 1 数据采集卡和m a n 曲软件构建了短路过渡电弧电 参数检测分析系统，探讨了电弧能量对焊接稳定性的影响”。最近，华南理工大学运 用高速数据采集对焊接电流、电弧电压进行采集，并从非线性的角度出发，对能真实 反映熔滴短路过渡的电流信号进行近似熵分析，探索出短路过渡的稳定性与近似熵之 问的联系，从而从近似熵的角度对短路过程的稳定性进行了评估嘲。张晓囡等在对 c 0 2 弧焊电源动特性评定指标的实验分析基础上，指出波形控铜j c 0 2 弧焊电源的动态 焊接过程质量不但与短路电流的上升过程有关，而且与对燃弧阶段焊接电流的控制有 关嘲。范伟等深入探讨了c 0 2 焊的短路过渡行为，通过计算机仿真对c 0 2 焊短路过渡 过程中的各种参数进行了定量分析。上海交通大学蔡艳等针对c 0 2 短路过渡气体保 护焊的电弧特点，利用统计方法从电弧电压电流中提取幅值和时域的6 个统计参数作 为焊接质量的评价依据，同时针对气体保护焊常见的飞溅大和成型差等问题设定焊接 质量参数w ，并将神经网络技术引入质量评价系统以求建立统计参数和质量参数之间 的关系模型，初步构建y c 0 2 短路过渡气体保护焊质量控制系统嘲。 基于电弧电信号的弧焊参数检测分析方法具备实时控制的特征，且采集方便，信 号也便于进一步分析。但是目前国内所开发的各种采集系统的采集部分多采用传统插 入板卡采集方式或是流行的8 1 6 位单片机进行开发，存在开发成本高或是采集速率低 等缺陷。信号分析部分也借助于越来越强大的虚拟仪器软件进行开发，对采集到的数 据进行统计分析，主要从短路过渡飞溅量大小、短路过渡频率以及焊接电流近似熵分 析等来判断短路过渡稳定性。 1 2 4 基于多种分析手段并用的参数检测及分析技术 在国外，将各种检测手段和传感手段结合起来进行焊接质量检测系统的研究也屡 见不鲜。美国爱达荷州国家工程实验室( i d a h on a t i o n a le n g i n e e r i n gl a b ) 。在n a s a ( 美国国家航空航天宇航局) 的赞助下完成了g m a w 焊接监测系统，它综合了以 下技术：应用激光e m a t ( e l e c t r o m a g n e t i ca c o u s t i ct r a n s d u c e r ) 进行非接触的超 声波检测技术来实现凝固焊缝的缺陷监测；应用c c d 成像和l a s e rs t r i p e 组成的集 成光学系统获得冷却速度和焊缝尺寸信息；通过监测数字化的电弧电压波动来检 测熔滴过渡，实现理想的热输入。i m p a c te n g i n e e r i n g ，k 公司开发了可同时检测和 分析焊接过程的电弧电流、电源输出电压、保护气流量和送丝速度的监测系统矧。当 发现问题时，在监视器上显示诊断信息，以便于操作人员作相应的纠正操作。 基于多种分析手段并用的参数检测及分析技术虽具备信息全面等特点，但由于成 本及采集同步性等问题，目前有关这方面的研究并不多。 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 3 基于3 2 位a r m 微处理器弧焊电参数采集分析系统设计方案 1 3 1 系统设计方案的确定 根据以上分析，本课题采用c 0 2 焊弧焊过程的电信号作为信号源进行弧焊参数采 集分析系统，并且针对目前所开发弧焊监测分析系统成本高、多采用插入式采集卡以 及开发周期长等问题，期望将支持热插拔特点的u s b 接口技术、具有更高的反应速度 和数据处理能力3 2 位单片机以及目前与计算机同步发展的虚拟一起技术相结合，实现 一种简便、低成本、高速、高可靠性的数据采集和分析方案。通过构建新型的弧焊电 参数采集分析系统实现对焊接过程的电弧电压、焊接电流信号进行实时采集和分析以 及对其所包含的各种信息进行提取，进而有效地实现对焊接质量的监测和评估，为全 面评价焊接过程工艺，分析缺陷产生的原因提供重要的客观依据。 随着科技的不断进步，在单片机领域，具有更高的反应速度和数据处理能力3 2 位单片机逐渐崭露头角，同时降低开发难度，提高了产品的性价比。它与目前运用较 多的8 1 6 位单片机以及插入式采集卡相比，不仅功能强大、开发成本低，而且大大降 低了产品开发难度。在3 2 位微控制器领域里a r m 得到了特别的青睐，并几乎成为了 事实上的标准。1 9 8 5 年第一个a r m 原型在英国剑桥诞生。1 9 9 0 年成吉_ l a d v a n c c dr i s c m a c h i n e sl i m i t e d ( 后简称为a r m ) 。目前，a r m 已扩展到世界范围，占据高性能、低 功耗、低成本的嵌入式应用领域。a r m 是设计公司，本身不生产芯片。采用转让许 可证制度，由合作伙伴生产芯片。这就使它在世界范围有超过1 0 0 个的合作伙伴 ( p a r t n e r s ) ，占有大于7 5 的市场。基于a r m 体系的3 2 位微控制器，耗电少，功能 强，具有较高的反应速度和大量的数据处理能力，并且可靠性和安全性大大提高，从 而能够完成在焊接过程信号检测的大数据量采集和高速传输，为进一步改善实时采集 和分析系统提供了可能。 同时，u s b 技术的发展更为计算机外设连接技术带来了重大变革。u s b 通用串 行总线最初是由i n t e l 、d e c 、m m 、康柏、微软、n e c 和n o r t h c r at c l e c o m 七家 著名的计算机、通信公司共同推出的新一代接口标准，其目的在于解决日益增加的 p c 外设与有限的p c 插槽和端口之间的矛盾，使所有的p c 外设都可以连接在统 一的接口上。u s b 总线采用精心设计的4 芯连结器和一种特别的差分电平编码方式 来实现数字信号的高速传输，并采用菊花链形式通过h u b 把多达1 2 7 个外设连接 起来，且不会损失带宽。u s b 具有即插即用的特性，支持带电动态插拔，安装配置 设备不再需要打开机箱，u s b 集线器提供5 v 5 0 0 r a a 电源，足以直接支持一些小型 仪器工作。u s b 协议经历了u s b l 0 、u s b l 1 和u s b 2 0 版本，这些协议都具有良 好的向下兼容性。目前普遍采用的u s b l 1 主要应用于中低速外设，它提供1 5 m b p s 和1 2 m b p s 两种传输速度。2 0 0 0 年正式发布的u s b 2 0 规范将传输速率提高到 4 8 0 m b p s ，且拥有更高带宽，足以用于图像传输。因此，通用串行总线u s b 由于其 5 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 支持热插拔、无需外接电源、传输速率高并可以连接多个不同的设备等优点，获得越 来越广泛的应用。 此外，虚拟仪器技术的迸一步发展，使得数据采集、仪器控制、测量分析和数据 显示、仿真等应用系统的开发过程更加简单可靠、功能更加灵活强大。所谓虚拟仪器， 即是以计算机为基础，配以相应测试功能的硬件作为信号输入输出的接口，完成信号 的采集、测量与调理，从而完成各种测试功能的一种计算机化仪器系统。与传统仪器 相比，它的关键是软件开发，因此使得开发与维护费用降至最低，技术更新周期短， 用户可自定义仪器功能，且具有开放、灵活等特点，可与计算机同步发展等特点。其 中，l a b v i e w ( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ，实验室虚拟仪器 工程平台) 是美国n i 公司推出的一种基于g 语言( g r a p h i c sl a n g u a g e ，图形化编 程语言) 的虚拟仪器软件开发工具。它具有强大的数据处理和直接对硬件操作的能 力，是科学研究和工程领域最主要的图形开发环境，广泛应用于数据采集、仪器控制、 测量分析和数据显示、仿真等嵌入式应用系统的开发。 因此，确定本课题采用p h i l i p s 公司的3 2 位a r m 微控制器为硬件核心，将a r m 微处理器、u s b 接口技术、l a b v i e w 虚拟仪器编成技术三者结合起来构建单片机采集 系统。由专用电流、电压传感器拾取焊接过程的电流和电压信号，经信号调理后接入 微控制器的a d 转换通道进行高速数据采集及处理，然后利将数据通过u s b 总线快速 地传输给上位的工控计算机。工控计算机以虚拟仪器编程软件l a b v i e w 为开发平台。 通过l a b v i e w 开发的采集分析系统对采集的数据进行处理和分析，实现对焊接质量 的检测和评估。最后，通过试验，验证系统的可靠性。 系统主要完成两个基本目标：一是通过对信号采集硬件电路及软件编程的设计， 实现对c 0 2 焊短路过渡的电弧电压、焊接电流信号的采集和传输，为近一步分析焊接 过程的稳定性提供准确、全面的信息源。二是对采集到的电压、电流信号实时地进行 处理和分析，包括焊接电流、电弧电压波形实时采集、显示、分析和保存以及u - i 相 图分析、频谱分析、统计分析等功能。最终，系统能够客观的监督焊接过程的状态和 行为，并通过计算分析来评定c 0 2 焊接短路过渡过程的稳定性，达到对焊接质量的监 测和评估。而且，顺应时代发展的应用要求，实现接口便捷、高速、可靠性和低成本 的弧焊参数检测方法。 1 3 2 系统设计方案的主要特点 本系统设计方案具有如下特点： 该系统将3 2 位a r m 微控制器、u s b 总线和虚拟仪器三种先进技术应用于焊接 过程的测试分析，在与焊接学科的交叉应用方面具有一定的创新意义。 采用u s b 总线技术实现下位微控制器与上位工控计算机的数据通信，能满足 数据通讯的实时性和大数据量的传输要求，而且可充分发挥微控制器与工控计算机两 6 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 者的长处。 采用主流的、高性价比的3 2 位a r m 微控制器，利用其海量、高速的数据处理 能力，可更加完整真实地提取焊接电弧的有用信息；由微控制器完成数据采集的方式 与传统的插入式板卡数据采集方式相比，具有成本更低、使用更灵活等特点。 利用l a b v i e w 虚拟仪器编程软件进行用户应用程序开发，很容易实现系统的 各种分析功能，可大大节约系统开发时间，且可满足实际焊接生产中长时间、不间断 地实时监测和记录焊接工艺参数的需要。 1 3 3 系统设计方案的主要任务 建立基于3 2 位a r m 微处理器的弧焊电参数采集系统，不仅要求能快速、准确的 采集焊接电流和电弧电压，实现与外围设备之间的通信，而且要求该系统能准确的评 判焊接质量，能快速、准确的实现对数据流的显示、存储和回放等。因此，系统设计 的主要任务有： 焊接电弧信号提取：通过专用传感器及调理电路的优化设计，实现信号的提 取、减少信号失真，并实现测试系统与焊接主回路的隔离以避免引入干扰信号。 微控制器测控硬件及软件：实现信号的高速采集、处理和u s b 接口数据通信， 并采取有效的防干扰措施，保证系统的稳定工作。 工控计算机的l a b v i e w 编程：实现工控计算机与微控制器的u s b 接口数据通 讯，并实现电弧电压、焊接电流动态波形实时显示，电流概率密度分布曲线、电压概 率密度分布、电流频谱分布曲线、电压频谱分布曲线以及u - i 相图等各个图形显示功 能，为分析焊接过程稳定性提供参考和依据。 7 重庆大学硕士学位论文2 弧焊电参数采集分析系统硬件设计 2 弧焊电参数采集分析系统硬件设计 2 1 弧焊电参数采集分析系统硬件总体设计 在工业生产和科学技术研究各行业中，常常需要运用计算机对各种信号进行采 集，例如温度、压力、频率、位移、液体流量等。现在常用的方式是在p c 机的i s a 或p c i 总线插槽上安装数据采集卡，这种方法存在以下问题：安装麻烦，易受机箱内 环境的干扰，受计算机插槽数量和地址、中断端口数的限制，不可能挂接接很多设备， 可扩展性较差：在一些电磁干扰较强的测试现场，无法专门对其进行电磁屏蔽，导致 采集的数据失真。而采用通用串行总线u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) ，能够很好地解决 上述的冲突。u s b 用一个4 针插头作为标准插头，采用菊花链形式，可以把所有的 外设连接起来，最多可以连接1 2 7 个外部设备，并且不会损失带宽。自问世以来， u s b 已被广泛接受，事实上如今的p c 机上基本上都有四个以上的u s b 插口，只需 通过简单的安装就可使用，并且w m d o w s 及其他操作系统都增加厂对u s b 接口的支 持。u s b 传输速度快( u s b l 1 是1 2 m b p s ，u s b 2 0 是4 8 0 m b p s ) ，使用方便，支持 热插拔，连接灵活、而且能够独立供电，可以连接诸如鼠标、键盘、打印机、扫描仪、 摄像头、闪存盘、m p 3 机等几乎所有的计算机外部设备，很容易实现低成本、高可 靠性、多点的数据采集m 。 要构建一个实用的u s b 数据采集系统，硬件主要包括传感器、a d 转换器、微 控制器以及u s b 通讯接口。目前，a d 可根据采集的速率、精度、通道数来选择， 并充分注意抗干扰性能。微控制器和u s b 接口的选择上主要有两种方式：一是采用 普通的单片机加上专用的u s b 通讯芯片，另一种是采用具备u s b 通讯功能的单片机。 随着u s b 运用得日益广泛，p h i l i p s 、i n t e l 、c y p r e s s 、s g st o m s o n 等芯片厂商都推出 了具有u s b 接口功能的单片机。这些单片机处理能力强，有的本身就具有多路a d ， 构成的系统电路简单、调试方便、电磁兼容性好。 本课题采用p h i l i p s 公司的3 2 位a r v l 微控制器l p c 2 1 4 2 单片机为硬件核心。 l p c 2 1 4 2 内置一个u s b2 0 全速设备控制器，带有2 k b 的终端r a m ，可即插即用， 具有较高的传输速率，可满足电弧焊中电流、电压信号的传输要求。同时，l p c 2 1 4 2 具有1 个1 0 位的a d 转换器，可输入通道为6 ，每秒可支持多于4 0 0 ，0 0 0 次1 0 位 采样，完全满足电弧焊中信号快速采集及处理的要求。a r m 采用三级流水线技术， 使得处理核存储系统的所有部分都可以连续工作，指令执行速度达到0 9 m i p s m h z ， 可完成海量数据处理。 整个系统结构如图2 1 所示：它主要由电流传感器、电压传感器、信号调理电路、 金属屏蔽信号传输电缆、l p c 2 1 4 2 单片机系统及工控机组成。由电流、电压传感器采 8 重庆大学硕士学位论文2 弧焊电参数采集分析系统硬件设计 集到的焊接过程的电流和电压信号，通过信号调理电路进入到l p c 2 1 4 2 微控制器的 a d 转换通道，a d 转换器将采集到的模拟信号转换成数字信号，并利用l p c 2 1 4 2 内置的u s b2 0 全速设备控制器，将数据通过u s b 总线快速地传输给上位的工控计 算机。然后通过工控机端的l a b v i e w 虚拟仪器软件系统对采集到的数据进行相应的 处理和分析。 图2 1 基于3 2 位a r m 微控制器的弧焊参数检测分析系统结构框图 f i g , 2 1s k e t c hm a po f g e n e r a lf r a m ef o rd e t e a t n ga n da a a l y 西n gs y s t e mo f c 0 2 批 s h i e l d i n gw e l d i n gb a s e do n3 2 - b i t s a r mm i c r o p r o c e s s o r 2 2 霍尔传感器 传感器是自动检测和自动控制系统中的第一个环节，它的任务是将需要观测的信 息转化为人们所熟悉的各种信号，如电信号等。传感与控制技术、通信技术以及计算 机技术被称之为信息技术的三大支柱技术。具体来说，传感器是把被测物理量与化 学量转换为与之有确定对应关系的电量输出装置。它一般由敏感元件、变换元件、测 量电路和辅助电源等部分组成，如图2 2 所示。 图2 2 传感器组成框图 f i g 2 2s k e t c hm a po f s e n s o r 9 出 重庆大学硕士学位论文2 弧焊电参数采集分析系统硬件设计 其中，敏感元件的功能是将不易变换为电量信号的非电量转换为易于转换为电量 信号的非电量信号；变换元件的功能是将非电量信号转换为电量信号，是传感器的重 要组成部分；测量电路的主要功能是将变换元件输出的微弱电信号转换成为便于处 理、控制、显示和记录的电信号。辅助电源的功能是为变换元件和测量电路提供工作 电源。 传感器作为信息采集系统的前端单元，在信息采集处理系统中处于非常重要的地 位。传感器能否正确感受信息并将其按相应的规律转换为可用信号，对系统的测控质 量起着决定性的作用，自动化程度越高，系统对传感器的依赖作用就越大。传感器所 造成的测量误差一般都无法弥补，因此其技术性能将影响系统的测试精度，一般来说， 要求传感器具有以下技术性能”3 ： 线性度好。线性度是指传感器的输出与输入之间数量关系的线性程度，线性 度越高，在电路上处理越方便，测量精度也高。 具有较高的分辨率，灵敏度高与灵敏误差小。灵敏度是指传感器在静态工作 条件下，其单位输入所产生的输出。 有较好的重复性和稳定性。重复性是指在同一操作条件下，输入量按同一方 向作全量程连续多次重复测量，所得曲线的不一致程度。它反映了测量结果随机误差 的大小。 滞后误差小、漂移小。在相同条件下，传感器在正行程( 输入量增大) 和反 行程( 输入量减小) 中，同一大小的输入量所对应输出的不重合程度成为迟滞，应该 尽量减少迟滞。 动态性能好。传感器的动态特性是指其输出对随时间变化的输入信号的响应 特性。动态性好的传感器能够随时精确地跟踪输入信号，其输出能按照输入信号的变 化规律而变化。 一个准确可靠的信息采集处理系统中，首先要根据测试目的和实际工作条件，合 理地选择传感器以提供各种精确可靠真实的信息。传感器的选择主要从它的灵敏度、 响应特性、测量范围、可靠性、精确度以及测量方法等方面入手。 由于本课题要求系统具有采集速度高、测量精度高以及数据采集和分析的实时性 等特点，故采用动态性好、测量精度高、体积小的霍尔传感器。霍尔传感器属于磁电 式传感器，它基于霍尔效应原理，利用半导体材料的电磁效应把磁学物理量转换成电 信号。它还具有结构牢固，体积小，重量轻，寿命长、频率高( n - i 达l l v l l - l z ) ，耐震 动、灰尘、油污、水汽等等优点。 本课题所选用的霍尔电流传感器和霍尔电压传感器分别是南京中旭电子科技限 公司的产品h d c - 5 0 0 e k 霍尔电流传感器和h n v 5 0 t 霍尔电压传感器。h n v 5 0 t 霍 尔电压传感器是利用磁补偿原理的一种电压传感器，具有体积小、高度电绝缘、高可 1 0 重庆大学硕士学位论文2 弧焊电参数采集分析系统硬件设计 靠性、高过载容量等特点，能够测量直流，交流及各种波形的电压，同时在电气上是 高度绝缘。其外型结构和电参数如表2 1 所示嘲。 表2 1h n v 5 0 t 电压传感器电参数 t a b l e 2 1e l e c t r i c a l c h a r a c t e r i s t i c s o f h n v s o t v o l t a g e $ f f t l $ o r 型号 【n v 5 0 t 参数符号 额定测量电压 v 5 0 v 线性范围 v p o 7 5 v 额定输出电压 v s n 4 v 电源电压v c ：t ：1 2 v + 1 5 v 零点失调电压 v o w i t h i n 士4 0 m v 零点温漂 v o r w i t h i n 士i m v c 线性度 2l w i t h i n 士1 f s 响应时间t f4 0 必 绝缘电压v d 2 5 k v 5 0 h z l m i n 带宽 fd c 2 0 k h z ( 3 d b ) 工作温度t i 1 0 + 7 0 存储温度t 1 5 + 8 5 需要注意的是，在获取电压信号过程中，在不同的位置进行采样，由附加