（材料加工工程专业论文）双处理器控制数字化焊接电源单片机系统的研究.pdf

中文摘要 中文摘要 随着焊接技术的广泛应用，生产中对焊接质量与焊接生产效率的要求越来越 高。高质量高效率的焊接离不开高水平的焊接电源。随着数字化、智能化技术的 发展，数字化焊接电源系统的研究已经成为该领域的前沿和热门课题，并代表了 当今焊接电源发展的方向。 本文深入分析了国内外数字化焊接电源的研究进展，从完善数字化焊接电源 系统以及充分发挥数字化优势的角度出发，采用单片机+ d s p 双处理器架构，设 计了一套可灵活应用于c 0 2 焊等多种焊接方法的焊接电源数字化控制系统，并主 要对其单片机系统做了深入研究和设计。 本文根据双处理器控制数字化焊接电源对于单片机系统的功能要求，设计了 其硬件电路，建立了功能丰富的单片机系统软、硬件平台。本文重点设计并实现 了人机交互模块，该模块采用了网状结构，即在传统树形结构的基础上增加了焊 接向导功能。它能够灵活方便的进行页面跳转，实现了焊接方法等机器参数的选 择、焊接参数的设置与存储、参数的动态显示与实时调节等功能。整个人机交互 模块具有功能丰富、界面友好，显示直观、操作灵活等特点。 本文实现了焊接时序控制功能，对整个焊接过程中单片机与d s p 之间的动 作进行了协调，设计并实现了二步与四步两种不同的时序操作方式。 本文完成了单片机与d s p 之间通信接口的硬件与软件设计，制定了可靠的 通信协议，实现了双处理器之间的稳定通信；对单片机与上位机之间的通信进行 了初步讨论，设计了r s - 4 8 5 远程通信接口和上位机操作界面。 本文采用p i 控制策略设计了送丝调速系统，并建立了系统仿真模型，利用 s i m u l i n k 软件仿真确定了p i 控制参数，然后以此指导实际，对p i 控制参数进行 了实验整定。 实验研究表明，本文所设计的单片机系统实现了人机交互功能，能够完成焊 接时序操作，送丝系统速度输出准确可靠，能满足c 0 2 焊接电源的要求，并为今 后多功能数字化焊接电源系统的设计与研究提供了可靠的软硬件平台。 关键词：焊接电源：单片机系统；人机交互：通信：送丝控制 a b s t r a c t a bs t r a c t p r o d u c t i o nb e c o m e sf a s t e ra n dm o r ee f f i c i e n c e n ta st h ew e l d i n gt e c h n o l o g yi s w i d e l yu s e d t h i sm a yn e e dh i g hq u a l i t yw e l d i n gp o w e rs o u r c e t h ed i g i t a lw e l d i n g p o w e rs o u r c e ，w h i c hi st h ed e v e l o p i n gd i r e c t i o no ft h i sf i e l d ，n o wb e c o m e saf r o n t a l s u b j e c ta st h ea u t o m a t i ca n di n t e l l i g e n tt e c h n o l o g yd e v e l o p s t h i sp a p e ra n a l y s e st h er e s e a r c hs t a t u so ft h ed i g i t a lw e l d i n gp o w e rs o u r c ei n s i d e o u rc o u n t r ya n da b r o a d ad u a l - p r o c e s s o rc o n t r o ld i g i t a lw e l d i n gp o w e rs o u r c eb a s i n g o nm c u + d s ps t r u c t u r ei sd e v e l o p e di nt h ea i mo fp e r f e c t i n gt h ed i g i t a lw e l d i n g p o w e rs o u r c es y s t e ma n dm a k i n gf u l lu s eo fi t sa d v a n t a g e s t h i sp o w e rs o u r c ec a l lb e u s e df o rc 0 2w e l d i n ga n do t h e rw e l d i n gm e t h o d s t h em c us y s t e mi sf u l l yd e v e l o p e da c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so ft h e d u a l - p r o c e s s o rc o n t r o ld i g i t a lw e l d i n gp o w e rs o u c e 。b o t hh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo f t h em c us y s t e mi se s t a b l i s h e da n dt h em a n m a c h i n ei n t e r f a c ei sd e s i g n e d 。t h e i n t e r f a c ea d o p t sn e ts t r u c t u r e ，w h i c ha d d sg u i d ef u n c t i o nt ot h et r a d i t i o n a lt r e e s t r u c t u r e 。t h u s ，t h ei n t e r f a c ec a nj u m pt oa n yp a g ee a s i l y t h es e l e c t i o no ft h e w e l d i n gm a c h i n ep a r a m e t e r s ，t h es e t u pa n ds a v i n go ft h ew e l d i n gp a r a m e t e r s ，t h e r e a l - t i m ec h a n g ea n dd i s p l a yo ft h e s ep a r a m e t e r sa l ea l lr e a l i z e d t h em a l l m a c h i n e i n t e r f a c eh a ss e v e r a la d v a n t a g e s ，s u c ha sf u n c t i o n a lm u l t i p l i c i t y , o p e r a t i o n a la g i l i t y , a n ds o o n 。 t h es c h e d u l i n gc o n t r o lf u n c t i o ni sr e a l i z e di n t h i sd e s i g na n dt h e2 - s t e pa n d 4 - s t e po p e r a t i o nm o d e sa r ea l s od e s i g n e d t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h ec o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c eb e t w e e nm c ua n d d s pi sd e s i g n e da n dac o m m u n i c a t i o np r o t o c o li sm a d e ，w h i c he n s u r et h a ts t e a d y c o m m u n i c a t i o ni sa v a i l a b l e t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h em c ua n dt h eu p p e r c o m p u t e ri sa l s od i s c u s s e da n da nu p p e rc o m p u t e r c o n t r o li n t e r f a c ei sd e s i g n e d 。 aw i r es p e e dc o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e da d o p t i n gt h ep ic o n t r o ls t r a t e g y t h e m o d e lo ft h i sw i r es p e e dc o n t r o ls y s t e mi se s t a b l i s h e du s i n gt h es i m u l i n ks o f t w a r e t h ep ip a r a m e t e r sa l ef i x e do nb ys i m u l a t i o na n dr e a le x p e r i m e n ts e p a r a t e l y e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h em c us y s t e mc a nr e a l i z et h em a n m a c h i n e i n t e r f a c ef u n c t i o na n d 也es c h e d u l i n gc o n t r o lf u n c t i o n t h ew i r es p e e di sa c c u r a t e t h em c us y s t e md e v e l o p e di nt h i sp a p e rc a l lm e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h ec 0 2 w e l d i n gm e t h o d ，a n di ta l s op r o v i d e sap l a t f o r mf o rm u h i f u n c t i o n a ld i g i t a lw e l d i n g n a b s t r a c t p o w e r s o u l c er e s e a r c hi nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：w e l d i n gp o w e rs o u t c e ，m c us y s t e m ，m a l l m a c h i n ei n t e r f a c e ， c o m m u n i c a t i o n ，w i r es p e e dc o n t r o l n j 独创性声明 本入声瞩所呈交数学位论文是本人在导舜指导下进行熬研究工作和取得费 研究成果，除了文中特另u j i ：i 以标注和致谢之处外，论文中不包含其钝人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤连盎堂或其他教育机构的学位或证 书丽使用过的材料。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 作了骥确的说甓并表示了谢意。 学位论文棒者签名：瑶币 签字鑫期：刃年二月7n 学位论文版权使用授权书 本学短论文作者完全了解垂鲞基茎有关保留、使用学经论文懿规定。 特授权苤连盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据痒进行检 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。 ( 保密鲍学位论文在鬃密岳逶爰本授投说明) 学位菇文作者签名：誉为 签字1 9 期：布年2 月7 问 签字 期：砌年2 月问 导蜂签名：氯绳妈 签字同期：夕哆；! 年工月7 r i 第一章绪论 第一章绪论 重。董数字化焊接电源的定义与特点 数字化焊接电源是在2 0 世纪9 0 年代开始发展起来的，在1 9 9 3 年的德国埃 森焊接博览会上，芬兰肯比公司发布了第一款数字控制的弧焊系统e m p p i p r o h 。从此之后，f r o n i u s 、松下等世界各大焊枧厂商相继开始了数字化焊接设 备的研制，并向市场推出了一系列功能各异的数字化焊机产品。随着计算机技术、 数字化技术的发展，有关数字化焊接电源的研究越来越多，并逐步成为了焊接电 源的主要发展方向暖l 。 数字化就是按照一定的规则，把连续信号变成数字序列形式表示的离散信 号，也就是数字信号。采用数字电路、数值计算对数字信号进行处理、对被控对 象进行控制的技术为数字控制技术，相应的系绕称为数字控制系统。 新谓数字亿焊接电源即采用数字控制技术的焊接电源，誉前主要是指采用数 字化技术实现焊接电源闭环控制的逆变式弧焊电源【3 】。在数字化焊接电源中，用 数字控制技术代替了模拟控制技术，即在焊接电源的控制中，用电流、电压的数 字信号代替了模拟信号；用数字信号处理代替了模拟信号处理：用数字电路以及 软件程序控制代替了模拟电路控制。 数字化焊接电源与传统的模拟控制的焊接电源相比有着无可比拟的优越性， 对比起来数字化焊接电源有以下特点f 档】。 ( 1 )柔洼好对于模拟控制系统，系统的控裁功能是杰硬件电路结构及 其参数所决定的。电路一旦确定就很难改变。对于数字控制系统，系统的控制功 能是在基本硬件电路的基础上，通过软件编程来实现的。同一套硬件电路，通过 控制软件程序的变化，可以实现不囝的控制。对于不同的焊接工艺方法和不同的 焊丝裙料、直径可以透过修改软 簪程序，选用不同的控制策略和控制参数。数字 化焊接电源实现了柔性控制和多功能集成。数字化焊接电源的柔性控制还表现在 控制程序的升级与网络管理及远程监控的功能上。 ( 2 )稳定性强在模掇控制系统中，信号的处理是遴过电子电路完成的。 信号处理参数是由电阻、电容参数的选择来确定的。由于电阻、电容等电子元器 件参数的偏差、漂移必然导致控制系统参数的变化，因此模拟控制系统的温度稳 定性差，产品的致性难以保证。愿在数字控制系统中，信号的处理或控制算法 第一章绪论 的实施是通过软件程序完成的，因此其稳定性好，产品的一致性也容易得到保证。 ( 3 ) 控制精度离模掇控制的精度一般巍电子元器件参数值弓l 起的误差 和运算放大器非理想特性参数引起的误差所决定。而且模拟控制往往采用多级处 理，其误差积累和噪声的逐级放大，使模拟控制系统的总体误差较大。由于数字 控制的精度仅仅与模数转换的量化误差，以及系统的有限字长有关，因此数字 纯控制常常可以获褥较高的控制精度。 ( 4 ) 接口兼容性好由于数字化弧焊电源采用了单片机和d s p 等微处理 器、微控制器，因此数字化电源与其它数字化设备可以非常方便地实现信息交换。 随着现代焊接生产网络纯管理的发展和普及，数字讫电源盎好的接目兼容性必然 会发挥越来越重要的作用。 ( 5 ) 操作性好利用单片机和d s p 的高速计算能力和丰富的外部接口与 通信能力，在引入专家系统等智能控制技术的基础上，可以实现焊接参数的一元 亿调节，实现弧焊溆源的“傻瓜式操作。 ( 6 ) 通用性强弧焊电源的数字化控制系统包括硬件电路系统和软件程 序系统。电源的硬件电路系统可以实现模块化和标准化，软件程序系统可以实现 平台化、标准纯、模块纯。 1 2 数字化焊接电源系统的含义 焊接电源的数字化主要包括以下三个方面p 一。 首先是焊接电源主电路的数字化，即从模拟式焊接电源主电路发展到现在开 关式焊接电源主电路，其中开关器件可以采用l g b t 、m o s f e t 或双极性晶体管 等等。焊接电源主电路的数字化使得焊接电源在多方瑟的性能上获得了提高：焊 接电源的功率损耗大大地减少，使得许多电源的效率达到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，因此焊机获得了更好的 动态响应特性；同时，由于提高了频率使得变压器的质量和体积大幅度减小，使 得开关电源又具有了体积奎、耋霆轻的特点。 其次是控制电路的数字化。这方面的技术应用发展非常快。就控制系统的结 构而畜，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) 等微处 理器构戏，微处理器对给定信号流、参数反馈流帮网压信号流作综合处理与运算， 从丽达到对焊接电源的实时控制。 第三是人机接i ；2 1 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、发如指令及观察现场参数和信息的窗口，应具有友好性、灵活 性、功瑟挂、明确性、一致性、霹纛懂等特点。豳蠹外已有焊机将液鑫显示帮键 第一章绪论 盘操作相结合，进行焊接方法、焊接工艺参数设置和信息显示等的人机交互过程。 随着机器人和专机在生产中大量应用，工业机器人、专机与焊机之间的数字化接 口技术也得到了迅速的发展。 由于应用了数字化控制技术，焊接电源已不再是单纯的焊接能量提供源，还 应具有数字操作系统平台、多特性适应调整、送丝驱动外设及接口、焊接参数动 态自适应调整、过程稳定质量评定、保护及自诊断提示以及远程网络监控、生产 质量管理等功能。这样焊接电源的概念就拓宽为焊接电源系统。焊接电源系统的 数字化是焊机数字化的进一步扩展，其主要研究任务为：在充分研究和分折已有 焊接电源的基础上，提出合理可行的功能分类标准进行数字化焊接电源的硬件模 块规划和设计，实现硬件的模块化、标准化和数字化；对模块化的硬件运用单独 的微处理器进行控制，并通过数字化接口，按照通信协议实现各子系统之间的信 息交换；利用数字化接口，实现焊接电源系统的网络化管理，这样可以在网上控 制和监控焊接过程，保证焊接质量。 1 3 数字化焊接电源的发展现状 由于对数字化焊接电源系统的要求越来越高，以单一微处理器来同时实现人 机交互、时序控制和复杂的控制算法已越来越困难，所以双处理器乃至多处理器 分别处理不同的事务、满足不同的需求已逐渐成为必需的选择。目前多处理器控 制中使用最多的是单片机+ d s p 双c p u 结构，单片机负责人机交互以及焊接程序 控制部分，d s p 负责处理实时的电压电流反馈信号，进行高速运算后完成控制量 的输出。 单片机系统是整个焊接电源的主控方，即焊接方法的选择、焊接参数的设置、 焊接起停操作等均由单片机系统负责。大体说来，单片机系统要完成人机交互、 焊接时序控制、通信等功能，其中人机交互功能是非常重要的一个部分。事实上， 建立以微处理器为核心的人机交互模块也有利于推动数字化焊接电源系统的模 块化和标准化，方便焊接电源达到更高级别的设计要求。 在数字化焊接电源人机交互功能的实现方面，目前国内外已有了一些发展和 研刭2 1 ，如奥地利f r o n i u s 公司的t r a n s s y n e r g i c4 0 0 0 5 0 0 0 及t r a n s p u l s s y n e r g i c 2 7 0 0 4 0 0 0 5 0 0 0 全数字化焊接电源，具有脉冲m i g 、直流m i g 、手弧焊、t i g 焊等 多种工艺方法的不同材质、不同焊丝直径的多功能焊接人机界面：美国m k 产品 集团公司的m kc o b r at i g1 5 0 焊接电源，具有用户友好的l c d 编程界面；美国 m i l l e r 公司基于微处理器控制的a u t o m a t i c w m 型焊接电源，可在一个人机界面上 进行m i g 、脉冲m i g 和自适应脉冲m i g 焊。上述焊接电源均是基于微处理器，由 键盘设置功能和参数，通过l c d 进行显示，并以功能键为主来实现人机交互功能。 第一章绪论 在国内，上海交通大学设计了数字化耵g 焊机菜单式人机交互系统，其采用键盘 和液蒜显示( l c d ) 作为数字化输入，输塞设备，霹进行程g 焊接工艺参数的设置、 修改以及焊接现场信息的显示和参数修改【2 】；清华大学采用键盘和液晶显示等直 观输入输出设备，设计实现了能够进行焊接方法选择和焊接工艺参数设置与修 改的智能人机交互界蕊( 1 0 】；华南瑗工大学采用囱制键盘和液晶显示器( l c d ) ， 在数字纯点焊控制系统孛实现了篱便、壹褒酶设置点焊裁范参数酶人枕接躁f 瓣】。 最然有关双处理器数字化焊接电源的研究已经成为了国内焊接电源研究新 的热点，但这些研究大多集中于控制系统，在单片机系统方面研究的还不够全面、 深入，主要表现在以下几个方嚣。 - - 二叫众 图2 1 2 电磁气阀驱动控制电路连接图 2 3 薹o 送丝控制系统电路设计 l 2 电磁阁 送丝系统采用了p w m 脉宽调制技术进行电机调速，在设计中选用i r f 5 4 0 型m o s f e t 场效应晶体管作为电压调速电路中的功率开关器件。场效应晶体镣是 震橱极电压来控制漏极电流的，具有驱动电路简单、驱动功率小的特点，并豆其 开关速度快、工作频率高。 送丝机调速电路的原理图如图2 1 3 所示。该电路的输入端接变压器的副边， 2 5 v 的王频交流电缀过四个整流五极管桥式整流，再经c 5 1 ( 1 0 0 0 u f ) 进行滤波， 得戮较平滑的直流电。q 8 为i r f 5 4 0 场效应晶体管，通过驱动p w m 信号可以控制 其开通与关断。系统的负载为电动机电枢，可以认为它是电阻一电感负载，d 5 6 为续流二极管。二极管d 5 8 为m o s f e t 管起到反向过压保护作用。d 5 5 、r 5 1 、c 5 2 组成r c d 吸收保护电路，对m o s f 嚣善进行正囱过纛保护，其基本原理为：关断i g b t 时，它的集电极电流的下降率较高，极高的电流下降率将会在主电路的分布电感 上感应出较高的过电压，导致i g b t 关断时将会使其电流电压的运行轨迹超出它的 安全工作区而损坏；r c d 吸收电路在过压时会对电容充电，从蕊克服了过冲电压， 保护了m o s f e t t 捌。 e l j 于单片机输出的p w m 信号幅值和驱动电流都非常小，远远不足以驱动控 制送丝机转速的m o s f e t ，因此必须扩展p w m 驱动电路，增加其驱动能力。同 时，因为送丝枧主电路电压相对予控制电路来讲电压较高、电流较大，所以在主 电路与控制电路之瀚必须采取光电隔离措麓，以提高系统抗干扰措施。在本设计 中，单片机输出的p 1 j i m 信号是通过t l p 2 5 0 芯片的隔离放大后驱动开关管工作的。 t l p 2 5 0 是日本东芝公司生产的带光电隔离的m o s f e t 集成驱动芯片，可以点接 驱动小功率m o s f e t 藕i g b t ，其主要特点失：输入阑僮电清 i f = 5 m a ( m a x ) ；嚷源 柳f + 憎t 一 够溯 引，、i叫+i， 眦 一 。 泔强 一 晒伽 竺乒一 藿凳 第二章单片机系统硬件设计 电流i 。c - 1 1 i n a ( m a x ) ；电源电压( 、，) _ 1 0 - - 3 5 v ；输出电流i o - - 0 5 a ( m i n ) ，最大驱 动能力为1 5 a ：开关时间t p l h 暂0 51 1s ( m a x ) t 2 7 1 。t l p 2 5 0 的输入端为光耦，接 单片机p 4 1 引脚；t l p 2 5 0 通过反相输出端( 6 脚) 来驱动开关管。这样，经过 t l p 2 5 0 隔离驱动前、后的p w m 信号将保持同样的相位。 图2 1 3 送丝调速电路连接图 本文对送丝系统采用电枢电压反馈闭环控制，因此需要设计电枢电压反馈电 路，如图2 1 4 所示。此电路输入端电压即为电机电枢电压，经过电阻分压、低 通滤波之后进入由u 3 组成的电压跟随器，u 3 为具有低噪声、低输入电流偏移、 低直流电压输出偏移特性的高精度运放大器o p 0 7 。电压跟随器的作用为：匹配 电路的输入、输出阻抗；提高带载能力；高阻输入，低阻输出还可以很好的对前 图2 1 4 送丝机电枢电压反馈电路连接图 第二章单片机系统硬件设计 后两部分电路进行隔离，保护主控芯片。稳压管d 5 7 起到限幅作用，保证即使 出现异常信号电压也被钳制在3 3 v 。最后，经过处理的反馈信号进入单片机进 行模数转换，并参与运算，对送丝机进行控制。 2 4 本章小结 本章首先介绍了双处理器数字化焊接电源的整体框架，分析了单片机系统应 完成的功能，然后确定了主控芯片型号，进行了端口分配。本章重点是设计了单 片机系统硬件电路，包括键盘旋钮输入电路、l c d 显示电路、l 王d 显示电路、 蜂鸣器电路、外部存储器电路、实时时钟电路、串行通信接口电路、焊枪开关信 号输入电路、电磁气阀驱动电路、送丝调速电路以及电枢电压反馈电路，并明确 了各部分应完成的功能。由此，数字化焊接电源单片机系统的硬件平台已经建立 起来。 第三章单片机系统主控功能总体设计 第三章单片机系统主控功能总体设计 单片机系统负责焊接电源的人机交互功能，还负责焊接过程的时序控制、通 信、送丝控制等功能。这些功能之间并不是完全独立的，而是相互支持、相互协 调的。同时，系统功能的实现，除了硬件之外，软件的设计也有着直接的影响， 良好的软件设计是实现丰富而又简捷的系统功能的保证。因此，在系统平台搭建 的初期，对软件系统的规划是相当重要的。本章将对人机交互界面进行总体设计， 并对整个单片机系统的软件编写进行规划。 3 1 人机交互界面设计 3 1 1 人机交互方式的选择 适合于过程控制现场的常用人机交互方法有功能键、问答式对话、菜单交互 三种方式。在这三种方式中，功能键的定义繁琐而且任意性很大，容易引起操作 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。问答式对话虽然使用方便，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，这些菜单和选择项是按其功能进行组织的，菜单的层 次称为菜单系统的深度，同一层中菜单项的数目称为菜单的宽度。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的含义来寻找所要操作的功 能，这样将大大减轻记忆量。 3 1 2 人机交互界面设计 本文所设计的人机交互操作面板以键盘和旋钮为输入设备，以l c d 液晶显 示、l e d 指示灯、蜂鸣器为输出设备。其中，4 x 4 标准键盘的1 6 个键由软件定 义为0 - 9 十个数字键，向上( 增加) 、向下( 减小) 、向左、向右、确认、退出六 个功能键。此外，还有一个焊接起停独立按键，一个旋钮按键( 也设置为确认功 能) 。液晶显示器件一次能够显示4 行、每行8 个汉字( 或者1 6 个字符) 。1 0 个 第三章单片机系统主控功能总体设计 l e d 指示灯分别被定义为：c 0 2 、m i g 、s a w 、t i g 、m m a 等5 种焊接方法指示 灯，脉冲电源类型指示灯、气检指示灯、丝检指示灯、焊接起停指示灯和焊接故 障指示灯。蜂鸣器可以发出三种不同的声音：焊机正常上电声音指示、故障报警 声音、按键声音。 根据输入输出设备的配置以及系统功能的要求，本文设计了一套人机交互界 面，如附录所示，其页面组织结构采用了网状结构，即在传统纵向树形分支结构 的基础上，增加了焊接向导功能，从而实现了各操作页面之间的横向跳转。纵向 分支结构的主菜单下设机器参数设置、焊接参数设置、焊接准备界面三个一级子 菜单。机器参数设置子菜单下分设焊接方法选择、电源类型选择、焊接材料设 定、焊丝直径设定、操作方式选择、按键声音设置、实时时钟设置等操作页面； 焊接参数设置子菜单下设焊接参数预设和历史焊接参数页面；焊接准备子菜单下 设焊前检查页面、焊接准备页面、焊接现场页面、故障页面、参数保存页面等。 本文所设计的人机交互界面最大的特点就是增加了向导功能。焊接向导起始于主 菜单，按横向顺序依次经过焊接方法选择、电源类型选择、焊接材料设定、焊 丝直径设定、操作方式选择、焊前检查页面、焊接参数设置，最终完成各种设置 进入到焊接等待页面，按前进( 右键) 或者后退( 左键) 可以在这些页面中横向 跳转。这种带有向导功能的人机交互页面可以使得用户的操作灵活方便，其组织 结构简化示意图如图3 1 所示。 焊 接 方 法 选 择 焊接向导 欢迎界面 主菜单 机器参数设置h 焊接参数设置h 焊接准备界面 电 源 类 型 选 择 焊 接 材 料 设 定 操 作 方 式 选 择 焊 接 参 数 设 置 焊 接 等 待 页 面 焊 接 现 场 页 面 图3 1带向导功能的人机交互界面组织结构简化示意图 人机交互界面主要运行过程如下：开启电源后，首先显示欢迎页面，蜂鸣器 发出正常上电声音指示，同时1 0 个指示灯全部点亮，用于检查这些指示灯有没 有损坏。等待5 秒后，或者有任意按键按下时，系统将进入主菜单，同时指示灯 指示默认的设置。由于本文所设计的焊接电源目前只是针对c 0 2 焊接，所以在人 机交互界面上主要对c 0 2 焊接界面进行了详细设计，对其他焊接方法仅做了简略 第三章单片机系统主控功能总体设计 设计，人机交互界面默认参数为c 0 2 焊接方法。进入主菜单后，用户可以按下右 键沿焊接向导进行各类参数的设置，也可以沿纵向分支结构选择某一个特定的页 面进行操作。在焊接参数的设置上，本文所设计的人机交互界面充分发挥了数字 化焊接系统的优势，设置了参数预设页面和历史焊接参数页面，用户可以调用预 先设置好的参数，也可以调用以前焊接的历史参数，并且在焊接等待页面进行微 调。若直接进入焊接等待页面，此时将显示上一次焊接时的参数，人机交互系统 在每一次焊接结束时，会自动将此次焊接参数保存下来( 自动保存只保存最后一 次的参数) 。此外，人机交互界面还预留了一元化功能接口。选中一元化功能后， 当调节一个参数时，其他焊接参数会随之变化，给出一个参考值。设置完参数后， 利用焊接起停键可以控制焊接起停。在焊接开始后系统进入焊接现场页面，此时 焊接指示灯点亮，l c d 显示实时焊接参数，利用上、下键和旋钮可以对参数进行 调节，焊接结束后可以对参数进行保存。在焊接过程中如果发生故障，会进入焊 接故障页面，同时蜂鸣器发出报警声音，故障指示灯点亮。 人机交互界面的操作主要由菜单操作、参数设置操作和功能键操作组成，下 面以两个典型页面为例进行说明，其他页面的操作与此类似。图3 2 ( a ) 为主菜 单页面，在此页面中，按上、下键或者旋钮改变光标位置，选择不同的选项，然 后按确认键进入子菜单( 确认选项) ；按数字键可以直接进入对应的子菜单( 确 认对应选项) ；按退出键返回上一级菜单；按左键回到焊接向导前一页( 此页面 已经是最前的页面) ；按右键前进到焊接向导下一页。图3 - 2 ( b ) 为焊接等待页 面，在此页面中，按上下键可以改变光标位置，选择不同的选项：按数字键直接 输入参数( 适于在较大的范围内调整参数) ；旋钮用来对参数进行微调：光标处于 一元化行时，使用旋钮可以在打开和关闭两种状态之间进行切换；按确认键保存 预设的参数；按退出键返回上一级菜单：按左键回到焊接向导前一页；按下焊接 键开始焊接，进入焊接现场界面。 1 ，焊接向导 2 机器参数设置 3 、焊接参数界面 4 ，焊接准备界面 准备焊接 一元化关 电压：3 0 0v 丝速：3 5m m i n 基值电流：3 0 峰值电流：2 0 0 d 】d t ： 9 0 k a s 短路电流：2 0 0 a c a ) 主菜单页面 ( b ) 焊接等待页面 图3 2 人机交互典型页面 在本文所设计的人机交互系统中还增加了实时时钟页面，用于对实时时钟进 行调整、显示。实时时钟页面可以显示年、月、日、周、时、分、秒等时间信息， 第三章单片机系统主控功能总体设计 在保存历史记录时可以用于对历史时间做时阑标定。实时时钟页面在机器参数子 菜单内。 3 2 主控系统程序总体设计 3 2 1 单片机软件开发环境简介 本文使用i a re m b e d d e dw o r k b e n c hf o rm s p 4 3 0 ( 以下简称e w 4 3 0 ) 作为单 片枧系统的软件开发平台。e w 4 3 0 由i a r 公司研制的专门针对m s p 4 3 0 系列单 片机的软件开发平台，其功能非常强大，而鼠现在仍然以很快的速度更新版本。 它的基本特性为： 支持a n s ic 并包含对e m b e d d e dc + + 的支持，支持c 和汇编语言混翻编程； 支持3 2 位和繇链浮点数，支持硬件乘法器；内建m s p 4 3 0 特性扩展优化，内部 函数支持低功耗模式；必要时可用m a k e 重新编译、汇编和连接文件；w i n d o w s 风格的可视化用户界面，支持巍观的拖放功能，有超文本风格的操作功能；分层 次的项罄管理，并且w o r k b e n c h 匏所有工具都完全集成在起，以方便使耀。 e w 4 3 0 中集成了c s p y 调试器。c s p y 是一个针对嵌入式应用程序的、功 能强大的高级语言交互式调试器。它具有较多的菜单命令，对于经常用到的调试 操作提供了相应的工具按钮，为单片机的软件开发提供了极大的便利。c s p y 调 试器的工终方式鸯多释，可以忑作在模拟方式下( s i m u l a t i o n ) ；也可以经过j t a g 接口与目标硬件系统连接起来，工作在仿真方式下( e m u l a t i o n ) 。在模拟方式下， 目标系统的工作过程有调试主机以软件模拟来实现，用户可以通过各种不同类型 的窟臼来观察调试程序的运行过程，或者说，在霹标硬件系统产生之前已经可以 验证程序的设计思想和程序结构。而在仿真方式下，整个调试过程是在蟊标硬件 系统的真实运行下进行的，不仅可以验证设计思想和软件，还可以实际判断目标 系统的硬件设计，调试完成后产生的程序代码直接可以运行在最终的目标系统 土。 使用e w 4 3 0 对m s p 4 3 0 单片机进行程序设计开发的典型步骤如下： 第l 步：开始，对开发环境作配置； 第2 步：编辑c 源文件； 第3 步：编译c 源文謦； 第4 步：连接目标文件，包含调试选项； 第5 步：调试，如发现错误返回到第2 步，修改文件后继续进行； 第6 步：调试通过后，去撵调试选项，重蹶连接； 笔7 老肇瓣箨南释疆翻耪军le e p r o 爵f l 矗1 - 1 翻 第三章单砖机系统主控功能总体设计 除了第5 步在c s p y 环境中工作外，其余过程均在w o r k b e n c h 环境中。这 两个环境又是无缝连接镌，操作与切换都十分方便。 3 2 2 软件设计的模块化方法 2 8 , 2 9 】 模块化程序设计是一种组合复杂任务时避免混琵的程序设诗方法。当瑟对一 个复杂的处理对象时，要求对其处理过程按人类大脑容易理解的方式进行组织， 通过由整体到局部的层层分解，把一个复杂的问题分解为几个较为简单的问题再 分别加以解决。而且任何程序逻辑都可以只利用顺序、选择、循环三种基本结构 的耋复、组合、嵌套来实现，因此一个复杂的设计过程最终都可以转纯残模块化 程序。所谓模块化是指程序系统的结构单位，在语言环境中表现为子程序、过程、 函数等形式。在程序设计中，往往把一个大程序分割成一些模块，并把这些模块 按照层次关系进行组织，这样，设计大程序的抽象任务就化成了设计一个个模块 的具体任务。按照这种方法设计出来的程序结构好，各模块之闻的关系简单、每 个模块均由基本单元组成，各个模块相对独立，使程序清晰易懂，便于理解、调 试和维护。 模块优程序设计理念能否实现关键在于模块的划分是否合理。模块鳃划分有 两种基本的方法，即以数据为中心和以功能为中心。一般是按功能划分模块，把 完成相对独立功能的操作划分一个模块。在一个复杂系统的设计中，将一个大系 统分解为若干个功能模块，同样，对划分出来的模块又可以继续划分为几个下一 层模块，絮就不断向下扩展，壹到得裂每一功熊模块都是实现一个基本蘸功能为 此。上层的模块只是抽象地提出问题，说明“做什么”，当向下细化时，由抽象 逐渐变为具体，直到底层，才是对“怎么做 的细节描述。由顶层模块到底层模 块逐步细化，是越来越耩缨地描述“怎么徽”的过程。这样可以使入们在某一抽 象级上集中地考虑模块的结构，两不必急于考虑箕细节，从两保证程序层次鲜明， 逻辑清晰。 模块化的软件设计是程序可重用性、可扩展性的基础，所以本章的主要内容 之一就是考虑蠢蘸系统中所需瑟功能，按模块的愚想来规划整个软件系统翡设 计。对系统所应实现功能进行分析，并考虑到外部硬件设备，本文将底层软件按 功能分为以下几个模块：键盘和旋钮、l c d 显示、l e d 显示、蜂鸣器、f l a s h 内 部存储、i i c 总线协议、e e p r o m 外部存储、实时时钟、异步宰行通信( u a r t ) 、 模数转换、送丝p w m 生成，摇图3 3 所示。整个系统按照功能分层次进行实现， 其中每个部分完成各自部分的功能，所有源程序写在对应模块的c 文件中，而宏 定义、外部变量声明、函数声明保存在对应名称的h 头文件中。当一个模块( 如 a 模块) 需要使耀努一个模块( 懿b 模块 的黼数或者变量时，哭需要在a 模 第三章单片机系统主控功能总体设计 块中先引用b 模块的头文件bh 然后就可以根据需要直接调用b 模块中的函数 和变量，就好像这些函数和变量本来就写在a 模块中一样。 图3 - 3m c u 软件底层模块的组成结构图 例如在编写系统主函数的时候只需要在主函数头文件m a i nh 中引用各个功 能模块的头函数： # i n c l u d e ”k e y h ”鹏e 盘和旋钮模块 # i n c l u d e ”l c dh ” l c d 显示模块 # i n c l u d e ”i s l 6 4h “ l e d 显示模块 # i n c l u d e ”f l a s hh ” f l a s h 内部存储模块 # i n c l u d e ”2 4 c 2 5 6h ” e e p r o m 外部存储模块 这样就可以存主函数的任何部分调用已经写好的各个模块外部函数来实现 各种功能。 3 2 3 软件主程序设计 单片机系统所负责的功能有人机交互功能、焊接时序控制、通信、送丝控制 第三章单片机系统主控功能总体设计 等，其中人机交互功能是通过人机交互界面呈现绘操作者的，郎“前台 功能， 它贯穿于整个焊接操作的前后。藤焊接时序控制、通信、送丝控制等功能都楚依 靠操作者的操作，在人机交互的某一两个页面才需要调用并实现。因此，单片机 系统的主程序必将以人机交互界丽的实现为主体架构。在人机交互界面程序的总 框架下，在适当的页嚣和时机调用备底层程序模块，来实现单片机系统所负责鼹 其他功能。 对于本文所设计的人机交互系统而言，最终实现的系统界面都是由一个一个 的页面组成的，每个页面都用一个编号进行标识。对于不同的页面，其实现的 功能圈然不同，但是缝们的处理流程 却是相同的，即：首先根据页面编号 进入相应页面，然后依次检查键盘、 旋钮的输入以及该员面中的状态变量 的状态，懿果键盘旋钮有输入或者状 态变爨满足一定的条件，系统就会执 行相应的操作，最后更新l c d 的显示 内容。这个处理流程对所有的页露都 是适用的，因此将此流程专f i j 编写成 一个子函数：页面处理程序 m e n u d i s p l a y 0 。这样，主程序就会非 常篱洁：上电后首先进行系统初始仡， 然后就按l o o m s 的周期对页面进行扫 描和处理，即执行m e n u d i s p l a y 0 予函 数；只有当界面发生变化时，需要先 退出原来的页面，再初始纯薪页面， 清除当前屏幕后即可按照新的页面进 行扫描和处理。其程序流程如图3 _ 4 所示。源代码絮- f ： v o i dm a i n ( v o i d ) q 缈 主 系统初始化 瑟编 持原， 、 y 根据页面编号进入相应页面 检豢键盘并做相应操作 捡袁旋锺劳透孬超应撩臻 检查燮羹状态并进行掴殿操作 更新l c d 显示 圈3 4 系统主程序流程图 w d t c t l 。w d t p w w d t h o l d ； i n i t s y s o ；| | 裰强纯 w h i l e ( 1 ) i f ( d i s p l a y r e f r e s h 一1 ) 每l o o m s 刷薪次屡幕，执行一轮指令。 熏 n 一 第三章单片机系统主控功能总体设计 i f ( ( 1 a s t p a g e ! = p a g e ) t l ( 1 a s t s u b p a g e ! 一s u b p a g e ) ) m e n u q u i t o ；退出旧的页面 m e n u l n i t o ；初始化薪的页蠢 l a s t p a g e = p a g e ； l a s t s u b p a g e = s u b p a g e ； l c d _ c l e a r o ；清除屏幕 ； m e n u d i s p l a y o ；进入页面处理程序 d i s p l a y r e f r e s h = o ； ) ) 。 这里需要指出的是，l o o m s 的页面刷新周期对于人机交互操作以及焊接时序 控制是完全满足酶，至于通信帮送丝p w m 更新等对时闻要求比较严格的功能， 均利用中断完成，只是其开始和结束等操作放在主程序中执行。 3 3 本章小结 本章主要设计了人机交互系统操作界面，对其结构、工作流程、页面操作等 进行了详细的介绍；同时在对系统功能和硬件模块进行分析的基础上，利用模块 化思想瓣整个系统的软件结构进行了总体规捌，并阐述了主邈数流程，编写了主 函数源代码。 第四章单片机各主控功能的实现 第四章单