CN101051224A

CN101051224A - 微束等离子焊的数字化人机交互系统

Info

Publication number: CN101051224A
Application number: CN 200610075063
Authority: CN
Inventors: 何建萍; 黄晨; 焦馥杰
Original assignee: Shanghai University of Engineering Science
Current assignee: Shanghai University of Engineering Science
Priority date: 2005-12-09
Filing date: 2006-03-31
Publication date: 2007-10-10
Anticipated expiration: 2026-03-31
Also published as: CN100511050C

Abstract

一种微束等离子焊机的菜单式人机交互系统，采用DSP数字信号处理器(美国TI公司的DSP芯片TMS320F240)与单片机处理器(Atmel公司的单片机芯AT89C2051)，并由DSP芯片TMS320F240接受操作者通过键盘发出的指令，作为焊机的操作指令系统；单片机处理器控制显示器的输出。采用字符液晶显示模块(香港精电公司的字符液晶显示模块MGLS16465)作为显示器采用，利用该模块的字既进行参数数值显示，也进行微束等离子焊接过程信息显示。由于利用简单的四个键组合进行指令设定和液晶显示构成菜单式的人机交互系统的外在界面、借助菜单界面搜索软件的功能与操作方法，使人机交互界面数字化，既直观也易操作。

Description

微束等离子焊的数字化人机交互系统

技术领域

本发明涉及一种微束等离子焊的数字化人机交互系统，属于成型技术中焊接设备及方法类技术领域。是一种工作现场人机之间的相互联络系统，尤其适用于微束等离子焊机上电后与人之间的相互交互过程控制。

背景技术

90年代以来，有关焊机的数字化研究越来越多，并逐步成为焊接电源的主要发展方向之一。数字化微束等离子焊机包括数字化的电源主电路、数字化的控制系统和数字化的人机交互系统，其中，人机交互系统是数字化焊接电源的外在表现。

人机交互系统是人机最直接的操作界面，是操作者向CPU输入信息、发出指令及观察现场参数和信息的窗口，必须具有友好性、灵活性、功能性、明确性、一致性、可靠性等特点。焊机的人机交互可分为焊前准备的人机交互和焊接过程中的人机交互，为过程控制现场的人机交互情况。

目前，公知的这种人机交互方式有三种：问答式对话、菜单交互和功能键。问答式对话效率不高，速度慢，灵活性差，修改扩充不方便；使用功能键时功能键定义带任意性，缺少标准化，这种不标准或不一致的功能键定义会引起记忆和操作上的麻烦，如果系统功能过多，则需要过多的功能，需要增加功能键数，也就容易引起混淆；而菜单交互方式易学易用，它是由系统驱动的，能大大减轻用户的记忆量，用户可以借助菜单界面搜索软件的功能与操作方法，很快学会掌握新系统。在菜单界面中，用户选择菜单的输入量少，不易出错，而且菜单的实现也较容易。菜单的使用对象是要熟悉系统的功能又缺少计算机经验的用户。

国外已有焊机将液晶显示和键盘操作相结合，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，如奥地利Fronius公司的TransSynergic4000/5000及TransPuls Synergic 2700/4000/5000全数字化焊机，具有脉冲MIG、直流MIG、手弧焊、TIG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MK(Mike Kensrue)产品集团公司的MK CobraTig 150焊机，具有用户友好的LCD(Liquid Crystal Display)编程界面；美国Miller公司基于微处理器控制的Automatic-M型焊机，可在一个人机界面上进行MIG、脉冲MIG和自适应的脉冲MIG焊。上述焊机均是基于微处理器，由键盘设置功能和参数、通过LCD显示的人机界面，并以功能键的人机交互方式为主。

国内有关焊接电源的MCU或MPU控制，多局限于控制系统，尚未有详尽的有关人机交互系统数字化的研究和报道。

发明内容

本发明的目的旨在：针对现有焊接过程人机交互系统的缺陷，设计提供一种先进而易学、易用的微束等离子焊数字化人机交互系统。一方面可使焊工在对焊机进行操作时，不必记忆人机交互过程的具体繁杂步骤，只需了解系统的功能，并在系统的指导下进行操作，就可较好地完成人机交互过程；另一方面使之更适应于全方位的焊接设备的数字化，面向用户、面向操作过程，使人——焊机——焊接现场构成一体机的整体；并为焊接设备将来能有效地与数字技术、通信技术、信息技术的进一步结合，使之成为具有更高技术含量和适用性的先进设备创造技术支持。

为实现这样的目的，本发明的技术方案中采用了Atmel公司的单片机处理器芯片AT89C2051和美国TI公司的DSP数字信号处理器芯片TMS320F240，由焊机中的DSP数字信号处理器接受操作者通过键盘发出的指令，作为焊机的操作指令系统；单片机处理器控制显示器的输出。显示器采用香港精电公司(VARITRONIX)的内置HD44780(HITACHI公司)控制驱动器的字符液晶显示模块MGLS16465，利用该模块的字既进行参数数值显示，也进行微束等离子焊焊接过程信息显示。

微束等离子焊焊接过程的人机交互图，包括“菜单”1、“确认”2、“前移”3、“后移”4四个键及友好界面5、菜单界面6、参数预置界面7、参数修改界面8、焊接等待界面9、焊接现场界面10六个显示界面；菜单界面中有三个选项：预置选项12、焊接选项13、退出选项14，通过“前移”3、“后移”4键移动光标进行选择，当光标在预置选项12位置时按下“确认”2键，系统进入参数预置界面7；当光标在焊接选项13位置时按下“确认”2键，系统进入焊接等待界面9；当光标在退出选项14位置时按下“确认”2键，系统回到友好界面5。

在焊接过程操作过程中，设置了八个参数：预气时间、延气时间、电流上升时间、电流下降时间、引弧电流、初始焊接电流、焊接电流、终止焊接电流；在参数预置界面7，通过“前移”3、“后移”4键选择参数，显示相应参数的提示页，当某一参数选择之后按下“确认”2键，进入参数修改界面8，用“前移”3、“后移”4键进行该参数的设置，当该参数设置完后再按“确认”2键，可回到参数预置界面7，继续通过“前移”3、“后移”4键选择其它参数进行设置，直到所需的参数均预置完后，按“菜单”1键可回到菜单界面6；在焊接等待界面9，当可靠检测到焊枪合上时，则系统进入焊接现场界面10，这时人机交互系统一方面动态显示焊接过程的各阶段及相应阶段的现场主要参数，另一方面通过“前移”3、“后移”4键修改焊接现场的焊接电流值，直到焊接过程结束时，系统回到友好界面5。

微束等离子焊机人机交互系统的硬件主要包括键盘指令检测部分、微束等离子焊焊接过程现场参数检测部分、参数传递部分及参数驱动显示部分四部分；键盘指令检测部分是DSP数字信号处理器15经键盘接口16对菜单操作键盘17进行扫描和检测，将检测到的键盘指令进行处理，形成相应的指令代码；微束等离子焊焊接过程现场参数检测部分是DSP数字信号处理器15经焊接过程检测元件18对微束等离子焊机焊接回路19进行焊接电流和焊接电压的检测；参数传递部分是DSP数字信号处理器15经过通信线20将检测到的焊接电流电压及已处理好的键盘指令代码传递给单片机处理器21，指令代码中包括界面信息和微束等离子焊焊接过程信息，单片机处理器21对接收到的界面信息、焊接过程信息及焊接电流电压进行组合处理；参数驱动显示部分则是在控制线23的控制下，由单片机处理器21在相应的位置将组合处理好的内容经驱动线22传送到由液晶显示控制模块24和液晶显示屏25组成的图形液晶模块26去进行相应的界面显示和微束等离子焊焊接过程信息的动态显示；单片机处理器21的每次对图形液晶模块26的驱动控制显示都是对前一次显示内容的刷新；这样，人通过键盘向微束等离子焊机的DSP数字信号处理器15发出指令、DSP数字信号处理器15将指令和现场参数(焊接电流和焊接电压)传送给单片机处理器21、再经单片机处理器21驱动控制图形液晶模块26去显示供人观察，这样一个连续不断的交互过程，实现了微束等离子焊接过程的人机交互系统。

微束等离子焊机人机交互程序主要分初始化、人机交互两个过程；初始化包括系统初始化27及向单片机处理器发送友好界面显示信息28两个过程，其中系统初始化27包括通信初始化和数据采集初始化等准备工作，向单片机处理器21发送友好界面显示信息28过程则是人机交互过程的开始；DSP数字信号处理器主控的人机交互过程的主要任务之一是不断进行键盘扫描29，一直到键按下30为止，当有键按下30时，进行键判断31，根据不同的键，进行相应的键值处理，并根据要求，控制单片机处理器21进行显示界面的切换：是“菜单”键32时，向单片机处理器21发送显示菜单界面信息33去显示菜单界面6，然后回到键盘扫描29；是“前移”键34时，首先进行界面判断35，再进行“前移”键处理36，然后根据键处理的结果向单片机处理器21发送相应界面信息和焊接现场参数37，最后回到键盘扫描29；是“后移”键38时，同样先进行界面判断39，再进行“后移”键处理40，然后根据键处理的结果向单片机处理器21发送相应界面信息和焊接现场参数37，最后回到键盘扫描29；是“确认”键41时，也先进行界面判断42，根据原界面的情况进行界面切换43，然后向单片机处理器21发送相应界面信息和焊接现场参数37，最后回到键盘扫描29；并且上述人机交互过程中的界面判断35、39、41是对当前键操作下系统处于菜单界面6、参数预置界面7、参数修改界面8和焊接现场界面10这四个界面之中的哪一个界面的判断，因为这四个界面中的“前移”3键、“后移”4键和“确认”2键的操作含义不同。

本发明由于利用DSP数字信号处理器TMS320F240芯片各种丰富的算法软件程序，数字信号处理技术，进行快速的现场信息处理，完备的控制规律实现，同时，利用其优越的片内外围接口，完成与复杂的微束等离子焊接设备的接口和通讯和实现完善的人机交互系统。并使微束等离子焊接过程提升到了自适应控制和自学习过程的智能化控制的高度上；此外利用简单的四个键组合进行指令设定和液晶显示构成菜单式的人机交互系统的外在界面，大大减轻用户的记忆量，借助菜单界面搜索软件的功能与操作方法，很快掌握新系统；使人机交互界面数字化，更直观和更趋信息化。这种菜单式的数字化人机交互技术在焊接设备及方法技术领域中很少开发应用，因此该开发成果在焊接领域具有一定的先进性和前沿性。

附图说明

附图1为微束等离子焊焊接过程的人机交互图；

附图2为DSP数字信号处理器与单片机处理器通信的微束等离子焊机人机交互系统的硬件结构框图；

附图3为DSP数字信号处理器与单片机处理器通信的DSP数字信号处理器主控的微束等离子焊机人机交互的程序结构图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案作进一步的详细描述。

图1为本发明基于微束等离子焊焊接过程的人机交互图。包括“菜单”1、“确认”2、“前移”3、“后移”4四个键及友好界面5、菜单界面6、参数预置界面7、参数修改界面8、焊接等待界面9、焊接现场界面10六个显示界面。开机11时，系统首先显示友好界面5，并监测键盘操作，当检测“菜单”键1按下，则系统进入菜单界面6。根据微束等离子焊机工作过程，菜单界面中有三个选项：预置选项12、焊接选项13、退出选项14，通过“前移”3、“后移”4键移动光标进行选择，当光标在预置选项12位置时按下“确认”2键，系统进入参数预置界面7；当光标在焊接选项13位置时按下“确认”2键，系统进入焊接等待界面9；当光标在退出选项14位置时按下“确认”2键，系统回到友好界面5。

根据焊接过程所需参数的个数，参数预置有相应的页数。本发明根据微束等离子焊焊接过程的需要，设置了八个参数：预气时间、延气时间、电流上升时间、电流下降时间、引弧电流、初始焊接电流、焊接电流、终止焊接电流。在参数预置界面7，通过“前移”3、“后移”4键选择参数，显示相应参数的提示页，当某一参数选择之后按下“确认”2键，进入参数修改界面8，用“前移”3、“后移”4键进行该参数的设置，当该参数设置完后再按“确认”2键，可回到参数预置界面7，继续通过“前移”3、“后移”4键选择其它参数进行设置，直到所需的参数均预置完后，按“菜单”1键可回到菜单界面6。在焊接等待界面9，当可靠检测到焊枪合上时，则系统进入焊接现场界面10，这时人机交互系统一方面动态显示焊接过程的各阶段及相应阶段的现场主要参数，另一方面通过“前移”3、“后移”4键修改焊接现场的焊接电流值，直到焊接过程结束时，系统回到友好界面5。

图2为本发明中基于DSP数字信号处理器与单片机处理器通信的微束等离子焊机人机交互系统的硬件结构框图。系统的硬件主要包括键盘指令检测部分、微束等离子焊焊接过程现场参数检测部分、参数传递部分及参数驱动显示部分四部分。键盘指令检测部分是DSP数字信号处理器15经键盘接口16对菜单操作键盘17进行扫描和检测，将检测到的键盘指令进行处理，形成相应的指令代码。微束等离子焊焊接过程现场参数检测部分是DSP数字信号处理器15经焊接过程检测元件18对微束等离子焊机焊接回路19进行焊接电流和焊接电压的检测。参数传递部分是DSP数字信号处理器15经过通信线20将检测到的焊接电流电压及已处理好的键盘指令代码传递给单片机处理器21，指令代码中包括界面信息和微束等离子焊焊接过程信息，单片机处理器21对接收到的界面信息、焊接过程信息及焊接电流电压进行组合处理。参数驱动显示部分则是在控制线23的控制下，由单片机处理器21在相应的位置将组合处理好的内容经驱动线22传送到由液晶显示控制模块24和液晶显示屏25组成的图形液晶模块26去进行相应的界面显示和微束等离子焊焊接过程信息的动态显示；单片机处理器21的每次对图形液晶模块26的驱动控制显示都是对前一次显示内容的刷新。这样，人通过键盘向微束等离子焊机的DSP数字信号处理器15发出指令、DSP数字信号处理器15将指令和现场参数(焊接电流和焊接电压)传送给单片机处理器21、再经单片机处理器21驱动控制图形液晶模块26去显示供人观察，这样一个连续不断的交互过程，实现微束等离子了焊接过程的人机交互系统。

焊接过程参数波形的动态液晶显示过程是由DSP数字信号处理器15通过启/停线11向单片机处理器21发出启停信号来启动和停止。

图3为本发明中基于DSP数字信号处理器与单片机处理器21通信的DSP数字信号处理器主控的微束等离子焊机人机交互的程序结构图。该软件程序主要分初始化、人机交互两个过程。初始化包括系统初始化27及向单片机处理器发送友好界面显示信息28两个过程，其中系统初始化27包括通信初始化和数据采集初始化等准备工作，向单片机处理器发送友好界面显示信息28过程则是人机交互过程的开始。DSP数字信号处理器主控的人机交互过程的主要任务之一是不断进行键盘扫描29，一直到键按下30为止。当有键按下30时，进行键判断31，根据不同的键，进行相应的键值处理，并根据要求，控制单片机处理器进行显示界面的切换：是“菜单”键32时，向单片机处理器21发送显示菜单界面信息33去显示菜单界面6，然后回到键盘扫描29；是“前移”键34时，首先进行界面判断35，再进行“前移”键处理36，然后根据键处理的结果向单片机处理器21发送相应界面信息和焊接现场参数37，最后回到键盘扫描29；是“后移”键38时，同样先进行界面判断39，再进行“后移”键处理40，然后根据键处理的结果向单片机处理器21发送相应界面信息和焊接现场参数37，最后回到键盘扫描29；是“确认”键41时，也先进行界面判断42，根据原界面的情况进行界面切换43，然后向单片机处理器21发送相应界面信息和焊接现场参数37，最后回到键盘扫描29。

上述人机交互过程中的界面判断35、39、41是对当前键操作下系统处于菜单界面6、参数预置界面7、参数修改界面8和焊接现场界面10这四个界面之中的哪一个界面的判断，因为这四个界面中的“前移”3键、“后移”4键和“确认”2键的操作含义不同。

本发明的最突出优点在于利用DSP数字信号处理器TMS320F240各种丰富的算法软件程序，数字信号处理技术，进行快速的现场信息处理，完备的控制规律实现，同时，利用其优越的片内外围接口，完成与复杂的微束等离子焊接设备的接口和通讯和实现完善的人机交互系统。并使微束等离子焊接过程提升到了自适应控制和自学习过程的智能化控制的高度上，在较大程度上使由它控制的微束等离子焊机具有先进、新颖、和高档次。鉴于该技术在焊接设备及方法技术领域中很少开发应用，因此该开发成果在焊接领域具有一定的先进性和前沿性。

本发明的最突出优点在于：一方面利用简单的四个键组合进行指令设定和液晶显示构成菜单式的人机交互系统的外在界面，大大减轻用户的记忆量，借助菜单界面搜索软件的功能与操作方法，很快掌握新系统；另一方面利用简单的单片机处理器AT89C2051的控制驱动能力和通信能力，快速与TMS320F240通信接收显示界面信息和数据信息后，单独进行对液晶显示模块的驱动控制工作，DSP数字信号处理器只在开始的人机交互过程中进行键盘扫描的工作，正式的焊接过程中则不进行键盘扫描的工作，只将焊接现场的参数定时地快速传递给单片机处理器，因此人机交互过程在焊接过程中几乎不占有DSP数字信号处理器的资源，可使DSP数字信号处理器高实时性地进行微束等离子焊过程控制和优化的控制规律实现。更进一步这种人机交互系统则是全数字化微束等离子焊机的一个组成部分，使人机交互界面数字化，更直观和更趋信息化。鉴于这种菜单式的数字化人机交互技术在焊接设备及方法技术领域中很少开发应用，因此该开发成果在焊接领域具有一定的先进性和前沿性。

Claims

1、一种微束等离子焊机的菜单式人机交互系统，其特征在于：它采用Atmel公司的单片机处理器芯片AT89C2051和美国TI公司的DSP芯片TMS320F240，由焊机中的DSP数字信号处理器接受操作者通过键盘发出的指令，作为焊机的操作指令系统；单片机处理器控制显示器的输出。显示器采用香港精电公司(VARITRONIX)的内置HD44780(HITACHI公司)控制驱动器的字符液晶显示模块MGLS16465，利用该模块的字既进行参数数值显示，也进行微束等离子焊焊接过程信息显示。

2、如权利要求1所述一种微束等离子焊机菜单式人机交互系统，其特征在于：微束等离子焊机的焊接过程的人机交互图，包括“菜单”(1)、“确认”(2)、“前移”(3)、“后移”(4)四个键及友好界面(5)、菜单界面(6)、参数预置界面(7)、参数修改界面(8)、焊接等待界面(9)、焊接现场界面(10)六个显示界面；菜单界面中有三个选项：预置选项(12)、焊接选项(13)、退出选项(14)；通过“前移”(3)、“后移”(4)键移动光标进行选择，当光标在预置选项(12)位置时按下“确认”(2)键，系统进入参数预置界面(7)；当光标在焊接选项(13)位置时按下“确认”(2)键，系统进入焊接等待界面(9)；当光标在退出选项(14)位置时按下“确认”(2)键，系统回到友好界面(5)。

3、如权利要求1所述一种微束等离子焊机菜单式人机交互系统，其特征在于：在焊接过程操作过程中，设置了八个参数：预期时间、延期时间、电流上升时间、电流下降时间、引弧电流、初始焊接电流、焊接电流、终止焊接电流；在参数预置界面(7)，通过“前移”(3)、“后移”(4)键选择参数，显示相应参数的提示页，当某一参数选择之后按下“确认”(2)键，进入参数修改界面(8)，用“前移”(3)、“后移”(4)键进行该参数的设置，当该参数设置完后再按“确认”(2)键，可回到参数预置界面(7)，继续通过“前移”(3)、“后移”(4)键选择其它参数进行设置，直到所需的参数均预置完后，按“菜单”(1)键可回到菜单界面(6)；在焊接等待界面(9)，当可靠检测到焊枪合上时，则系统进入焊接现场界面(10)，这时人机交互系统一方面动态显示焊接过程的各阶段及相应阶段的现场主要参数，另一方面通过“前移”(3)、“后移”(4)键修改焊接现场的焊接电流值，直到焊接过程结束时，系统回到友好界面(5)。

4、如权利要求1所述一种微束等离子焊机菜单式人机交互系统，其特征在于：微束等离子焊机人机交互系统的硬件主要包括键盘指令检测部分、微束等离子焊焊接过程现场参数检测部分、参数传递部分及参数驱动显示部分四部分；键盘指令检测部分是DSP数字信号处理器(15)经键盘接口(16)对菜单操作键盘(17)进行扫描和检测，将检测到的键盘指令进行处理，形成相应的指令代码；微束等离子焊焊接过程现场参数检测部分是DSP数字信号处理器(15)经焊接过程检测元件(18)对微束等离子焊机焊接回路(19)进行焊接电流和焊接电压的检测；参数传递部分是DSP数字信号处理器(15)经过通信线(20)将检测到的焊接电流电压及已处理好的键盘指令代码传递给单片机处理器(21)，指令代码中包括界面信息和微束等离子焊焊接过程信息，单片机处理器(21)对接收到的界面信息、焊接过程信息及焊接电流电压进行组合处理；参数驱动显示部分则是在控制线(23)的控制下，由单片机处理器(21)在相应的位置将组合处理好的内容经驱动线(22)传送到由液晶显示控制模块(24)和液晶显示屏(25)组成的图形液晶模块(26)去进行相应的界面显示和微束等离子焊焊接过程信息的动态显示；单片机处理器(21)的每次对图形液晶模块(26)的驱动控制显示都是对前一次显示内容的刷新；这样，人通过键盘向微束等离子焊机的DSP数字信号处理器(15)发出指令、DSP数字信号处理器(15)将指令和现场焊接电流和焊接电压参数传送给单片机处理器(21)、再经单片机处理器(21)驱动控制图形液晶模块(26)去显示供人观察，这样一个连续不断的交互过程，实现了微束等离子焊焊接过程的人机交互系统。

5、如权利要求1所述一种微束等离子焊机菜单式人机交互系统，其特征在于：微束等离子焊机人机交互程序主要分初始化、人机交互两个过程；初始化包括系统初始化(27)及向单片机处理器发送友好界面显示信息(28)两个过程，其中系统初始化(27)包括通信初始化数据采集初始化等准备工作，向单片机处理器(21)发送友好界面显示信息(28)过程则是人机交互过程的开始；DSP数字信号处理器主控的人机交互过程的主要任务之一是不断进行键盘扫描(29)，一直到键按下(30)为止，当有键按下(30)时，进行键判断(31)，根据不同的键，进行相应的键值处理，并根据要求，控制单片机处理器(21)进行显示界面的切换：是“菜单”键(32)时，向单片机处理器(21)发送显示菜单界面信息(33)去显示菜单界面(6)，然后回到键盘扫描(29)；是“前移”键(34)时，首先进行界面判断(35)，再进行“前移”键处理(36)，然后根据键处理的结果向单片机处理器(21)发送相应界面信息和焊接现场参数(37)，最后回到键盘扫描(29)；是“后移”键(38)时，同样先进行界面判断(39)，再进行“后移”键处理(40)，然后根据键处理的结果向单片机处理器(21)发送相应界面信息和焊接现场参数(37)，最后回到键盘扫描(29)；是“确认”键(41)时，也先进行界面判断(42)，根据原界面的情况进行界面切换(43)，然后向单片机处理器(21)发送相应界面信息和焊接现场参数(37)，最后回到键盘扫描(29)；并且上述人机交互过程中的界面判断(35、39、41)是对当前键操作下系统处于菜单界面(6)、参数预置界面(7)、参数修改界面(8)和焊接现场界面(10)这四个界面之中的哪一个界面的判断，因为这四个界面中的“前移”(3)键、“后移”(4)键和“确认”(2)键的操作含义不同。