基于双处理器的点焊控制系统的硬件设计

1、    基于双处理器的点焊控制系统的硬件设计        冯 桑 黄石生 李远波 朱 时间:2008年08月11日     字 体: 大 中 小        关键词:        摘? 要: 针对点焊的控制特点,设计了一种基于双处理器的点焊控制系统。在该系统中,DSP模块负

2、责智能控制程序运算,MCU模块负责进行人机对话,而信号的输入输出则由独立的AD&IO模块负责。模拟试验表明,该硬件系统满足工作要求。关键词: 点焊控制? 双处理器? 硬件设计?点焊是将焊件装配成搭接接头,并压紧在两电极之间,利用电流通过焊件时产生的电阻热熔化母材金属,冷却后形成焊点的一种电阻焊方法。其通电加热时间一般为几至几十周波(一周波为0.02s),而电流有效值一般为几至几十kA。点焊是一个高度非线性、存在多变量耦合作用和大量随机不确定因素的过程,其形核处于封闭状态,时间极短,特征信号提取困难,控制难度较大。1 设计思想和总体方案近年来,智能控制技术正被积极地引入点焊控制研究领域,

3、但由于其算法高度复杂、计算密集,因此对系统的实时性要求越来越高。另一方面,DSP(数字信号处理器)技术的蓬勃发展,使得其在工业控制领域的应用越来越广泛。因此在本设计中,使用DSP作核心处理器,充分发挥其运算速度快的优势,并尝试利用多种智能控制算法对点焊进行质量控制,以提高焊点的质量和可靠性。在实际工作中,点焊需要设置的参数较多,操作者不得不依赖于各种手册、说明书和/或专家编制的工艺文件来进行设置;而且在选定参数之后,往往还需要通过一系列的旋钮、按钮等开关进行设置,操作复杂,容易造成混乱。因此在本设计中,应用MCU(单片机)实现人机对话功能。通过键盘输入和液晶显示,既充分体现了数字化控制的优势,

4、也有助于实现点焊专家系统。由于点焊系统工作在大电流、强磁场的环境下,因此控制系统的抗干扰问题尤为重要,且DSP的工作频率高,所以将信号的输入、输出部分和DSP、MCU模块分开,设计独立的AD&IO模块。系统的总体方案如图1所示。?2 DSP模块的设计本系统选用了DSK-TMS320VC5402芯片作控制核心。DSK是TI公司提供的一套标准的DSP开发平台,其目的是令使用者能较快地开发和应用基于DSP的系统,为最终的目标系统提供软、硬件设计参考模板。有关DSK的具体说明请参阅有关的技术资料。DSK提供了存储器接口和外围设备接口两列扩展接口。根据“灰箱法”的设计思想,不用完全理解DSK的内

5、部原理,只需在对其整体有一个基本了解的基础上,选择可能要用到的信号即可。因此专门设计了一块转接板,作为外围电路与DSK之间通讯的桥梁。从DSK中引出了26个信号,如表1所示。?3 AD&IO模块的设计3.1 A/D转换电路A/D转换器的选取主要考虑所采集的模拟信号的数量、精度及与DSP的速度匹配等,综合考虑后,选用TI公司生产的12位4通道高速AD-TLV2544。? 本设计中A/D转换电路分为三部分:第一部分由5.1V的稳压二极管及滤波电容103组成,构成模拟输入部分;第二部分由TLV2544组成,完成A/D转换;第三部分由八相缓冲器74LS244组成,完成DSP与TLV2544之间

6、的通讯,如图2所示。?3.2 输入和输出电路?在输入电路中使用了缓冲器74LS244,以增强线驱动能力,如图3所示。假设第二路输入为低电平,则光隔不导通,A2也为低电平。DSP要读取它的时候,先给输入一个低电平,然后用02H(即00000010)去线与,判断Y2的值是否为1,如果不为1则不读入,反之读入。其它输入也是这样来处理。4 MCU模块的设计4.1 MCU扩展系统?4.2 人机接口在本设计中,键盘包括“09”、“.”、“确认”、“上翻”、“下翻”、“取消”、“暂停”等共16个键位,故采用4×4的矩阵式方案。矩阵式键盘由行线和列线组成,按键设置在行、列线的交点上。行、列线分别连接

7、到按键开关的两端。行线通过上拉电阻接到+5V上。无按键动作时,行线处于高电平;而当有键按下时,行线电平状态将由与此行线相连的列线电平决定。列线电平如果为低,则行线电平为低;列线电平为高,则行线电平为高。从而可以识别出按键是否按下。键盘电路主要由单片机的P0口、八相反相缓冲器74LS240、锁存器74LS273以及一些上拉电阻组成。P0口用作数据线,八相反相缓冲器74LS240缓冲行线的信号,锁存器74LS273锁存从P0口送给列线的信号。对八相反相缓冲器74LS240所缓冲的行线的值的读取是通过译码器74LS138输出的译码信号G5来控制的,其读地址为BFFFH;而对锁存器74LS273的控制

8、则是通过译码器输出的G6来控制的,对列的写地址为DFFFH。在本设计中选用的液晶显示器是信利公司的MG-12232-5。该液晶显示器带背光及温度补偿功能,左右有主、从两个控制器SED1520,上下分4页。汉字显示采用12×12点阵,数字、符号显示采用12×6点阵。每个汉字占24字节,数字、符号占12字节,均烧入程序存储器。液晶显示电路的工作原理为:由MCU通过P1口向液晶显示器的数据线DB口输出显示数据和控制指令,通过P3口向液晶显示器输出对E1、E2、A0、RST端口的控制字。液晶显示器的E1、E2、A0、RST口信号分别为主控制器读写使能信号、从控制器使能信号、显示或指

9、令选择信号以及复位信号。使用液晶显示器首先需要进行初始化,使其工作在规定的方式中。液晶初始化包括:复位、休闲状态设置、设置占空比、排序设置、设置显示起始行、开显示、自动显示的方向设置等。这些命令在操作中都是作为指令写入控制器的。然后再将要显示的汉字或字符数据送给液晶显示器,液晶显示器即可按控制字的要求进行显示。4.3 MCU与DSP的通讯该通讯电路由三片缓冲器74LS244(U6001、U6002及U6008、MCU的P0口以及DSP的X_D07口组成,如图5、图6所示。各缓冲器的控制信号由译码器138的输出G1、G2、G3、G4组成。其中,U6001负责将MCU的数据送到DSP,U6002负责将DSP的数据送到MCU,而U6008则负责发送MCU与DSP之间的通讯请求和确认信号。?DSP向MCU发送数据的过程为:DSP将数据通过X_D07口输出至缓冲器U6002,同时由X_XF发送通讯请求信号至MPU的P00口,MCU检测到该信号后,读取缓冲器U6002的数据,然后通过P02口发给DSP一个确认信号。MCU向DSP发送数据的过程与上相似。模拟试验表明,本文介绍的硬件系统可以满足工作要求,为下一步的研究提供了良好的平台。作者试运行了电流有效值的神经网络求解和可