CN103480944A - 一种大功率双丝脉冲mig焊电源数字化人机交互系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大功率双丝脉冲MIG焊电源数字化人机交互系统,包括硬件部分和软件部分,所述硬件部分包括DSP最小系统模块、液晶显示模块、触摸控制模块、RAM数据存储模块、EEPROM数据存储模块、实时时钟模块、SCI通信模块,该DSP最小系统模块分别与液晶显示模块、触摸控制模块、RAM数据存储模块、EEPROM数据存储模块、实时时钟模块、SCI通信模块一一对应相接,同时,该SCI通信模块与下位机电源控制器连接;所述软件部分包括各外围器件的驱动程序的开发、基于RS232总线的多机通信设计以及人机界面的操作菜单设计。本发明能够实现大功率双丝脉冲MIG焊焊接参数的精确给定、显示、存储和调用,具有体积小、重量轻、操作简单等优点。
Description
技术领域
本发明涉及焊接电源数字化技术的技术领域,尤其是指一种大功率双丝脉冲MIG焊电源数字化人机交互系统。
背景技术
业内习知,高效化焊接工艺创新和装备创新是焊接技术创新的重要支撑之一,高效化焊接主要表现在两个方面:一是薄板焊接时焊接速度的大幅提高;二是厚板焊接时熔敷效率的大幅提升。而要实现对大厚板高效化焊接,关键在于焊接电流的进一步提高,比如采用大功率双丝高效焊接工艺及装备。大功率双丝自动焊接技术是高效化焊接的一种主要方式,同常规630A以下双丝自动焊接技术相比,具有明显的优点。由于采用粗焊丝(直径2.0以上)在大电流(单丝1000A以上)热作用下产生的熔滴量大,熔池宽而深,能很快填满大厚板焊件的坡口,大功率双电弧共同在一个熔池上燃烧,总的热输入远大于传统双丝焊热输入,易于实现一次成型焊接,而传统双丝焊往往需要几至几十道、层焊缝才能填满大厚板焊接坡口,因此可以大大提高焊接速度和熔敷效率。
焊接电源的模拟控制技术经过多年的发展已经很成熟,但是模拟控制系统最大的缺点是元器件数量多,控制系统的参数由电阻、电容等分立元件的参数决定,进行复杂处理的能力有限,控制系统的调试复杂、灵活性差;同时电容、电阻的参数分布影响控制系统的一致性,参数的稳定性差,如温度漂移影响控制系统的稳定性;此外因硬件实现上的局限性,控制算法仅能采用传统的PID调节等方法,一些先进的控制算法无法用模拟电路实现或实现起来非常困难而不能采用。
目前,随着数字信号处理技术的迅速发展,数字化控制技术的需求与日俱增,在工程领域、工业生产、军事、医学以及科学研究中的应用日益普遍。在焊接领域,为了满足国内外市场的需求,数字化焊接电源控制系统应运而生,特别是弧焊逆变电源的数字化控制技术,使原有的逆变电源更可靠,性能更好,功能更全。焊接电源的数字化包括三大部分:焊接电源主电路的数字化、控制系统的数字化和人机交互界面的数字化。逆变技术的应用实现了电源主电路的数字化,由此使电源的性能发生革命性的进步;单片机、DSP和ARM等嵌入式系统的应用实现了控制系统的数字化。大功率双丝脉冲MIG焊电源数字化主要有两个目的:一是使用数字化技术迅速解决大功率双丝脉冲MIG焊电源自身问题;二是用数字化技术提升大功率双丝脉冲MIG焊电源的功能,满足先进制造技术的需求。我国在数字化控制的焊机方面与国外的差距还很大。为了实现大功率双丝脉冲MIG焊电源多参数的精确给定、记忆与显示问题,有必要设计一种大功率双丝脉冲MIG焊电源数字化人机交互系统。
由此可见,现有的焊接电源人机交互系统技术,主要有以下几个方面的缺点:
(1)主要通过电位器模拟给定,不能实现精确的数字化给定。
(2)对大功率双丝脉冲MIG焊电源多参数不能存储和调用。
(3)抗干扰能力不够好,不能保证在大功率焊接强烈的弧光、强电磁场环境中可靠工作。
例如专利号为:200810042932.7,名称为:“全数字化数控逆变焊机”的发明专利,该发明专利虽然采用了ARM数字化控制技术,但是人机界面的液晶显示模块只是显示焊接工况和历史记录等信息,因而存在上述缺陷。
再如现有技术文献资料中的“基于ARM和Linux的埋弧焊自动控制系统人机界面设计”(张文明,鞠洪涛,刘鸿钧.金属铸锻焊技术,2011.10)是基于ARM和Linux的埋弧焊控制系统人机界面,虽然该人机界面能够实现对焊接参数进行监视、记录和保存等功能,但只是针对埋弧焊,不是大功率双丝脉冲MIG焊。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足,提供一种大功率双丝脉冲MIG焊电源数字化人机交互系统,该人机交互系统以DSP芯片为控制核心,利用DSP丰富的内部资源以及外部液晶屏、触摸屏、RAM、EEPROM、实时时钟和SCI通信等相关模块完成系统的各项功能,实现大功率双丝脉冲MIG焊焊接参数的精确给定、显示、存储和调用。
为实现上述目的,本发明所提供的技术方案为:一种大功率双丝脉冲MIG焊电源数字化人机交互系统,包括硬件部分和软件部分,所述硬件部分包括DSP最小系统模块、液晶显示模块、触摸控制模块、RAM数据存储模块、EEPROM数据存储模块、实时时钟模块、SCI通信模块,该DSP最小系统模块分别与液晶显示模块、触摸控制模块、RAM数据存储模块、EEPROM数据存储模块、实时时钟模块、SCI通信模块一一对应相接,同时,该SCI通信模块与下位机电源控制器连接;所述软件部分包括各外围器件的驱动程序的开发、基于RS232总线的多机通信设计以及人机界面的操作菜单设计。
所述DSP最小系统模块包括有型号为TMS320LF2407A的DSP芯片、型号为TPS7333Q的电源转换芯片、有源晶振、JTAG插座,其中,所述电源转换芯片分别与DSP芯片的3.3V电源输入引脚及复位引脚连接,将外部供电电源+5V电平转换成DSP芯片的+3.3V电平;有源晶振与DSP芯片的外部晶振输入引脚XTAL1连接,为DSP芯片提供时钟信号,同时,该DSP芯片内部经过倍频后得到主频;JTAG插座与DSP芯片的JTAG接口引脚连接,且用于烧写程序时与仿真器连接。
所述液晶显示模块采用320×240图形点阵液晶显示屏,并且内嵌RA8835液晶显示控制器,能实时显示焊接参数。
所述触摸控制模块采用电阻式触摸屏和型号为ADS7843的触摸控制接口芯片,实现触摸按键功能,输入焊接给定参数。
所述RAM数据存储模块采用IS61LV12816芯片,用于扩展系统数据存储器。
所述EEPROM数据存储模块采用I2C串行接口的存储器芯片24LC1025,用于掉电保存数据,实现焊接参数的记忆功能。
所述实时时钟模块采用I2C串行接口的控制芯片PC8583,为系统提供实时时间。
所述SCI通信模块用于系统的RS232总线通信,实现与下位机的数据交换。
所述各外围器件的驱动程序分别是液晶显示驱动程序、触摸驱动程序、存储器芯片24LC1025驱动程序、实时时钟驱动程序;所述基于RS232总线的多机通信设计采用半双工通讯方式,发送和接收共用同一物理信道,应答的单机必须在侦听到总线上呼叫信号已经发送完毕,并且没有其它单机发出应答信号的情况下,才能应答,保证在任意时刻只允许一台单机处于发送状态;所述人机界面的操作菜单设计共设置了四级菜单,在子菜单中设置了返回或确定按钮,以便回到上级菜单中,实现菜单之间的翻页,开机后将自动进入主菜单,主菜单界面包含焊接模式、参数设置、参数预览、参数记忆、其它功能。
所述人机交互系统通过定时中断向下位机电源控制器发送一帧数据,为防止接收冲突,中断周期必须大于10ms,下位机电源控制器在接收完一帧数据后,立即向人机交互系统发送一帧数据。
本发明与现有技术相比,具有如下优点与有益效果:
(1)能够实现大功率双丝脉冲MIG焊焊接参数的精确给定、显示、存储和调用,具有体积小、重量轻、操作简单等优点;
(2)具有完善的接口便于实现与焊接电源通信;
(3)抗干扰能力强,能够保证在大功率焊接强烈的弧光、强电磁场等干扰环境中可靠工作;
(4)容错能力强,非正常情况时保证控制器在较短的时间内恢复以前的运行状态,不至于影响整个大功率双丝脉冲MIG焊接系统的正常工作;
(5)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,极大地简化调试工作。
附图说明
图1为本发明的整体结构框图。
图2为本发明的DSP最小系统模块的电路原理图。
图3为本发明的液晶显示模块的电路原理图。
图4为本发明的触摸控制模块的电路原理图。
图5为本发明的RAM数据存储模块的电路原理图。
图6为本发明的EEPROM数据存储模块的电路原理图。
图7为本发明的实时时钟模块的电路原理图。
图8为本发明的SCI通信模块的电路原理图。
图9为本发明的触摸控制模块的触摸程序流程图。
图10a为本发明的EEPROM数据存储模块的读操作流程图。
图10b为本发明的EEPROM数据存储模块的写操作流程图。
图11a为本发明的SCI通信模块的发送程序流程图。
图11b为本发明的SCI通信模块的接收程序流程图。
图12为本发明的人机界面操作菜单的结构框架。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示,本实施所述的大功率双丝脉冲MIG焊电源数字化人机交互系统,包括硬件部分和软件部分,其中,所述硬件部分包括DSP最小系统模块、液晶显示模块、触摸控制模块、RAM数据存储模块、EEPROM数据存储模块、实时时钟模块、SCI通信模块,该DSP最小系统模块分别与液晶显示模块、触摸控制模块、RAM数据存储模块、EEPROM数据存储模块、实时时钟模块、SCI通信模块一一对应相接,同时,该SCI通信模块与下位机电源控制器连接,该SCI通信模块用于系统的RS232总线通信,实现与下位机的数据交换;所述软件部分采用模块化的程序设计方法,按外设功能不同划分为不同的模块,各模块程序分别编写、编译和调试,最后模块在一起连接,在本实施例中,该软件部分包括各外围器件的驱动程序的开发(分别是液晶显示驱动程序、触摸驱动程序、存储器芯片24LC1025驱动程序、实时时钟驱动程序)、基于RS232总线的多机通信设计以及人机界面的操作菜单设计。
如图2所示,所述DSP最小系统模块包括有型号为TMS320LF2407A的DSP芯片、型号为TPS7333Q的电源转换芯片、30MHz有源晶振、JTAG插座,其中,所述电源转换芯片分别与DSP芯片的3.3V电源输入引脚及复位引脚连接,将外部供电电源+5V电平转换成DSP芯片的+3.3V电平;30MHz有源晶振与DSP芯片的外部晶振输入引脚XTAL1连接,为DSP芯片提供时钟信号,同时,该DSP芯片内部经过1.33倍频后得到40MHz主频;JTAG插座与DSP芯片的JTAG接口引脚连接,且用于烧写程序时与仿真器连接。
如图3所示,所述液晶显示模块采用320×240图形点阵液晶显示屏,并且内嵌RA8835液晶显示控制器,可以满足大量信息的显示,3.3V信号输入。其中,RA8835在接口部的接口控制电路内有两套时序电路(8080系列和6800系列),通过引脚的电平设置可选择其一时序。液晶显示模块接口控制时序采用8080系列,读信号和写信号分别为独立的引脚信号。由于DSP芯片的I/O口输出信号与液晶显示模块的接口信号都是0~3.3V,DSP芯片与液晶显示模块可以直接连接,无需电平转换。液晶显示屏的、A0、引脚分别与DSP芯片的A3、A4、A5、A6、A7引脚连接,液晶显示屏的DB0~DB7引脚分别与DSP芯片的E0~E7引脚连接。
如图4所示,所述触摸控制模块采用电阻式触摸屏和型号为ADS7843的触摸控制接口芯片,该触摸控制接口芯片内驻一个多路低导通电阻模拟开关组成的供电-测量电路网络、12bit逐次逼近A/D转换器和异步串行数据输入输出。触摸屏为ADS7843根据微控制器发来的不同测量命令导通相应的模拟开关,以便向触摸屏电极对提供电压,并把相应电极上的触点坐标位置所对应的电压模拟量引入A/D转换器,从而得到触摸点坐标。为ADS7843的片选输入信号,低电平有效;DCLK接外部时钟输入,为触摸控制接口芯片进行A/D转换和异步串行数据传输提供时钟;DIN为串行数据输入端;DOUT为串行数据输出端;BUSY为系统忙标志端;VREF为参考电压输入端,电压值在+1V到+VCC之间变化;为触摸中断,低电平有效,需外接上拉电阻;+VCC接电源。触摸屏采用的是电阻式触摸屏,相当于一种传感器,当有触摸操作时,感应器会传出相应的电信号,经过转换电路送到DSP处理器,经处理后转化为屏幕上的X、Y值,完成点选的动作并且呈现在屏幕上。
如图5所示,DSP最小系统模块的型号为TMS320LF2407A的DSP芯片内部有2.5K字的数据/程序RAM,本发明的液晶显示模块是不带汉字数据库的模块,人机交互系统显示的汉字符数据需要大量的数据存储空间。为了能够提供足够的数据空间,本发明选用了外部存储器IS61LV12816芯片(容量为128K×16,低64K为外部程序存储空间,高64K为外部数据存储空间)。
如图6所述,所述EEPROM数据存储模块采用I2C串行接口的存储器芯片24LC1025,是基于I2C串行外设接口,具有1024Kb数据缓存区,可掉电保存128K字节的数据。它以I2C串行方式与DSP芯片连接工作。A2A1A0是器件地址选择位,为多片24LCXXX同时使用时用,接相应的高低电平可以作为片选,在一条I2C总线上最多可以接8片24LCXXX,要选择总线上的某一个24LCXXX器件,则控制字的地址选择位必须与该器件的A0、A1和A2三个引脚连接的电平一致;WP是硬件保护引脚;SCL为串行时钟输入端,为I2C提供时钟信号;SDA为串行数据复用脚。
如图7所示,所述实时时钟模块采用I2C串行接口的控制芯片PC8583,是支持I2C总线的实时时钟芯片,可以提供日历、时间和闹钟。I2C总线是个双线的双向串行总线,PC8583只要通过两根线就可以完成与微处理器的连接。本发明用DSP芯片的通用I/O接口模拟I2C串行通讯时序与PC8583进行数据交换。
如图8所示,微处理器与设备之间数据交换的通信方式有两种:并行通信和串行通信。并行通信方式是数据的所有位同时传送,传送速度快,但传输数据线多,通信成本高。串行通信方式是数据逐位顺序传送,只需一对传输线,能节省传输线,适合长距离传输。本发明中,大功率双丝脉冲MIG焊电源数字化人机交互系统和下位机的通信就采用串行通信。本发明采用符合RS232标准的驱动芯片MAX232进行UART。
如图9所示,由于触摸屏A/D采样时功耗增加,只有在用户按下触摸屏时,才需要进行A/D转换。当触摸发生时,ADS7843可以测量到触摸位置对应的水平和垂直方向的坐标值,并且ADS7843的/PEN引脚会向DSP芯片发出外部中断请求,在中断程序中,DSP芯片通过向ADS7843发送控制字来读取到触摸位置坐标。
如图10a所示,向存储器芯片24LC1025写数据,本发明采用按页写操作,DSP按页写的时序为:先设置开始状态,接着发送写控制字节、块内地址高字节、块内地址低字节以及待写的第一字节数据,待存储器芯片24LC1025产生应答后,继续送出待写数据,如此重复,直到全部待写数据送出,最后设置结束状态。
如图10b所示,向存储器芯片24LC1025读数据,本发明采用连续读取数据方式,DSP连续读取数据的时序为:先设置开始状态,接着发送写控制字节、要读取数据地址的高字节、和低字节,设置结束状态,再又设置开始状态,发送读控制字节,接收数据,产生应答,如此重复,直至全部数据接收完毕,最后设置结束状态。
如图11a和11b所示,大功率双丝脉冲MIG焊电源数字化人机交互系统与下位机电源控制器的参数交换是通过RS232通信总线方式实现。本发明RS232通讯采用半双工通讯方式,发送和接收共用同一物理信道。在任意时刻只允许一台单机处于发送状态。半双工通讯对人机交互系统和电源控制器的发送和接收时序有严格的要求,通信双方必须共同遵守预定的通信协议。在数据通信中,通信双方要正确地对数据进行传送和接收,要规定统一的数帧。设置帧结构是通信的前提,握手与应答机制则是通信双方互相联系的一种保证和确认手段。发送方在发送数据前,必须确定接收方在当前状态下是否可以进行数据接收的动作,这一系列过程都需要握手和应答机制来实现。本发明中,人机交互系统作为主机,下位机电源控制器作为从机。主机通过定时中断向从机发送一帧数据,为防止主从机接收冲突,中断周期必须大于10ms。从机在接收完一帧数据后,立即向主机发送一帧数据。
如图12所示,菜单式人机交互系统功能为用户提供了方便快捷的操作界面,直观性比较强。本发明的人机界面的操作菜单设计共设置了四级菜单,在子菜单中设置了返回或确定按钮,以便回到上级菜单中,实现菜单之间的翻页。开机后将自动进入主菜单,主菜单界面包含焊接模式、参数设置、参数预览、参数记忆、其它功能。
以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例,并非以此限制本发明的实施范围,故凡依本发明之形状、原理所作的变化,均应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种大功率双丝脉冲MIG焊电源数字化人机交互系统,包括硬件部分和软件部分,其特征在于:所述硬件部分包括DSP最小系统模块、液晶显示模块、触摸控制模块、RAM数据存储模块、EEPROM数据存储模块、实时时钟模块、SCI通信模块,该DSP最小系统模块分别与液晶显示模块、触摸控制模块、RAM数据存储模块、EEPROM数据存储模块、实时时钟模块、SCI通信模块一一对应相接,同时,该SCI通信模块与下位机电源控制器连接;所述软件部分包括各外围器件的驱动程序的开发、基于RS232总线的多机通信设计以及人机界面的操作菜单设计。
3.根据权利要求1所述的大功率双丝脉冲MIG焊电源数字化人机交互系统,其特征在于:所述液晶显示模块采用320×240图形点阵液晶显示屏,并且内嵌RA8835液晶显示控制器,能实时显示焊接参数。
4.根据权利要求1所述的大功率双丝脉冲MIG焊电源数字化人机交互系统,其特征在于:所述触摸控制模块采用电阻式触摸屏和型号为ADS7843的触摸控制接口芯片,实现触摸按键功能,输入焊接给定参数。
5.根据权利要求1所述的大功率双丝脉冲MIG焊电源数字化人机交互系统,其特征在于:所述RAM数据存储模块采用IS61LV12816芯片,用于扩展系统数据存储器。
6.根据权利要求1所述的大功率双丝脉冲MIG焊电源数字化人机交互系统,其特征在于:所述EEPROM数据存储模块采用I2C串行接口的存储器芯片24LC1025,用于掉电保存数据,实现焊接参数的记忆功能。
7.根据权利要求1所述的大功率双丝脉冲MIG焊电源数字化人机交互系统,其特征在于:所述实时时钟模块采用I2C串行接口的控制芯片PC8583,为系统提供实时时间。
8.根据权利要求1所述的大功率双丝脉冲MIG焊电源数字化人机交互系统,其特征在于:所述SCI通信模块用于系统的RS232总线通信,实现与下位机的数据交换。
9.根据权利要求1所述的大功率双丝脉冲MIG焊电源数字化人机交互系统,其特征在于:所述各外围器件的驱动程序分别是液晶显示驱动程序、触摸驱动程序、存储器芯片24LC1025驱动程序、实时时钟驱动程序;所述基于RS232总线的多机通信设计采用半双工通讯方式,发送和接收共用同一物理信道,应答的单机必须在侦听到总线上呼叫信号已经发送完毕,并且没有其它单机发出应答信号的情况下,才能应答,保证在任意时刻只允许一台单机处于发送状态;所述人机界面的操作菜单设计共设置了四级菜单,在子菜单中设置了返回或确定按钮,以便回到上级菜单中,实现菜单之间的翻页,开机后将自动进入主菜单,主菜单界面包含焊接模式、参数设置、参数预览、参数记忆、其它功能。
10.根据权利要求1所述的大功率双丝脉冲MIG焊电源数字化人机交互系统,其特征在于:所述人机交互系统通过定时中断向下位机电源控制器发送一帧数据,为防止接收冲突,中断周期必须大于10ms,下位机电源控制器在接收完一帧数据后,立即向人机交互系统发送一帧数据。
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