（材料加工工程专业论文）双处理器数字化焊接电源控制系统的研究.pdf

中文摘要 随着焊接技术的广泛应用，焊接质量与焊接生产效率的要求越来越高。高质 量高效率焊接离不开高水平的焊接电源。随着数字化、智能化技术发展，焊接电 源的数字控制技术已经成为该领域科学研究与应用的前沿与热门课题，数字化焊 接电源代表了当今焊接电源发展的方向。 本研究从完善数字化焊接电源系统以及更充分发挥数字化优势的角度出发， 通过分析数字化焊接电源的整体结构以及各个部分功能特点，借助d s p 的强大运 算能力和数字信号处理能力，以及m c u 多任务管理和流程控制的优势，设计出了 一套可灵活应用于多种焊接方法的双处理器焊接电源数字控制系统。 根据焊接电源系统的功能，给d s p 和m c u 双控制器分配了不同的任务，前者 负责焊接电压、电流以及送丝速度等反馈信号的采集和处理、焊接电源特性与参 数的动念控制、送丝机速度的数字化控制等：后者则用于人机交互和用户信息及 参数存储以及外围通讯、焊接过程程序控制等。 本文对焊接电源的人机交互系统做了较深入的研究，实现了焊接参数的设置 与存储、焊接方法和参数的选择、焊接参数的动态数字显示、焊接参数的在线实 时调节等功能，设计的人机交互过程具有界面友好、调节方便、显示直观等特点。 本课题对d s p 、m c u 以及上位机之间通讯进行研究，完成了i ) s p 中c a n 现场 总线接口以及与m c u 通讯接口的设计，给出了i d c u 与d s p 之间通讯网络模式选定 和协议定制方案等，其中包括r s 2 3 2 物理层、带加和校验位帧结构的数据链路 层、定时互访出错重发的应用层，该模式选定及协议定制方案合理，- 并完成底层 硬件的驱动程序的编写、调试和测试。 在数字化控制系统和上位机通讯网络建立方面，采用d s p 内置的c a n 现场 总线接口，使用该接口使通讯网络抗干扰能力和扩展能力大大增强，符合未来工 业现场总线重要发展方向的要求。 实验研究表明，本数字化控制系统可以用于焊接电源的控制，进行焊接。该 控制器为今后焊接电源数字化控制的研究提供了一个研究平台。 关键词：数字化： 焊接电源； 双处理器；人机交互； 通讯接口 a b s t r a c t a st h ew e l d i n gt e c h n o l o g yb e i n gw i d e l yu s e d ，p r o d u c t i o nb e c o m e sf a s t e ra n d m o r ee f f i c i e n c y a u t o m a t i ca n di n t e l l i g e n tp r o c e s si sd e v e l o p i n g ，a n dn e ww e l d i n g t e c h n i q u e sa n de q u i p m e n ta r ep r o m o t e da l lt h et i m e d i g i t a lc o n t r o lt e c h n i q u eo f w e l d i n gp o w e rs u p p l yb e c o m e saf r o n t a ls u b j e c t ，w h i c hi st h ed e v e l o p i n gd i r e c t i o n p o i n to fv i e wo ft h i sr e s e a r c hi st op e r f e c tt h ed i g i t a lw e l d i n gp o w e rs y s t e ma n d m a k ef u l lu s eo fi t sa d v a n t a g e b ya n a l y z i n gt h ee n t i r es t n l e t u r ea n dt h ef u n c t i o n a l c h a r a c t e ro fe a c hp a r t ，ad i g i t a lw e l d i n gp o w e rs y s t e mw i t ht w oc o n t r o lc o r e ，w h i c h c a nb eu s e df o rs e v e r a lw e l d i n gm e t h o d s ，i sd e v e l o p e d i tt a k e st h ea d v a n t a g eo f s t r o n ga b i u t y o fc a l c u l a t i o na n ds i g u a lp r o c e s s i o nb yd s pa n dt h ep e r f e c t m a n a g e m e n to fm u l t i t a s ka n df l o wc o n t r o lb ym c u t h ef o r m e ri si nc h a r g eo f s a m p l i n ga n da n a l y z i n gt h eh i g hf r e q u e n c ys i g n a l ，a n da l s ot h er e a l - t i m ec o n t r o l ；t h e m a i na s s i g n m e n to ft h el a t t e ri sm a n m a c h i n ei n t e r a c t i v e s y s t e m ，p e r i p h e r a l c o m m u n i c a t i o na n dt h es e q u e n c ec o n t r 0 1 m a n - m a c h i n es y s t e mi s f u l l ys t u d i e d ，w h i c hc a nr e a l i z es e t t i n g ，s a v i n ga n d d i s p l a y i n gt h ew e l d i n gp a r a m e t e r , s e l e c t i n gt h ew e l d i n gm e t h o d i ti sv i s u a l ，f r i e n d l y a n dc o n v e n i e n t w h a t sm o r e ，t h ea g r e e m e n ta n dm o d es e l e c t i o no fp h y s i c a ll a y e r , d a t al i n kl a y e r a n da p p l i c a t i o nl a y e ro f c o m m u n i c a t i o nn e tb e t w e e nm c ua n dd s p i sd i s c u s s e d t h e d r i v e ro f b a s i ch a r d w a r eh a sa l s ob e e nd o n e i ti sp r o v e dt h a tt h i ss y s t e mc a nm e e tt h er e q u i r e m e n to fc o n t r o lp r e c i s i o na n d s p e e d i tc a l lp r o v i d ear e s e a r c hp l a t f o r mf o rf u t u r es t u d yo fd i g i t a lc o n t r o ls y s t e mo f w e l d i n gp o w e rs u p p l y k e y w o r d s - d i g i t i z e ，w e l d i n gp o w e rs o u r c e ，d o u b l ep r o c e s s o r ，m a n - m a c h i n e i n t e r a c t i v es y s t e m ，c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫盗盘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了谢意。 学位论文作者签名：程轵 签字同期：“年2 月 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁洼盘望有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤洼盘鲎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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 导师签名 签字日期：一) 卵z 年夕月z f 日 第一章绪论 1 1 数字化电源的定义 第一章绪论 所谓数字化，是指利用信息处理技术把声、光、电、磁等随时洲连续变化的 信号转换成离散的数字信号，或把语音、文字、图像等信息转变为数字编码，用 于传输与处理的过程。与非数字信号( 信息) 相比，数字信号( 编号) 具有传输 速度快、容量大、放大不易失真，抗干扰能力强，保密性好，便于计算机操作和 处理等优点。以高速微型计算机为核，t h , 的数字编码、数字压缩、数字调制与解调 等信息处理技术，通常称为数字化技术。 数字化焊接电源是指采用数字化控制技术的焊接电源，目前主要是指采用数 字化控制技术的逆变焊接电源【1 1 。 逆变是将工频( 5 0 h z ) 交流电整流成直流，再由大功率电力电子器件逆变 成中频电压给变压器以传递功率。这样变压器及滤波电抗器的体积、重量大大减 少，系统的频带宽，动态反应速度快。数字微处理器的作用就是能在数微秒级的 范围内调节大功率电力电子器件通断，以控制焊接电源的电流、电压，满足焊接 工艺的要求。 弧焊电源的数字化主要包括以下三个方面 2 , 3 1 。 首先是弧焊电源主电路的数字化，即从模拟式到开关式弧焊电源主电路，发 展到现在大量应用的i g b t 、m o s f e t 或双极性晶体管式弧焊逆变器的主电路。 弧焊电源主电路的数字化使得弧焊电源至少在两方面的性能得到了提高：弧焊 电源的功率损耗大大减少，使得弧焊电源的效率达到9 0 以上；随着工作频 率的提高，回路输出电流的纹波更小，响应速度更快，因此弧焊电源可以获得更 好的动态响应特性。 其次是控制电路的数字化。这方面的技术应用发展是非常快的。就控制系统 的结构而言，数字化焊接电源的控制部分由单片机和d s p ( 数字信号处理器) 构 成，对给定信号流、参数反馈流和网压信号流作综合处理与运算、控制，达到焊 接电源的实时跟踪。 第三是人机接口技术。人机交互系统是人机最直接的操作界面，是操作者向 计算机输入信息、发出指令及观察现场参数和信息的窗口，具有友好性、灵活性、 功能性、明确性、一致性、可靠性等特点。国内外已有焊机将液晶显示和键盘操 第一章绪论 作相结合，进行焊接方法、焊接工艺参数设置和信息显示等的入机交互过程。随 着机器人和专机在生产中大量应用，工业机器人和专机与焊机数字化接口技术也 得到了迅速的发展。 图i - i 所示为一般意义上数字化焊接电源系统的功能图。 图i - i 数字化焊接电源系统的功能 1 2 数字化焊接电源的优点 1 稳定性高、可靠性好 由于数字化焊接电源的信号处理和控制算法通过软件中的运算得到的，不存 在模拟器件的温漂等问题，且产品的一致性好，加之有实时的跟踪反馈，因而稳 定可靠。 2 在线编程技术使系统升级方便 由于模拟系统的配置和增益是由硬件所决定的，一旦确定就很难改变，而数 字化焊机的外特性和输出波形由软件生成，可以设计多种外特性来适应不同焊接 方法的要求，实现一机多用。而且，还可以通过通讯接口与焊机进行联系，调整 固化在芯片内部的程序，根据要求改变参数，或者为焊机赋予更多的功能。 3 具有便捷的人机交互功能 第一章绪论 焊接参数的数字化显示和操作实际上是焊机数字化的第一步，基于强大的 d s p 芯片提供的计算能力，新型数字化焊接电源能为用户提供清晰美观的显示界 面和方便快捷的交互操作。操作者可以快速直观地观察焊机的工作状态并方便地 选择焊接参数。 4 易实现网络化控制 数字化焊接电源采用具有标准网络接口的d s p 处理器，可以和其他设备阊 非常方便地进行大量信息的交换。现在市场上已经出现具有有线或无线网络功能 的数字化焊机产品，比如l i n c o l n p o w e r w a v e a c d c l 0 0 0 已经具备了基于i e e e 8 0 2 1 l bw i f i 网络协议的无线网络功能。 1 3 数字化焊接电源的研究意义和现状 随着焊接技术应用的日益广泛，其水平不断提高，生产过程更加高速和高效。 自动化与智能化程度不断加深，新的焊接工艺方法不断涌现，新的专业焊接设备 r 新月异。在这些高性能的应用中，稳定可靠、易于控制的焊接电源无疑是最关 键的一环。 1 9 9 4 年，f r o n i u s 公司的l a i m s t e i n e r r o b e r t 指出现代g m a w 焊接电源应满 足多方面的不同需求，如：适合于短路过渡焊接、脉冲焊接、射流过渡焊接和高 熔敷率焊接等焊接工艺的不同外特性的获得；大量的焊接工艺参数的设计必须实 现s y n e r g i e 控制( 一元化控制) 以使焊接电源便于操作；为满足新的质量控制要 求，焊接电源必须实时记录焊接工艺参数、识别偏差量等。 基于上述思想，伴随着新型的功能强大的数字信息处理器d s p 的出现， f r o n i u s 公司推出了全数字化焊接电源，随后p a n o s o n i c 等公司也推出了各自的数 字化焊接电源产品，并相继进入中国市场。 目前的数字化焊接电源实现了柔性化控制和多功能集成，具有控制精度高、 系统稳定性好、产品一致性好、功能升级方便等优点。如f r o n i u s 公司的t r a n s p l u s s y n e r g i c2 7 0 0 4 0 0 0 5 0 0 0 系列产品，在一台数字化焊机上实现了m i g m a g 、t i g 和手工电弧焊等多种焊接方法，可存储近8 0 个焊接程序，实时显示焊接工艺参 数，通过单旋钮设定焊接工艺参数和电流波形参数，可以实现熔滴过渡和弧长变 化的精确控制等。同时，此类数字化焊接电源还可以通过网络进行工艺管理和控 制软件升级。 近几年，数字化焊接电源发展迅速，国外主要焊机生产厂家基本上都已推出 了数字化焊接电源，这说明数字化焊接电源已走出了科学试验阶段，正在逐步实 现产品化。在我国，数字化焊接电源还处于刚刚起步的阶段，上海交通大学、北 第一章绪论 京工业大学、甘肃工业大学、天津大学等高等院校以及北京时代公司等焊机生产 厂家都在开展数字化焊机的研究，但是距离国外该领域的研究和应用还有一定的 差距。 虽然数字化焊接电源具有模拟控制电源所不具有的种种优点，但其还处在发 展的初级阶段，仍存在诸如用户可操作的空间不大、对于不同焊接方法的适应性 不强、通讯接1 ：3 设计较为单一以及设备抗干扰能力差等问题，需要不断完善卜“a 数字化焊接电源的不断发展将推动整体焊接技术的进步，将促使焊接技术向着焊 接工艺高效化、焊接质量控制智能化、焊接生产过程机器人化的方向发展。随着 数字控制技术的发展，尤其是数字信号处理器( d s p ) 的广泛应用，使得数字化 焊接电源的波形控制能力更为精确，从而提供更为方便的新型焊接工艺研发手 段，使新工艺、新设备的更新换代成为可能。 1 4 本文的研究目的和主要研究内容 虽然数字化焊接电源的研究已经取得了一些成果，但是国内已有的数字化焊 接电源还没有形成完善的系统，既没有充分发挥出数字化焊接电源系统的优势， 也没有把诸多电源控制理论广泛而全面的应用到实际数字化焊接电源中。根据目 前国内外数字化电源及控制研究的实际，尤其足国内数字化焊接电源研究的实 际，本课题拟用d s p 和m c u 构成控制双核心，借助d s p 的强大运算能力和数 字信号处理能力，以及m c u 多任务管理和电源程序控制的优势，设计出一套可 灵活应用于多种焊接方法的数字化焊接电源控制系统。 本课题的主要研究内容： 1 ) 进行d s p 和m c u 双处理器的弧焊电源数字化控制系统整体结构的设计， 构建弧焊电源数字化控制的研究平台。 2 ) 完成以m c u 为核心的人机交互系统的设计与调试，实现焊接参数的设 定、调节以及显示的数字化控制。 3 ) 以d s p 为核心，设计焊接电压、电流的高速采样、c a n 现场总线接口、 与m c u 通信接口等数字电路，并完成软件的调试和优化。 4 ) 完成m c u 与d s p 之问的通讯网络的物理层、数据链路层、以及应用层 的模式选定，协议定制等工作 第二章硬件结构总体设计分析 2 1 总体设计 第二章硬件结构总体设计分析 在过去的几十年里，单片机的广泛应用实现了弧焊电源简单的智能控制功 能。随着信息化的进程和计算机科学技术、信号处理理论与方法的迅速发展， 需要处理的数据量越来越太，对实时性和精度的要求越来越高，低档单片机已不 再能满足要求。近年来，各种集成化的单片d s p 的性能得到很大改善，软件和 开发工具也越来越多，越来越好，价格却大幅度下降，从而使得d s p 器件及技 术的普遍应用成为可能。就二者功能而言，d s p 器件是运算密集型的，而单片机 是事务密集型的，各有优缺点。通常在高速智能化硬件电路的设计中，将它们一 同使用，即采用m c u + d s p 的架构，可以充分发挥其各自优势i 弘】。 2 1 1 单m c u 结构的讨论 m c u ( m i c r oc o n t r o l l e ru n i t ) 又称单片微型计算机( s i n g l ec h i p m i c r o c o m p u t e r ) ，简称单片机。它是将计算机的c p u 、r a m 、r o m ( e p r o m 或 e e p r o m ) 、实时时钟、定时器和多种功能的串行与并行i o 接口集成在一片芯 片上，形成芯片级的计算机，为不同的应用场合做不同组合控制。如i n t e l 公司 的8 0 3 1 系列等。除了以上基本功能外，有的还集成有a i d 、d a ，如i n t e l 公司 的8 0 9 8 系列。概括起来说，单片机具有如下特点： 1 ) 具有位处理能力，强调控制和事务处理功能： 2 ) 价格低廉，如低档单片机价格只有人民币几元钱； 3 ) 开发环境完备，开发工具齐全，应用资料众多。 但是单片机的数字运算速度不高，对于某些运算量较大的场合，其运算能力 明显达不到要求。 2 1 2 单d s p 结构的讨论 与单片机相比，d s p 器件具有较高的集成度。d s p 具有更快的c p u ，更大 容量的存储器，内置有波特率发生器和f i f o 缓冲器，提供高速、同步串口和标 准异步串口。有的片内集成了a d 和采样保持电路，可提供p w m 输出。 d s p 器件采用改进的哈佛结构，具有独立的程序和数据空间，允许同时存取 第二章硬件结构总体设计分析 程序和数据。内置高速的硬件乘法器，增强的多级流水线，使d s p 器件具有高 速的数据运算能力。d s p 器件比1 6 位单片机单指令执行时间快8 l o 倍，完成 一次乘加运算快1 6 3 0 倍。 d s p 器件还提供了高度专业化的指令集，提高了f f t 快速傅里叶变换和滤 波器的运算速度。此外，d s p 器件提供j t a g 接口，具有更先进的开发手段，批 量生产测试更方便，开发工具可实现全空间透明仿真，不占用用户任何资源。软 件配有汇编链接c 编译器、c 源码调试器。d s p 器件广泛使用了j t a g 硬件仿 真，比单片机更易于硬件调试。 目前国内推广应用最为广泛的d s p 器件是美国德州仪器( t i ) 公司生产的 t m s 3 2 0 系列。d s p 开发系统的国产化工作已经完成，国产开发系统的价格至少 比进口价格低一半，有的如t m s 3 2 0 c 2 x x 开发系统只有进口开发系统价格的 l 5 ，直逼单片机，这大大刺激了d s p 器件的应用。目前，已有不少高校计划建 立d s p 实验室，t i 公司和北京闻亭公司都己制订了高校支持计划，将带动国内 d s p 器件的应用和推广。 d s p 适合于各种数学运算，但其外设较少，控制和事务处理能力较差。 2 1 3m c u _ 巾s p 结构的讨论 越来越多系统功能依赖于m c u 实现，但同时也需要更强大的信号处理能力， 而d s p 能更好地完成这些功能，因此必须将m c u 和d s p 处理能力结合到一起。 此外，很多应用场合都要求在传统的m c u 中增加互联网安全接入、通信、精确 的实时响应、更高效的能量耗散、回音消除、噪音消除等诸多功能。这些都是推 动m c u + d s p 解决方案广泛应用的动力。 在此类应用中，d s p 通常执行计算密集的算法，而m c u 则负责接口、网络 及控制等功能。例如在焊接控制系统中人机交互界面、外部通讯、焊接过程控制 这些功能适合由m c u 系统完成，而波形控制等要求高速数字信号处理的部分由 d s p 完成。 显然，这种设计方式吸取了单片机和d s p 各自的优点：单片机的特点决定 其可以在很低的功耗下运行实时操作系统，并进行通信和交互等多种处理，极适 合于控制；而d s p 的内部结构保证较强的数据处理能力，适合进行高速实时数 字运算。两者的组合可实现一些相当复杂的系统功能。 但是由于系统中采用了两个处理器，其间的信息交互和存储资源的最佳化调 配是设计时须着重考虑的问题。只有单片机和d s p 之间较好地协同工作，才能 充分发挥各自的优点；否则，由于两者间的协调而耗费了大量资源，整体性能未 必高于采用单一处理器的系统。这就要求设计者必须同时精通m c u 和d s p 的特 第二章硬件结构总体设计分析 性和编程技术。实现单片机和d s p 问通信协调的常用方法将在后面的章节中作 详细的介绍和讨论。 目前这种m c u + d s p 架构己成功应用于手机、音视频处理、电源管理、互 联网接入、p o s 终端及马达控制等。 2 2m c u 十d s p 结构功能分配设计 2 2 1 双处理器控制系统的总体设计 图2 1 是数字化焊接电源的系统结构图。如图所示，该焊接电源为逆变电源， 采用p w m 控制。其电源的工作原理是，三相3 8 0 v5 0 h z 的工频交流电经整流变 为脉动频率3 0 0 h z 的脉动直流电，通过电容滤波得到平直的直流电，然后通过 可控开关器件( 如i g b t ) 构成的逆变器的变为高频交流电，再经过变压和二次 整流滤波得到可供焊接使用的直流电。 逆变 图2 - 1 数字化焊接电源系统模块剧 图2 1 所示的焊接电源采用了数字化控制。其数字化控制系统出硬件和软件 两部分组成。硬件部分包括；数字处理器；参数给定模块；信息显示模块；焊接 电流，电压以及送丝速度等信号采集模块；送丝控制模块；焊接程序控制模块； 信息存储和记录模块；远程通讯模块等。硬件电路的设计包括数字处理器的选择、 控制器外围电路与接口的设计、各个模块电路的设计、提供远程管理系统的硬件 接入端l z l 的设计等等i m ”j 。 第二章硬件结构总体设计分析 信号采集模块主要用于焊接电流、电压等信号的采集与处理。焊接过程中采 得的实时焊接电流和电压信号经模拟反馈通道比例放大、滤波处理后交由a d 变换部分转换为数字量，这些数字反馈信号将作为数字化控制器进行各种特性控 制的基础，根据这些信号的值控制器得到所需要的输出状念量，这些量对应到控 制器输出p w m 信号的占空比的变化，不断变化的p w m 波形经过功率放大转变 为可用于驱动主电路开关器件的驱动信号。 信息显示模块包括l c d 显示、l e d 状态显示，该模块同由键盘、旋钮输入 模块构成的参数给定模块同属于人机交互系统的基本配置，可以实时显示当前焊 机的工作状况和焊接参数，显示人机交互向导再由键盘输入值改变程序分支 调用不同的焊接参数，还可以依靠键盘输入值在线改变数字化电源的输出参数。 在一个高性能的数字化焊接系统中，如果送丝单元的性能与整体不相称在进 行m i g m a g 焊时，将不能得到很高的焊接质量。本研究中的系统包括一个数字 化送丝控制模块，其送丝电机的转速由d s p 输出的p w m 信号控制。这样送丝 速度可以与焊接参数实时调配，有利于实现整个系统的全局控制，可以更方便的 获得很好的焊接效果。 信息存储和记录模块实际上包括一个焊接专家系统数掘库，其中内置了各种 不同焊接情况下的电流、电压、波形参数和送丝速度信息，可以由人机界面来访 问该数据库并将其加载到不同算法的给定值中。用户进行过的焊接参数也将通过 该模块记录下来，这些参数都将通过人机交互系统选择并使用。 焊接程序控制模块的作用是实现焊接过程的顺序启动，比如：启动、应答、 引弧、送丝及停止等。这些动作在焊接中有顺序要求和时问要求，这些通过程序 的延时和开关量的输出来实现。 故障中断信号起保护作用，焊接过程中难免会出现过压、过流、过热等情况， 这时候需要采取相应的保护措施。这些情况通过由保护电路转变为开关信号出 1 0 接口输入d s p 控制器，由控制中心采取相应的保护措施。这些丌关量的输入 和输出都包含在焊接动作控制模块中。 由于焊接对周围电气环境有较大的污染，电流、电压和送丝速度的反馈信号 中会包含很多高频干扰，对实现特性控制算法的正常运算产生很大的影响，必须 采取滤波措施消除这些干扰。尽管对于基于d s p 的数字化系统很容易实现诸如 f i r 滤波或者i i r 滤波等数字滤波算法，但是由于本系统附加功能越多，处理器 越难有多余的运算周期实现数字滤波功能，因此本研究将首先采用的较传统的 r c 滤波等模拟滤波手段，再根据实际的情况选用合适的软件数字滤波方式。这 些都将在后面的章节作详细的讨论。 第二章硬件结构总体设计分析 2 2 2 功能分配 根据前面的讨论，本研究采用m c u + d s p 的双处理器系统完成数字处理器 所需的功能，同时根据m c u 和d s p 的不同特点，将m c u 作为人机交互系统以 及焊接程序控制的主控芯片，而d s p 作为处理实时的电压电流等反馈信号，且 进行高速运算后完成控制量输出的运算协处理芯片，新的系统方框图如图2 - 2 所 示。 逆变 图2 - 2 双处理器方案数字化焊接电源系统方框图 由图2 2 可以看到，由于本课题采用了山东大学奥太公司生产的n b c 一5 0 0 z 型气体保护焊机的主电路，该逆变电源中的i g b t 采用软开关控制，有专用控制 板。因此，数字控制系统中的d s p 输出的数字信号通过d a 转换为控制模拟信 号输出到软开关控制电路就能控制焊接主电路的工作。在m i g 或m a g 焊时， 利用d s p 输出p w m 信号给送丝机驱动电路，控制送丝速度。 图2 2 中a d 转换采样模拟反馈信号送给d s p ，这样可以高速处理反馈信 号并实时控制主电路和送丝控制电路。 其它的功能由m c u 控制系统完成，其中包括l e d 、l c d 显示；远程通讯 接口：键盘、旋钮输入；故障中断信号输入；开关量控制输出；用户信息存储； 系统实时时钟等。这将充分释放d s p 的可用资源，使其投身于高速的数字处理 9 第二章硬件结构总体设计分析 任务中去，而繁琐但对响应速度要求不高的人机交互和外围设备的协调，则由 m c u 来完成。这样完成了针对硬件特点和控制要求需要的最优化系统方案设计。 2 3 多处理器之间的可靠通讯 采用多处理器控制将增加各处理器之间协同工作所必需的可靠通讯。由于各 处理器处理不同的任务，如果不能同步协调双方处理任务的次序和方法，不能达 到相互适应和配合，将不能完成设计功能，甚至有可能引起外围部件的损坏和对 操作人员的伤害。所以保证双方通讯的可靠是必不可少而且十分重要的，有关本 课题中应用的双处理器间可靠通信将在后面单独用一章的篇幅作单独的讨论和 介绍。 2 4 本章小结 1 本章首先明确了数字化焊接电源的整体结构，并对该电源的数字化控制 电路进行了剖析和论证。 2 通过对整体结构以及各个部分功能特点的讨论，给m c u 和d s p 系统分 配了不同的功能。明确各部分承担的工作内容，给后面的讨论奠定了基础。 第三章m c u 控制的人机交互设计 第三章m c u 控制的人机交互设计 焊接参数的数字化显示和操作实际上是焊接电源数字化的第一步，新型数字 化电源能为用户提供清晰美观的显示界面和方便快捷的交互操作。它将液晶显示 和键盘操作相结合，完成焊接方法、焊接工艺参数设置和信息显示等人机交互过 程。操作者可以快速直观的观察焊机的工作状态并方便地选择焊接参数【8 6 1 。 3 1 人机交互方式的选择 人机交互常用的方法有功能键、问答式对话、菜单交互、自然语言界面、命 令语吉界面、查询语言界面、图符等。其中前三种适合于过程控制现场的人机交 互，而后四种则适合予后台操作的人机交互。焊机的人机交互可以分为焊前准备 的人机交互和焊接过程中的人机交互，这是属于过程控制现场的人机交互情况。 而在前三种方式中，功能键的定义繁琐而且任意性很大，这就会引起操作和 记忆上的麻烦，如果系统要完成很多功能，需要设置很多功能键，就会对输入设 备的硬件接口造成很大负担。 问答式对话使用方便，但其速度慢、修改扩充不方便。 菜单式交互方式是使用最广泛的一种人机交互方式，它最大的特点就是让用 户可以在一组多个可能的对象中进行选择，各种可能的选择项以菜单项的形式显 示在屏幕上。一般情况下，这种交互方式适用于较少数量的选择项，如果选择项 较多的话，一个屏幕是显示不下的。但是如果选择项对应功能本身是逻辑上的层 次结构，那么这就可以通过分层次来安排组织菜单系统结构，菜单的层次称为菜 单系统的深度，而同一层中菜单项的数目称为菜单的宽度。由此可知，菜单深度 和宽度将会影响到用户选择余度和设置菜单项的速度，应综合考虑。 菜单交互方式的优点就是容易学习和使用。用户可以借助菜单界面搜索软件 的功能和操作方法，可以大大减轻用户的记忆量。此种方法可以减少用户的输入 量，因而不容易出现错误，并且菜单的功能实现也比较简单。菜单的使用对象则 可以是只熟悉系统功能而缺少计算机经验的用户。 第三章m c u 控制的人机交互设计 3 2 人机交互系统的硬件实现 焊接电源的人机交互系统要完成焊接参数的设置、焊接工艺的选择、焊接过 程中参数的修改、焊接过程提示、焊接参数动态显示等一系列功能，并且为了减 少硬件，采用尽可能少的键来完成操作。 在本研究的人机交互系统中，本课题选用单片机m s p 4 3 0 f 1 4 9 作为人机交互 系统的控制核心；使用q y - l c m l 2 8 6 4 z k 型图形点阵液晶显示模块作为系统的 显示器件；并设计一个4 x 4 的1 6 键标准键盘作为输入设备。图3 1 为人机交互 系统硬件电路系统方框图。 远距离通信 键盘输入 单片机 外部存储器 液晶显示 匝 图3 - 1 人机交互系统硬件电路系统方框图 如图3 2 所示，人机交互系统的显示的内容分为7 个界面，即友好界面、菜 单界面、焊接参数设置界面、机器参数设置界面、历史焊接参数界面、焊接等待 界面和焊接现场界面。 图3 - 2 入机交互界面 第三章m c u 控制的人机交互设计 所设计的人机交互系统的交互界面的运行过程如下。开机时，首先进入欢迎 界面，并监测键盘操作，当检测“菜单”键按下时，则进入菜单界面。根据设计， 菜单界面中有四个选项：焊接参数设置、机器参数设置、历史焊接参数和焊接等 待。在焊接参数设置中，可以自行设置所需要的焊接参数，也可以选择机器专家 系统中已经储存的焊接参数进行焊接；在机器参数设置中，则可以进行焊接方法 的选择，从而选择不同焊接方法对应的程序入口，还可以进行程序密码的修改； 在历史焊接参数中，机器将前一次焊机所使用的焊接方法及焊接参数设定为本次 焊机使用的参数。图3 3 是当焊接方法选为c 0 2 焊接时的人机交互实际显示界面。 a 1 欢迎界面 b ) 机器参数驶置界面 c ) 焊接参数设置界面d 、捂否开始悍格界l 衔 e ) 焊接现场界面 g ) 参数保持和停止界面 f ) 参数修改界面 图3 - 3c 如焊人机交互的主要显示界面 如图3 - 3 所示，首先进入系统的欢迎界面，进而在菜单界面所包含的机器参 数设置界面中选择c 0 2 焊，然后返回到菜单界面，选择并进入焊接参数设置界面。 如果用户选择调用专家系统储存的参数并确定后，焊机自动调用保存在f l a s h r o m 中的参数进行焊接；如果用户选择重新输入参数，则可以进入参数预设界面。 第三章m c u 控制的人机交互设计 本研究中，根据c 0 2 焊的特点设定了8 个可以由用户设置的参数：预通气时间、 延时断气时间、焊接电压、焊接电流( 送丝速度) 、电流增长速率、波形控制方 案、引弧方案和熄弧方案等。用户选定相应的参数后就可以直接输入数字对该参 数进行设置，经确认后系统进入焊接等待界面，提示是否开始焊接，选择确定 ( y e s ) 后进入焊接状态。 在焊接过程中，屏幕上显示的是焊接电流、电压和送丝速度等几个主要参数， 如图3 - 4 。如果在焊接过程中需要对主要焊接参数进行修改，那么可以在焊接现 场界面中对焊接电流、焊接电压和送丝速度等参数进行修改。用户在选定了需要 修改的参数后，可以通过按数字键输入需要调整的值，或者可以通过“上”“下” 使得这一参数增大或是减小，不同参数增大或是减小的步长是不同的：电流每按 一下改变1 a 、电压每按一下改变- i - 0 1 v 。 图p 4 人机交互面板 焊接结束后，按下系统面板中的“停止”按钮就可以进入预设的熄弧程序， 进行电流、电压和保护气的配合，完成整个焊接过程。此时屏幕提示是否将现有 参数保存，如果选择保存，那么在下次焊接时则可以从历史焊接参数界面中，选 择此次的焊接方法及参数。 第三章勰c u 控制的人机交互设计 3 2 1m s p 4 3 0 f 1 4 9 主控芯片的选定 m s p 4 3 0 f l x x 系列单片机是m s p 4 3 0 系列单片机的一个子系列，于2 0 0 0 年 推出。这一系列含有f l a s h 存储器，在系统设计、开发及实际应用上都表现了 下列优点。 1 具有强大的处理功能 m s p 4 3 0 f l x 采用了精简指令集( r i s c ) 结构，具有丰富的寻址方式和高效 的查表处理方法。能在8 m h z 晶体的驱动下，实现1 2 5 n s 的指令周期。具有1 6 位数据宽度和多功能的硬件乘法器。运算速度比普通单片机要高很多。它的中断 源比较多，并可以任意嵌套，使用灵活方面。 2 超低功耗 m s p 4 3 0 f 1 4 x 系列单片机的电源采用的是1 8 3 6 v 电压。因而当其在i m h z 的时钟条件下运行时，芯片的电流在o 1 4 0 0 扯a 之间。 在m s p 4 3 0 f 1 4 x 系列中有两种不同的系统时钟系统：基本时钟系统和锁频环 ( f l l 和f l l + ) 时钟系统。由系统时钟产生c p u 和各功能模块所需要的时钟。 这些时钟可以在指令的控制下打开和关闭，从而实现对整体功耗的控制。 由于系统运行时打开的功能模块不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗 有着显著的不同。在系统中共有一种活动模式( a m ) 和五种低功耗模式( l p m 0 l p m 4 ) 。在等待方式下，耗电为0 7 a ，在节电方式下，最低可达o ，i a 。 3 ，丰富的片上外围模块 m s p 4 3 0 f 1 4 x 系列单片机的各成员都集成了较丰富的片内外设。 m s p 4 3 0 f 1 4 9 包含；1 2 位a d ：精密模拟比较器；硬件乘法器；2 组频率可达8 m h z 的时钟模块；2 个带有大量捕获比较寄存器的1 6 位定时器；看门狗；2 个可实 现晃步、同步及多址访问的串行通讯接口；数十个可实现方向设置及中断功能的 并行输入、输出端口等。 看门狗可以使程序在失控时迅速复位；模拟比较器进行模拟电压的比较，配 合定时器可设计为a d 转换器；带有大量捕获比较寄存器的1 6 位定时器 ( t i m c r _ a 和t i m c r b ) ，可用于事件计数、时序发生和p w m 等：p o 、p 1 、p 2 端口能都接收外部上升沿或是下降沿的中断输入：1 2 1 4 为硬件a d 转换器具有 较高的转换速率，最高可达2 0 0 k b p s ，能满足大多数数据采集应用：能直接驱动 液晶多达1 6 0 段；硬件1 2 c 串行总线接1 2 1 ，实现存储器串行扩展。这些片内外设 为系统的单片解决方案提供了极大的方便。 4 方便高效的开发方式 m s p 4 3 0 f 1 4 x 含有f l a s h 存储器，这一特点使得它的开发工具相当简单。 第三章m c u 控制的人机交互设计 利用单片机本身具有的j t a g 接口或片内的b o o t r o m ，可以在一台p c 及一个 结构小巧的j t a g 控制器的帮助下实现程序的下载，完成程序的调试。 5 适应工业级运行环境 m s p 4 3 0 f 1 4 x 器件均为工业级应用，运行环境温度为4 0 + 8 5 c 。 3 2 2 键盘输入电路设计 键盘采用了8 根连线，依靠连线间不同的连通组合判定按下的是哪个键，如 图3 - 5 。 图3 - 51 6 键标准键盘图 正如前面所讲到的，键盘一共有1 0 个数字键和6 个功能键。与图3 - 4 相对 照，其中：“a ”定义为“菜单”键；“b ”定义为“设置”键；“c ”和“d ”分别 定义为“退出”和“确认”键；丽“2 ”“e ”“0 “f ”分别定义为“上”“下”左” “右”键( 其中“2 ”“0 ”既是数字键又是功能键) 。 其真值表见表3 1 。表中为l 的真值表示按下相应的按键后该连线为高电平， 0 表示该连线仍为低电平。 本系统使用了m s p 4 3 0 f 1 4 9 上的p 1 4 - p i 7 和p 2 0 一p 2 3 这8 个i l o 端口作 为和键盘的连接端口，并且在软件系统初始化时把这8 个端口配置成输入( i n ) 。 键盘与m s p 4 3 0 f 1 4 9 的连接如图3 - 6 。 在实际的连接中，行线p 1 4 一p 1 7 的连线通过4 7 kq 的上拉电阻接3 3 v 的 电源，处于输入状态，列线p 2 o p 2 3 为输出状态。键盘上没有按键闭合时，所 有行线p 1 4 一p 1 7 输入全部为高电平。当键盘上某个按键闭合时，则对应的行线 和列线短接。 第三章m c u 控制的人机交互设计 表3 - i 键盘连接真值表 j 123456 7 89 oabcdef k 0loo1oo 1ooloo o ooo k 1o01ool o0lo 0 o o o0l k 2oooooo11lo1ooooo k 3ooolllo0o0o1oooo k 4l1loooo0o00olooo k 5 o o oo o ooo o1ooo l ll k 6o1 0 01o o 1ooo0oo1o k 7 00ooo00ooo l 1 llo0 l ， 十3 3 v o t j u 【h 0 啪础帕融 一 卜 一 1 7 k p 7 k 1 7 kj 多 789 ， ：瓮硭登z 互 1 乡 4 5 6 1 c123 s p 4 3 0 f 1 4 9 - ， d 0ef p 1 0 jl 图3 - 6 键盘与m s p 4 3 0 f 1 4 9 连接图 3 2 3 液晶显示电路的设计 液晶模块的显示内容为1 2 8 x 6 4 点阵，8 x 4 行；具有串、并行两用接口； 并且自带g b 中文汉字一、二级字库；s t n 黄绿显示模式带有绿色l e d 背景光。 其外观如图3 7 所示。 图3 7 l c m l 2 8 6 4 z k 液晶显示模块外观图 第三章k u 控制的人机交互设计 为了减少m s p 4 3 0 f 1 4 9 占用的i o 接口数，在液晶显示模块与m s p 4 3 0 f 1 4 9 通讯时，采用了串行方式。数字化电源液晶显示电路连接图如图3 - 8 所示。 在串行通讯时，r s 为片选引脚，e 为输入串行脉冲引脚，r 1 】r 为输入串行数据 引脚。当r s 引脚被置为高电平时，液晶显示模块进入可以读写的状态。e 引脚 输入串行同步脉冲信号，r w 引脚输入串行数据信号。而当片选r s 设为低电位时， 模块内部的串行传输计数与串行资料将被重置，也就是说传输中的资料将会被终 止清除，并且将待传输的串列资料计数重设回第一位。模块的同步时钟线e 具有 独立性，但是因为模块内部没有传输接收的缓冲区，在有多个连续的指令需要 传输的情况下，必须等到一个指令完全执行以后，才能传送下一条指令，所以在 编写显示程序的时候要特别注意一条指令运行的时间长度。 图3 - 8 液晶显示模块连接电路 从一个完整的串行传输流程来看，一开始先传输起始位，在起始位首先需 要先接收到五个连续的“1 ”( 同步位串) ，此时传输计数将被重置并且串行传输 将被同步，再跟随的两个b i t 分别指定传输方向位( r w ) 以及暂存器选择位( r s ) ， 最后八位则为“0 ”。在接收到起始位元组后，每个指令数据将分为两组：较高 4 位元( d b 7 d b 4 ) 的指令资料将会