（材料加工工程专业论文）基于msp430单片机的多功能tig焊控制器.pdf

摘要 摘要 逆变焊接电源以其自身响应速度高的优势，可以输出较传统焊接电源更为复 杂的电流波形，使焊接质量控制水平又上升了一个新的台阶。通过对焊接电流波 形的精细控制，可以减少焊接过程的飞溅、改善焊缝的形状和结晶的组织形态， 进而使焊缝的机械性能得以大幅度的提高。鉴于各种新型焊接方法的自身特点， 目前市场上占主流的仍然是交流 f i g 焊接。然而，交流t i g 焊机由于其控制面 板旋钮太多，设计复杂，因而操作繁杂很容易失误，给焊接生产带来很大的不便。 本文针对当前对一机多用的多功能t i g 焊机的需求，成功开发了一台具有 良好人机交互界面的集多种t i g 焊接方法于一体的多功能t i g 焊控制器。 多功能t i g 焊控制器以t i 公司的m s p 4 3 0 f 4 4 9 单片机为控制核心，以v k 6 5 液晶显示器、旋转编码器为人机交互手段，建立了多功能t i g 焊控制器的硬件 平台。该控制器通过a d ，d a 电路与模拟控制焊接电源连接，通过r s 4 8 5 接 口与数字式焊接电源连接，并可以通过r s 2 3 2 接口将焊接参数及相关数据传递 给上位机或接受上位机的指令重新设置t i g 焊控制器的参数。为防止t i g 焊接 工艺的高频干扰，在控制电路设计时采用单片机内核与外围电路分别供电方式， 数字信号采用光电耦合器与继电器隔离双重保护方式，模拟量采用线性光电耦合 器隔离，保证了系统的抗干扰性能。 多功能t i g 控制器的软件系统采用c 语言模块化设计方法，设计了液晶显 示模块、键盘扫描模块、软件电流波形发生器模块、r s 2 3 2 通讯模块和r s 4 8 5 通讯模块等，其中软件电流波形发生器模块是软件系统的核心。该模块主要有两 个作用：第一，根据选择的焊接工艺方法与输入的焊枪开关信号配合实现各个焊 接阶段电流波形的给定，如预热电流、上升电流、正常焊接电流、下降电流、火 口电流等焊接电流的输出变化；第二，配合焊接工艺过程输出控制信号，如逆变 电路驱动信号 l u 4 m a x 4 8 5v c c i 焉曰0 j d 蔓i g n i d 车 d e a 卜_ 二；_ 一 l = 一 图2 1 0m a x 3 4 8 5 通信接口原理图 f i g 2 - 1 0s c h e m a t i cc i r c u i td i a g r a mo f c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ew i t hm a x 3 4 8 5 2 2 3 开关量输入输出接口 由于在焊接电源中的开关量较多，因而所需要用的i o 口也比较多， m s p 4 3 0 f 4 4 9 拥有4 0 多个可选用i o 口，这是其它类型的单片机所不具备的。 开关量输入口包括：枪线输入口、水阀开关状态输入口及各种故障告警信 号输入，如过压、欠压、过热、过流等。 开关量输出口包括：主电路启动信号输出口、气阀开启f 关闭) 信号输出 口、启动( 关闭) 高频引弧信号输出口、送丝机启动( 停止) 信号输出口及二 次逆变驱动信号输出口。 2 3 硬件抗干扰 t i g 焊接电源工作的电磁环境是比较恶劣的，焊接电源在工作时会受到从 电网上传来的“噪声”干扰，其本身也是个很强的干扰源，如电源内部的逆 变电路开关电流和变压器绕组电流、电压的变化以及焊接时负载线上的电流频 繁变化都会产生高频噪声。尤其是t i g 焊接电源中的高频引弧器，其放电频率 一般在1 5 0 2 6 0 k h z ，该高频信号有可能通过导线和空间馈入单片机系统内， 造成既定程序脱离原有轨道，跑飞到另外的程序段上，造成系统的不正常工作， 甚至损坏系统”“2 ”。 因此，由于以上噪声干扰的存在，对焊接电源各单元的抗干扰设计提出了 较高的要求，尤其是单片机系统的抗干扰问题显得尤为重要，不仅要考虑到单 片机与焊接电源接口的抗干扰性，同时也要考虑到单片机控制系统内部的抗干 扰，这就要求设计者从全局出发，掌握各个细节，尽量做到极致。 萄一 2 3 1 硬件抗干扰技术 所谓噪声( 这里主要是指电噪声) 是对有用信号进行干扰，扰动信号传输， 使原来的有用信号发生畸变的信号。噪声在一定条件下干扰电子设备的工作， 所以通常把这种噪声称为电磁干扰。”( e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e 简称e m i ) 。 一般来说形成电磁干扰的条件有三：向外发送电磁干扰的源噪声 源；传递电磁干扰的途径噪声耦合和辐射：承受电磁干扰的客体一 一受扰设备。因此，为保证系统在特定的电磁环境中免受电磁干扰，必须从设 计阶段起便采取三方面的抑制措施：抑制噪声源，直接消除产生干扰原因； 消除噪声源和受扰设备之间的噪声耦合和辐射，切断电磁干扰的传递途径， 或提高传递途径对电磁干扰的衰减作用；加强受扰设备抵抗电磁干扰的能 力，降低其对噪声的敏感度。 如何抑制电磁干扰，防止相互之间的有害影响，是电控设备能否可靠运行 的关键技术之一。为进行电磁兼容性设计，必须掌握具体电磁环境的噪声与 干扰的物理特性，这也是采取相应措施的基本依据；对处于各种电磁环境中的 受扰设备的特性做出正确评价，是进行电磁兼容的设计的又一个方面；进行电 磁兼容性设计时，需要根据具体电子设备和其所处的特定环境的多方面数据及 正确理解，做好所用的各种元件、器件和设备的布局；发挥屏蔽、接地、布线 设计的作用；采用适当的滤波手段来处理电源等引起的电压瞬变干扰和电流瞬 变干扰；选择其他行之有效的方法抑制干扰源和切断干扰途径等。 本文中主要采用的是隔离技术。信号的隔离目的之一是从电路上把干扰源 和易被干扰的部分隔离开来，使测控装置与现场仅保持信号联系，但不直接发 生电的联系。 f i g 焊接电源本身就既是一个受扰源，又是一个噪声源，之所以 说它是受扰源是因为它的单片机控制系统属于弱电控制部分，说它是干扰源是 因为它的主电路部分属于强电控制部分，因此，为了保证系统工作稳定，在弱 电和强电之间采用一定的隔离措施是非常必要的。”3 。常用的隔离方式有光电 隔离、继电器隔离、变压器隔离。在本设计中，采用了光电隔离和继电器隔离 双重保护措施。另外，在线路板布线时也采取了一定的隔离措施。 2 3 2 光电隔离 数字量通道的干扰是通过前向( 或后向) 接口而引入的干扰，在通道中长 线传输的干扰是主要因素。因为不管是数字通道还是模拟通道的输入( 或输出 直接与被控对象相连，所以容易通过公共地线引入干扰。为了抗干扰，本文采 用的是光电耦合器进行隔离的措施来抑制此种干扰，光电耦合器使被隔离两者 之间只有光的联系，而不直接发生电的联系。 光电耦合是由光电耦合器件完成的，其输入端配置发光源，输出端配置受 光器，因而输入和输出在电气上是完全隔离的。开关量输入电路接入光电耦合 器之后，由于光电耦合器的隔离作用，使夹杂在输入开关量中的各种干扰脉冲 都被挡在输入回路的一侧。除此之外，还能起到很好的安全保障作用，因为在 光电耦合器的输入回路和输出回路之间有很高的耐压值。由于光电耦合器不是 将输入侧和输出侧的电信号进行直接耦合，而是以光为媒介进行间接耦合，因 而具有较高的电气隔离和抗干扰能力。 本设计中为了实现单片机系统与焊接电源之间的隔离，采用光电耦合器 t l p 5 2 1 将数字信号进行隔离，其隔离电路图如图2 1 1 所示：采用线性光电祸 合器s l c s 0 0 将模拟信号进行隔离，其隔离电路如图2 1 2 所示。 2 3 3 继电器隔离 继电器的线圈和触点之间没有电气上的联系，因此，可利用继电器的线圈 接受电气信号，利用触点发送和输出信号，从而避免强电和弱电信号之间的直 接接触，实现抗干扰隔离。 在本设计中，对强干扰环境中的信号，如：气阀、水阀和主电路的控制、 枪动作输入、高频电路的投切、送丝机的启停控制信号等都经过了继电器的隔 离。其隔离电路如图2 一1 3 所示。 2 3 4 印刷电路板的抗干扰设计 印刷电路板是器件、信号线、电源线的高密度集合体，所以印刷电路板设 计的好坏对抗干扰能力影响很大，由于电源线、地线和其它e p , n 导线都有电感， 第2 章多功能t i g 焊控制器硬件设计 当电源电流变化很大时产生压降，地线压降是形成公共阻抗干重要原因，所以 要竭力缩短引线，减小其电感值；尽量加粗电源线和地线；电源线与地线之间 要留出一定空间，以便安装高频特性好的去耦电容器；设法缩小电路的串联电 阻和去耦电流的环路等。在数字信号与模拟信号共存的电路板设计时，尤其要 注重电路板的抗干扰问题，抗干扰处理的好坏是电路能否正常运行的关键。在 设计印刷电路板时具体的抗干扰措施有以下几点。”“1 ： 1 尽量加粗电源线和地线的宽度，减少环路电阻，并在电源输入端跨接 1 0 1 0 0 p f 的电解电容。 2 使电源线、地线的走向和数据传递的方向一致。 3 数字地( 逻辑电路) 与模拟地( 低频电路) 分开，同一级电路的接地尽 量靠近，单片机和大功率器件的地线要单独接地，以减小相互干扰，大功率器 件尽可能放在电路板边缘。 4 高频电路应多点串联接地、地线短粗并在周围大面积铺设铜箔。 5 每一个集成电路电源和地之间都加一个0 0 1 u f 的瓷片电容。 另外，当单片机控制线路板与外界接1 ：3 较多时因此，一定还要考虑板间的 配线问题，主要应注意以下几点： 1 信号线越短越好。 2 线的绝缘层，应尽量用介电常数低的材料。 3 逻辑电路的集成电路为t t l 器件时，如果工作频率较低并且配线长度 不超过4 0 c m ，可以使用单线；配线长度为4 0 1 5 0 c m ，则应使用特性阻抗为 1 0 0 2 0 0q 的双绞线，其中一线与板内信号线相连，另一线的两端接着地线， 开成信号回路；配线长度超过1 5 m 时，应该使用集成化的专用线路驱动器一 接收器和波阻抗为5 0 6 0 q 的同轴馈线。 本文在设计多功能t i g 焊控制器时，在充分地考虑了以上抗干扰技术的基 础上，又在光电耦合器的两侧留有约5 m m 的电气间隙，所有的布线都在这个 间隙两侧完成，这样光电耦合器两侧就实现了真正意义上的电气隔离。同时， 单片机控制系统与焊机相接的配线在尽量短的前提下，使用了双绞线，这样做 是为了保障多功能t i g 焊控制器能够在焊机工作时，将焊机所可能对单片机控 制系统造成的干扰减小到最小。 _ _ _ a 目j 目 r 1r 1r 、 毕十 十 口 芝 播 凄 图2 - 11 数字信号隔离原理图 f i g 2 - 11i s o l a t i o ns c h e m a t i cc i r c u i td i a g r a mo fd i g i t a ls i g n a l s 2 2 1人川斟l引f_圆 + _ 目 5 _ 8凳；簿 图2 1 2 模拟信号线性隔离原理图 f i g 2 1 2 l i n e a r i s o l a t i o ns c h e m a t i cc i r c u i t d i a g r a mo f a n a l o gs i g n a l s 2 3 。 禺 一 怔电孕育蛙【性t f b 同1 量霆要翌羔= 卜! ! l 耍耍二= 塑l 图2 1 3 继电器隔离电路 f i g 2 - 1 3 r e l a y i s o l a t i o ns c h e m a t i cc i r c u i t d i a g r a m o f d i g i t a ls i g n a l s 2 4 本章小结 l 介绍了多功能焊接电源控制器的总体设计方案，即以m s p 4 3 0 f 4 4 9 单片 机作为核心控制芯片并设计了相应的外围电路，实现了键盘配合单旋钮设置焊 接参数，采用v k 6 5 彩色液晶显示器为人机交互界面的载体，不仅设计了与传 统模拟焊机的接口，而且设计与数字化焊视的接口。 2 从不同角度论述了硬件抗干扰措施，将一般的数字i o 信号用t l p 5 2 1 进行光耦隔离，将模拟信号用s l c 8 0 0 进行线性隔离，对处于强电磁环境中的 一些i o 信号，如枪线信号，主电路启停信号等，在光耦隔离的基础上，进一 步地进行继电器隔离。 第3 章多功能t i g 焊控制器软件设计 m s p 4 3 0 的开发软件较多，本系统采用与m s p 4 3 0 配套的开发软件i a r e m b e d d e dw o r k b e n c h 和i a rc s p y ( 限制版) 。i a r 的e m b e d d e dw o r k b e n c h 是一个适应各种不同c p u 的目标系统开发的集成，它提供方便且功能丰富的窗 口界面，使开发和调试的效率极大提高。 本应用系统采用c 语言进行模块化的软件程序设计。软件部分划分为不同 的功能模块，每个功能模块可以自成一体，也可以组成一个有机的整体。 3 1 软件设计环境简介 i a re m b e d d e dw o r k b e n c h 为开发不同目标处理器的项目提供强有力的开 发环境，并为每一种目标处理器提供工具，用户用不同的目标处理器开发的工 程可以在原有工程的基础上逐个规定目标工程。提供的工具包括：快速编译器、 高效的连接器、库、语法高亮度文本编辑器、自动的m a k e 工具以及一个可选 的c s p y 调试器软件模拟调试和硬件仿真调试“4 ”3 。它有如下特点： ( 1 ) w o r k b e n c h 特性可以在w i n d o w s 环境下运行：分层的项目表示； w i n d o w s 风格的可视化用户界面；工具与编辑器完全集成在一起；全面的超文 本帮助。 ( 2 ) w o r k b e n c h 的内嵌编辑器特性可以同时编辑汇编和c 语言源文件；汇 编程序和c 语言程序的句法用文本格式和颜色区别显示；强有力的搜索和置换 命令，而且可以多个文件搜索；从出错列表可以直接跳转到出错的相关文件的 相关语句；可以在出错语句前自动设置标志；圆括号匹配；自动缩进，可以设 置自动缩进的空格；每个窗口的多级取消与恢复。 ( 3 ) c 编译器与a n s i 规格一致；可应用于嵌入式系统的标准函数库，具 有可选用的源( 代码) ；t e e e 兼容的浮点运算；对m s p 4 3 0 特殊性能的有力扩 展，包括高效的i o ；长识别符多达2 5 5 个有效字符；多达3 2 0 0 0 个外部 符号；与其它i a r 系统的c 编译器有最大的兼容性；快速编译；避免暂时文件 的基于存储器的设计；编译时严格的模块接口类型检查。 、 运用于m s p 4 3 0 微处理器的i a r 系统c 编译器提供c 语言的标准特性， 北京工业大学工学硕士学位论文 为利用m s p 4 3 0 专用工具包设计的扩展功能，编译器与m s p 4 3 0i a r 系统汇编 器与它集成在一起，共享连接器和库管理工具1 。 基于m s p 4 3 0 单片机的多功能t i g 焊控制器软件系统就是在i a r w o n b e n c h 下进行编辑的，采用c 语言编程并结合其c s p y 对软件系统的各个 功能模块加以调试。 目前，单片机应用系统的软件绝大部分都是使用汇编和c 语言来进行设计 的。汇编语言编译效率高。占用硬件资源少、实时性强，对于一些小型的控制 系统或简单的测量仪表，现在仍大量采用汇编语言编制软件程序。但对于功能 复杂、涉及变量多的大型系统中，若仍使用汇编语言编程就存在诸多不利因素： 工作量大、地址安排复杂、调试困难、通用性差等，使软件设计工作的效率大 大降低。 c 语言是一种编译型程序设计语言，它兼顾了多种高级语言的特点，并具 备汇编语言的功能。c 语言有功能丰富的库函数、运算速度快、编译效率高、 有良好的可移植性，而且可以直接实现对系统硬件的牵制。c 语言是一种结构 化程序设计语言，从而为软件开发中采用模块化程序设计方法提供了有力的保 障。因此，使用c 语言进行程序设计已成为软件开了的一个主流。用c 语言来 编写目标系统软件，会大大缩短开发周期，且明显地增加软件的可读性，便于 改进和扩充，从而研制出规模更大、性能更完备的系统。它支持当前程序设计 中广泛采用的由顶向下的结构化程序设计思想。此外c 语言程序可以很容易地 进行移植，有利于产品中的单片机的重新选型。关于执行速度的问题，只要有 好的仿真器的帮助，用人工优化关键代码就是很简单的事了。如果谈到开发速 度、软件质量、结构严谨、程序稳定性等方面的话，则c 语言的完美绝非是汇 编语言编程所能比拟的“。 m s p 4 3 0 系列单片机在问世不久，即有多家公司为它实现了c 程序设计语 言的编译器和调试工具。其中，i a r 公司提供的c 语言集成调试和c 语言调试 器的应用较为广泛。为了叙述方便，以下将m s p 4 3 0 的c 语言称为c 4 3 0 。c 4 3 0 与c 是基本一致的，但是也有一些很重要的差异，主要表现在反映m s p 4 3 0 系 列的硬件特性和适应嵌入式系统的软件特点等方面，c 4 3 0 编译器具有c 语言 的标准特性，同时还加上了许多为了适应m s p 4 3 0 系列单片机的特定硬件特性 而设计的扩展功能“。 3 2 软件结构 多功能t i g 焊控制器软件系统采用模块化结构设计。模块化编程是一种软 件设计方法，各模块程序分别编写、编译和调试，最后模块一起连接定位。模 块化编程有以下优点： 1 模块化编程使程序开发更有效，小块程序更容易理解和调试，当知道模 块的输入和所要求的输出时，就可直接测试该模块。 2 当同类的需求较多时，可把程序存入函数库中以备以后使用。例如，常 用的显示驱动，若要再使用显示驱动，由库中把它取出( 必要时可修改) 而不 要把全部的程序重新编写。 3 模块化编程能够使待解决的问题与特定模块分离，很容易找到出错的模 块，极大地简化了调试。 因此，将各功能模块设计为可独立编程调试的程序模块，这样不仅有利于 今后实现功能扩展，而且便于调试和连接，更有利于程序的移植和修改。由于 单片机应用系统的软件设计既要有各种计算程序设计，还要结合具体的硬件电 路进行各种输入输出程序设计。因此，软件设计必须在硬件、软件功能划分的 基础上进行。图3 一l 是多功能t i g 焊控制器设计中的软件功能结构框图。在本 设计中，主程序模块负责协调各个功能模块，在主程序模块包括了定时中断服 务子程序和p 2 口中断读旋钮服务子程序。 图3 - 1 软件结构框图 f i g 3 - 1s t r u c t u r ed i a g r a mo fs o f t w a r e 从图3 - 1 可以看出，系统软件主要功能： ( 1 ) 主程序模块主程序模块起到各模块的协调功能，如果说其它的子程 序模块好比是人的四肢，则主程序就好比是人的大脑。主程序支配各子程序模 块的运作，将各个子程序模块按照一定的时序逻辑贯穿起来，完成整个软件的 协调运作。 ( 2 ) 键盘模块定时扫描键盘线，判断是否有键被按下。如经软件去抖后 确认有键被按下，则读取键值并做出相应处理。在本设计中共有8 个i 0 口作 为按键接口。在这种情况下，只需改变键盘板的结构就可以实现多种按键组合， 如8 个按键每一个都占用一个i 0 口或2 x 6 ( = 1 2 ) 个按键或3 5 ( = 1 5 ) 个 按键或4 4 ( = 1 6 ) 个按键，然后用不同的软件方式实现按键的读取，这样就 为以后留有一定的功能扩展空间。 ( 3 ) 液晶显示模块由于本文采用的是彩色汉字液晶显示器，它可以显示 的信息非常丰富，既可以显示汉字字符，也可以显示曲线，并且它可以由用户 自行设定前景色及背景色。在本设计中，所有的页面选用的背景色均为蓝色， 前景色均为白色。光标当前位置处的背景颜色为黄色，字体颜色为黑色。 ( 4 ) 焊接电流波形发生器模块根据当前设定的焊接方法及焊接参数自动 生成相应焊接波形参数，然后判断焊枪的输入信号，当焊枪按下时，输出相应 的波形；不同焊接方法所输出的焊接电流波形用这个软件焊接电流波形发生器 就能实现。 第3 章多功能t i g 焊控制器软件设计 ( 5 ) a d 数据采集模块采集当前焊接电源的工作电压、电流，并送单片 机进行数据处理，需要显示的数据送液晶显示器。 ( 6 ) d a 模块根据设定的焊接参数及焊接方法，输出相应的焊接波形。 ( 7 ) i o 模块即开关量输入输出模块它的主要任务是采集开入量状态及 输出控制信号，如判断焊枪是否按下，水阀是否打开等，并在适当时候输出控 制信号，如启动主电路，启动高频信号等。并且当焊机工作状态异常时，能够 输出告警信号。 ( 8 ) 通信模块通信模块分为两部分，一部分是上位机与下位机之间的通 信( r s 一2 3 2 方式) ，将必要的数据进行上传到上位机，并把上位机下达的命令 发送到下位机执行；另一部分是焊机间通信( r s 4 8 5 方式) ，主要完成各焊机 之间的数据通信。 下面对各个功能模块进行详细地论述。 3 , 2 1 液晶显示模块 在多功能t i g 焊接电源中，液晶的作用就是作为人机交互的窗口。它是焊 接电源设备与人之间进行交流的最直观的载体。本设计中采用了菜单式分级页 面，分为开机欢迎页面、主菜单页面( 一级页面) 、下拉菜单页面( - - 级页面) 。 ( 1 ) 开机欢迎页面在开机欢迎页面中，按任意键进入主菜单页面( 一级页 面) ，即焊接方法选择页面。 ( 2 ) 主菜单页面在主菜单页面( 一级页面) ，即焊接方法选择页面中，可 以用上、下光标键选择不同的焊接方法项，将光标移动到某一焊接方法处，按 下确认键后，即选中了该焊接方法，显示页面进入二级页面。 ( 3 ) 二级页面在二级页面中，可以将上、下光标移动到相应的选项，当 光标所在行背景颜色为黄色时，即为当前项，此时可以对该行的参数进行修改 和设定。当同一行中有两个参数时，可以用左、右光标键选择，当前的可设定 参数字体颜色为黑色。 液晶显示页面示意图，如图3 - 2 所示。 图3 - 2 液晶显示页面示意图 f i g 3 - 2s k e t c hm a po f p a g e sd i s p l a y e db yl i q u i dc r y s t a ld i s p l a y 下面以变极性t i g 焊接页面为例，进行详细说明。变极性t i g 焊接页面如 图3 3 所示。 图3 - 3 变极性t i g 焊接页面 f i g 3 - 3p i c t u r eo f v a r i a b l ep o l a r i t y f i gw e l d i n gp a g e 从图3 - 3 中，可以看出显示内容分为汉字、字符及数字三部分。在该页面中， 只有数字部分是可修改的，其它的都是固定不变的。因此显示页面程序又可以划 分为两部分，一部分为固定显示部分，另一部分是变动部分( 焊接参数部分) 。 3 2 2 键盘模块的软件设计 本设计中采用非编码式键盘，键 的识别、按键的读数等均靠软件完成， 故硬件较简单。软件读取键盘采用的 是定时扫描方法，这也是最常用的方 法，其工作分为三个步骤： 1 ，单片机定时扫描监视键盘的 状态，如果无键按下就返回。 2 如果有键按下，取键值，并进 行软件延时反抖动处理。 3 根据键值转向相应的按键处 理服务子程序。 由于本设计中采用的是8 个按 键，分别占用一个i o 口，这样读取 每一个键值就非常的简单。图3 4 是 扫描工作流程图。 图3 4 键盘扫描流程图 f i g 3 - 4f l o wc h a r to f k e ys c m a n i n g 由于对于同一个键值，在不同的液晶显示页面中它的意义不同，所以对键 盘运作的处理时要先判断是在哪一个页面中。定时中断扫描键盘程序只负责读 取按键值，读取得到的键值都是在处理按键子程序中进行处理的，因为各按键 在不同的页面中，有不同的意义，其具体的操作也不同。 3 2 3a d 模块( 数据采集) m s p 4 3 0 f 4 4 9 内部有一个a d c l 2 模块，它能够实现1 2 位精度的模数转换 具有高速和通用的特点。a d c l 2 主要特点归纳为如下“： 1 采样速度快，最高可达2 0 0 k s p s 。 2 1 2 位转换精度，1 位非线性微分误差，1 位非线性积分误差。 3 有多种时钟源可提供给a d c l 2 模块，而且模块本身内置时钟发生器。 4 配置有8 路外部通道与4 路内部通道。 5 内置参考电源，而且参考电压有6 种可编程的组合。 6 模数转换有4 种模式，可灵活地运一 用以节省软件量及时间。丁一 程序入口 7a d c l 2 内核可关断以节省系统能 耗。 基于以上所列出的a d c l 2 模块的特 点，本设计中采用的是序列通道单次转换 的工作模式，该模式对一个序列通道( 有 顺序的多个通道) 作一次转换。寄存器 a d c l 2 c t l l 中的c s s t a r t a d d 位指向第一 个转换存储寄存器，其后的转换结果将顺 序地在转换存储寄存器中存放。本设计中 要采集的数据有工作电压、工作电流、电 池电压。a d 采集模块流程图如图3 5 所 不。 否 a d 变量初始化 a d 口初始化 a ，d 工作方式初始化 允许转换位置位 序列通道转换结束吗? i 赶 ，!l!：一 i 读取转换结果并处理 f 子程序结束) 、- - _ ， 图3 - 5 a d 数据采集流程图 f i g 3 - 5f l o wc h a r to fd a t as a m p l e a i d 采集的工作方式：a d c l 2 s c 为触发采样和保持；采样脉冲由采样定时 器产生；时钟源为内部振荡器；时钟分频数为1 ；转换模式为序列通道、单次转 换；r e f = 2 5 v ( 内部基准) ，i n c h 0 ( 通道o ) 为工作电流，i n c h l ( 通道1 ) 为工作 电压，i n c h 2 ( 通道2 ) 为环境温度，i n c h 3 ( 通道3 ) 为电池电压。 3 2 4d a 模块( 数据给定) 本设计中采用的是t i 公司的串行1 0 位双路d a 转换芯片t l v 5 6 1 7 。它的 工作时序图如图3 - 6 所示。由于d a 是串行工作方式，所以其工作时钟完成由 软件模拟来实现。 如图3 - 6 所示的数据端口的1 6 位数据由两部分组成，一部分是1 0 位数据 ( d 11 d 0 ) ，另一部分是程序控制位( d 1 5 d 1 2 ) ，控制位的定义见表3 - 1 所示。 瓠一a i 弋 拳! ! 山! ! 一二，兰火夏) 王互( 引奎) 兰) “ ! o “f c t 6 - c s ) 亡坚!兰纠卜一 磊、j !。厂 图3 - 6 d a 工作时序图 f i g 3 6t i m i n gd i a m a mo fd ，a 表3 - 1 程序控制位说明 r 1r 0 寄存器 o0将数据写入d a c b 并缓冲 01 写数据并缓冲 lo将数据写入d a c a 并将当前b u f f e r 中的内容更新到d a c b l1保留 p w r ：电源控制位1 ：掉电模式：0 ：操作模式 s p d ：速度控制位1 ：快速模式；0 ：低速模式 在本设计中编写了一个d a 驱动程序，它 是一个双参数的函数，第一个参数是程序控制 参数，也就是表3 - 1 中d 1 5 d 1 2 四位程序控 制位按照表3 。1 中的定义进行设置所得结果。 另一个参数是等待转换的数据。先把c s 拉低， 然后用软件模拟时钟沿的发生，并在每一个时 钟的上升沿都送出一个数据位，先写4 个控制 位，其次是1 0 个数据位，然后是两个0 补充位， 最后将c s 位拉高，一个传送过程终止。图3 7 是d a 驱动程序的流程图。 3 2 5 焊接波形发生器 d a 端1 5 1 初始化 j g c s 拉低使能d a v 1 写4 个控制位 v 【写待转换数据 巾 ( 结束d a 使能退出j 图3 ，7 d a 程序流程图 f i g3 - 7f l o wc h a r to f d a 电流波形控制是焊接质量的关键。“”1 。传统的焊机每一种电流波形都需要 套相应的硬件电路，这就使得设计复杂，难于维护，系统可靠性低。鉴于各种新 型焊接方法的自身特点，目前市场上占主流的仍然是交流t i g 焊接“6 1 ”1 。 为了适应对焊接多功能性的要求，借鉴虚拟仪器的思想，设计了一套软件控 制器，可以实现任意的波形输出。预送气、焊接电流上升、焊接电流下降、延迟 关气等焊接电流的输出变化、逆变电路驱动信号( 指低频输出的二次逆变) 、高 频引弧启动等信号都可以由软件来控制，其软件控制控制器的核心是软件电流发 生器，根据选择的焊接工艺方法，输出相应的焊接电流波形的给定信号，并且能 与输入的焊枪开关信号配合实现焊接电流上升、下降输出。用软件电流发生器输 出变极性焊接的给定信号，除了可以方便的实现正极性电流和反极性电流的幅值 和时间调整外，还可以根据脉冲调制功能的设置，对焊接电流输出进行低频和 ( 或) 高频的调制，以达到改善g 焊的电弧稳定性和焊缝性能的目的“5 州。 软件电流发生器的设计思想是以时钟变量t 为主线，以两个暂态计时中间 变量t l 、t 2 为辅，根据选定的焊接工艺方法、结合设定的焊接参数，输出对二 次逆变电路i g b t 的p w m 控制信号并与二次逆变信号相配合输出相应的焊接 电流给定信号至焊接电源接口( 模拟的或者数字的) 。图3 1 0 是稳态焊接时软 件电流波形发生器的程序流程图( 变极性) ，表3 2 是流程图中的各个符号说明。 利用对于交流焊接工艺，此控制器可以根据焊接工艺的需要提供“变极性 有( 无) ”、“低频调制有( 无) ”、“高频调制有( 无) ”组合的共8 种波形给定输 出，图3 - 1 1 给出了脉冲调制的变极性焊接电流给定及二次逆变驱动信号示意 图。 表3 - 2 流程图符号说明 t a b l e3 - 2s y m b o ld e f i n i t i o no f f l o wc h a r t 符号名称参数范围单位 tl 低频周期0 1 1 0 0 h z ib 焊接电流基值 1 3 0 0a m - l 低频幅值调制系数 10 5o dl 低频对问调制系数 3 0 - 7 0 t a c交流周期5 0 1 0 0h z ma c 清理强度系数 10 30 d - a c清理宽度系数 3 0 一7 0 na c 交流脉冲计数 th高频周期 j 0 0 5 0 0h z mh高频幅值调制系数 o2 10 dh 高频时间调制系数3 0 一7 0 nh 高频脉冲计数 t 时钟 t 1 t 2中间变量 图3 - 8 变极性t i g 焊接波形流程图 f i g 3 - 8f l o wc h a r to f v a r i a b l ep o l a r i t yt i gw e l d i n gc u r r e n tw a v e f o r m 3 5 3 6 口lpl9亭目ij三。厶廿iq盘蠢h0j si量兽们比=l=oois8皇日口。盆plgk盆。毫事董2jnu口oid j o 鲁g iiu_卫乱-c出匠 匝帕憔迎臀群制潮嗡似船嚣锄糍驶趟、释锹n-c匦 - - j i _ j ! i i l ii 一i i 。一 ：弓 i e l i i i j 宝 l 。一厂j ii = ! i l l il l ii = ：! 己一 刍5 1 ) i ：j _ - i = 一l ：i l i i il - i 。一1 目 i l l i _ ! e 卦 孝 ：一 三 r l 一 i1 1 。 一 r _ i j ! l 广_ j = 二i 广 = 型 弓 一 口 d j ： 一 li 广 3 2 6r s 。2 3 2 通信模块 m s p 4 3 0 f 4 4 9 有两个通用u s a r t 口，在本设计中使用u s a r t o 口通过 r s 一2 3 2 与近程计算机通信，通信方式采用的是异步工作模式。在异步模式下， 接收器自身实现帧的同步，但外部通信设备并不使用这一时钟源，要正确地异 步通信，通信的双方必须使用相同的波特率，否则通信无法正常进行”“。 m s p 4 3 0 的波特率发生器使用一个分频计数器和一个调整器，分频因子n 由送到分频计数器时钟( b r c l k ) 及所需的波特率来决定： n = 础c 蜀f 波特率( 3 1 1 如果使用常用的波特率与常用的b r c l k ，则一般得不到整数的n ，还有 小数部分分频计数器实现分频因子的整数部分，调整器使小数部分尽可能准确。 分频因子定义如下： n 2 u b r + 7 + m 6 + + m 0 ) 8 r 3 2 1 式中n 目标分频因子； u b r u x b r o 中的1 6 位数据值； m x 调整器寄存器( u x m c t l ) 中的各数据位 那么，波特率可由下式( 3 2 ) 计算： 波特率= b r c l k n = b r c l k ( u b r + ( m 7 + m 6 + m 0 ) 8 )( 3 - 3 ) 本设计中采用的波特率为9 6 0 0 ，数据方式为一个起始位，8 个数据位，无 奇偶校验位、一个停止位。软件部分含有端口初始化函数、发送函数、接收函 数。 3 2 7r s 一4 8 5 通信模块 本文中设计的多功能t i g 焊接电源一个突出的特点是既有与模拟焊接电源 的接口也有与数字化电源的接口。这里所谓的与数字化的接口就是本机能够与 数字化焊接电源进行通信。这也是计算机冗余控制和分布式控制系统的特点。 由于m s p 4 3 0 f 4 4 9 有两个串行接口，不仅能够与上位机f p c ) 机通过r s 一2 3 2 进行 近程控制，也可实现与其它焊接电源通过r s 4 8 5 进行远程通信。本设计中焊 机间通信采用的是u s a r t l 口。多机通信方式就是单片机多机系统中常采用的 总线型主从式多机系统。所谓的主从式，即在多个单片机控制系统中规定一个 是主机，其余的为从机，从机要服从主机的调度、支配。总线型主从式多机通 信系统如图3 1 0 所示。 图3 一i o 总线型r s - 4 8 5 多机通信示意图 f i g3 - 1 0s k e t c hm a po f r s 一4 8 5b u sc o m m u n i c a t i o n 从机采用中断方式控制和主机的通信。程序可分成主机程序和从机程序， 通信协议可自行定义。在本设计中，暂定本机为主机，并且可以根据需要随时 进行调整，硬件不变，只需对软件稍加修改即可。 3 2 8 主程序模块 如果说以上各个功能模块是相互独立的部分，那么主程序模块是将它们变 成一个有机整体的粘合剂。主程序在整个系统中占居了一个非常重要的位置。 它负责为各个模块分配单片机资源、监测和调控整个系统，起到了类似人的大 脑神经中枢的作用。图3 - 1 1 是主程序流程图。 从图3 - 1 1 可以看出，主程序在整个的软件设计中起到了举足轻重的作用， 它包含了系统仅有的两个中断程序，一个是定时中断服务子程序，一个是 m s p 4 3 0 的p 2 7 口的中断服务子程序。 定时中断服务子程序是一个由定时时钟产生的2 5 0us 中断。在中断服务 子程序中主要完成扫描键盘及读i o 口状态，并产生定时时间间隔，以及点程 序运行指示灯( 用来确认程序运转正常) 。 p 2 7 口中断用来判断数字式接触编码器的转动运作。前面已经讲述过它的 工作方式。 系统初 始化； 图3 - 1 1 主程序流程图 f i g 3 - 11f l o wc h a r to f m a i np r o g r a m 3 9 3 3 软件抗干扰 单片机控制系统运行的可靠性与安全性要求很高，这是因为多功能t i g 焊 接电源的工作现场环境恶劣，干扰严重。这就除了要求控制器硬件抗干扰能力 强外，还需要软件系统的密切配合，只有当软件的抗干扰能力也很强时，整个 控制系统才能安全可靠地运行。 软件抗干扰技术是当系统受干扰后使系统恢复正常运行或输入信号受干扰 后“去伪存真”的一种辅助方法。因此，软件抗干扰是被动措施，而硬件抗干 扰是主动措施。但由于软件设计灵活，节省硬件资源，所以软件抗干扰技术越 来越引起人们的重视。 窜入单片机系统的干扰作用于c p u 时，后果非常严重，有时甚至会引起系 统失控。最典型的故障是破坏程序计数器p c 的状态，导致程序从一个区域跳 转到另一个区域，程序在地址空间内“乱飞”或者陷入“死循环”。因此，必须 尽可能早地发现并采取补救措施。为了确保程序被干扰后能恢复到之前的控制 状态，就要对干扰后程序自动恢复入口实施正确设定。因此，程序自动恢复入 口方法出是软件抗干扰设计的一项重要内容。 在模拟输入信号方面，叠加在系统被测模拟输入信号上的噪声干扰，导致 较大的测量误差。这些噪声的随机性，可以通过软件滤波( 即数字滤波) 剔除 虚假信号，求取真值。在数字信号输入方面，可以通过重复检测的方法，将随 机干扰引起的虚假输入状态信号滤除掉；在数字输出方面，当系统受到干扰后， 往往使输出端口状态发生变化，因此可以通过反复向这些端口定期写控制字或 输出状态字，可以维持既定的输出端口状态。 总结实验中遇到的现象，干扰对微机系统工作的影响可以分为三种情况， 第一种是数据采集误差；第二种是控制状态失灵；第三种，也是最严重的情况， 会造成程序计数器值的改变。 针对以上这几种情况，在多功能t i g 焊控制器设计中，为了保障单片机系 统不会受到外界干扰，尤其是不受到焊机干扰，不仅从硬件上尽可能做到使系 统受到的干扰达到最小，如数字信号的光电耦合电路及继电器隔离和模拟采集 电路的线性光耦隔离，而且在软件中也采取一定的抗干扰措施。 3 3 1 软件抗干扰的一般方法 软件抗干扰措施主要有以下几种“”： ( 1 ) 指令冗余技术为防止控制状态失常，对关键的判断条件，如开关量输 出信号，进行多次采样确认；对关键的控制指令，如开关量输出信号等，采用 多次重复执行的方法，以减小偶然因素对控制状态的干扰。 在关键的程序指令处使用n o p 指令。对于程序流向起决定作用的指令，如 跳转指令、中断返回指令、子程序调用指令、子程序返回指令及某些对系统工 作状态起重要作用的指令等，需要在这些指令后插入n o p 语句，确保跳转后程 序正确地返回压栈区。 ( 2 ) 数字滤波技术数字滤波过程是一个将采集到模拟信号离散化的过程。 数字滤波技术原理简单，易于理解，且对干扰有良好的抑制作用，滤波后平滑 度高等特点，因此，成为在工业控制中是最常用的软件抗干扰措施之一。针对 干扰可能会造成数据采集误差的情况，在进行采集时，可以对采集到的数据进 行低通滤波，其计算公式为： 1 m 一1 m 妇2 玄善耐i + 门 4 式中x 口数字滤波器输入信号； y 口经数字滤波的输出信号； m 平均滤波的点数 ( 3 ) 看门狗技术p c 指针受到干扰而失控，引起程序跑飞，也可能使程序 陷入“死循环”。指令冗余技术不能使失控的程序摆脱“死循环”的困境。此时 通常采用程序监视技术，又称“看门狗”技术( w 町c h d o g ) 。设置监视跟踪 定时器，启用单片机提供的w a t c h d o g 功能，即程序每执行一定时间复位监 视定时器，如遇到程序“跑飞”，则监视定时器溢出，系统自动复位。当然，这 只是在非常情况下的一种补救措簏。 在分析了以上可以采取的软件抗干扰措施后，下面详细介绍一下本设计中 从不同应用方面所采取的抗干扰措施。 一4 l 3 3 2 开关量的软件抗干扰设计 输入信号的干扰是叠加在有效的电平信号上的一系列离散尖脉冲，作用时 间很短。当控制系统存在输入干扰，又不能用硬件加以有效抑制时，可以采用 软件重复检测的方法，达到“去伪存真”的目的。 对接口中的输入数据信息进行多次检测，若检测结果完全一致，则是真的 输入信号；若相邻的检测内容不一致，或多次检测结果不一致，则是伪输入信 号。同理，开关量输出软件抗干扰，主要是采取重复输出的办法，这是- - e e 提 高输出接口抗干扰性能的行之有效的措施。在允许的情况下，输出重复周期尽 可能短些。当输出端口受到某种干扰而输出错误信号后，外部执行设备还来不 及做出有效反应，正确的信息又输出了，这就可以及时地防止错误运作的发生。 在执行重复输出功能时，对于可编程接口芯片，工作方式控制字与输出状态字 一并重复设置，使输出更可靠地工作。 在本设计中，i o 信号在焊接时会受到很大的干扰，焊机有可能对单片机 控制系列出现短暂的强脉冲干扰，因此，必须在硬件抗干扰的基础上增加软件 抗干扰。 开关量软件抗干扰的方法体现在以下两个方面： 1 ，对键盘动作及编码器的转动运作的软件延时去抖； 2 对开关量的输入信号的软件延时去抖及对开关量输出控制信号的输出 延时。 3 3 3 模拟量的软件抗干扰设计 对于模拟量的采集，其传输通道不可避免地会或多或少地受到干扰，尤其 是焊机本身就是一个强的干扰源。因此，采取一定的抗干扰措施是非常必要的。 通常对于a d 采集主要采用数字滤波的方法。数字滤波主要有以下几种实现方 法： ( 1 ) 程序判断滤波法根据经验判断确定两次采样允许的最大偏差y ， 若先后两次采样值的差值大于y ，则表明输入信号是干扰信号，应该去掉， 而且上次采样值作为本次采样值；若小于y ，则本次采样值有效。 第3