CN109541493A - 基于虚拟仪器的ZigBee物联网焊接电源参数间接测量装置 - Google Patents

基于虚拟仪器的ZigBee物联网焊接电源参数间接测量装置 Download PDF

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Abstract

本发明属于虚拟仪器和ZigBee物联网络控制技术领域,公开了一种基于虚拟仪器的ZigBee物联网焊接电源参数间接测量装置,所述基于虚拟仪器的无限自组网焊接电源间接群控装置设置有用于发射无线信号的ZigBee无线网络发射模块、用于进行焊接信号采集的数据采集模块、用于进行数据收集与存储的数据收集存储模块、用于进行数据显示的数据显示模块。本发明基于ZigBee物联网自组网技术,设计成本低、安装简单、适用于工业现场的焊接参数无线传感器终端模块,开发基于虚拟仪器和物联网技术的车间焊接电源监测系统,实现对工业生产现场设备的间接测量和集群化管理,降低管理成本,提高了企业生产率。

Description

基于虚拟仪器的ZigBee物联网焊接电源参数间接测量装置
技术领域
本发明属于网络控制技术领域,尤其涉及一种基于虚拟仪器的ZigBee物联网焊接电源参数间接测量装置。
背景技术
目前,随着网络技术的不断发展,具有环境感知能力的各类仪器和基于网络技术的云计算模式等先进技术促使物联网在工业领域应用越来越广泛。该类仪器灵活运用于工业生产的各个环节,它将传统工厂提升到智能化数字工厂的新阶段。与此同时在网络技术推动下,焊接技术也朝着自动化、智能化、信息化方向发展。作为一项特殊的材料连接工艺,焊接操作在企业大规模生产中普遍存在以下需求:1.焊接参数的实时监测及数据可供查询、追溯。2.焊接设备的实时调度和布局优化。3.焊接质量控制及管理。在焊接设备众多、工艺复杂、操作区域分散的情况下,难以掌握焊接设备的实时状态及焊接参数的准确性,造成焊机长期待机、焊接参数不符合工艺要求、焊接过程不稳定等问题,未能充分发挥数字化焊机性能,严重影响焊接质量,造成生产成本提高,在设备调度和分配上也造成管理困难及资源浪费局面。
综上所述,现有技术存在的问题是:
(1)在焊接设备众多、工艺复杂、操作区域分散的情况下,难以掌握焊接设备的实时状态及焊接参数的准确性,造成焊机长期待机、焊接参数不符合工艺要求、焊接过程不稳定等问题;
(2)未能充分发挥数字化焊机性能,严重影响焊接质量,造成生产成本提高,在设备调度和分配上也造成管理困难及资源浪费局面。
发明内容
针对现有技术存在的问题,本发明提供了一种基于虚拟仪器的ZigBee物联网焊接电源参数间接测量装置。
本发明是这样实现的,一种基于虚拟仪器的ZigBee物联网焊接电源参数间接测量装置,所述基于虚拟仪器的无限自组网焊接电源群控装置设置有:
用于发射无线信号的ZigBee无线网络发射模块;
用于进行焊接参数采集的数据采集模块;
用于进行数据收集与存储的数据收集存储模块;
用于进行数据显示的数据显示模块。
进一步,ZigBee无线网络发射模块由单片机通讯电路和电源电路组成;
单片机通讯电路,用于组建和管理网络、发送采集的数据到I/O接口电路;
电源电路,用于提供合适的电源供电。
进一步,单片机通讯电路主芯片及外围电路集成在长43mm、宽25mm的印刷电路板上;
P0_0至P0_7引脚作为设置分辨率的12位ADC输入;主控芯片的数字电源、模拟电源引脚39、10、28等接滤波电容用于电源去耦和过滤,1.8V内部数字稳压器40引脚接接接1μF去耦电容,30引脚接内部偏置电阻56KΩ,20引脚用于按压开关连接与复位功能,外部32-MHz晶振和由两个负载电容29pF组成的32MHz晶振电路,32.768-kHZ与另外两个负载电容15pF组成的晶振电路用于极低功耗的睡眠和唤醒服务;25引脚、26引脚用于差分输入输出信号,使用分立电容和电感元件C10、C11、C12、C13、L1、L2分立器件的巴伦匹配电路与不平衡单极子天线进行射频收发信号的匹配,节点使用C15、L3等分立元件与平面倒F天线匹配阻抗。
进一步,电源电路选用9V电池进行供电,并使用DC-DC芯片XC6209F332PR的低压差线性稳压电路,利用XC6209系列IC正电压LDO调整器芯片的高纹波抑制和低输入输出压差的特性,得到稳定的3.3V系统工作电压。
进一步,所述的数据采集模块包括A/D转换接口、无线电压传感器、无线电流传感器;
无线电流传感器、无线电压传感器采用外置式、直接在焊接电源的焊接电缆上以非破线的连接方式;
无线电流传感器用于测量直流、交流、脉冲电流及其它任意波形电流,无线电压传感器用于测量直流、交流和脉冲电压任意波形电压;
A/D转换接口用于建立传感器与ZigBee无线网络发射模块进行有效的连接,传送电流、电压传感器采集的数据。
进一步,所述数据收集存储模块包括I/O接口电路、运行于上位机中基于虚拟仪器技术的数据处理和显示程序;
I/O接口电路使用带有FT232RL芯片的UART串口至USB口的转换电路,TXD引脚1用于传输异步数据输出,RXD引脚5用于接受异步数据输入,与CC2530数字IO接口连接,实现单片机TTL电平和USB电平的转换22和23引脚与数据传输LED2和LED1连接,用于指示数据传输或接受状态。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述基于虚拟仪器的ZigBee物联网焊接电源参数间接测量装置的基于虚拟仪器的ZigBee物联网焊接电源参数参数分析管理方法,所述基于虚拟仪器的ZigBee物联网焊接电源参数参数分析管理方法包括:
显示3台焊机的电流和电压采集曲线显示及I/O口接受数据的显示,以数值和波形曲线两种直观的方式显示;对波形图也可进行缩放、移动、保存等调整和记录,I/O接口设置好之后就可根据按钮颜色变化来显示接口状态是否打开,点击数据采集之后,在系统界面数据接受区看到收集存储模块接受到的传感器网络地址和相应的电流、电压数据,再经过数值提取与变换,显示在数值表和波形图中,进行数据存储和回放操作;
系统设置功能和数据分析功能的部分程序框图所示,利用VISA函数集,用到VISAConfigure Serial Port、VISA Read、VISA Close,实现I/O接口操作初始化配置、从I/O接口缓冲区读取数据、关闭接口释放占用的资源;应用程序提供了从焊机终端节点采集的焊接电流、电压信号的实时显示、回放功能,对电流电压波形信号进行处理和分析,以及系统初始设置、采集数据的存储和回放,图形化信息显示和打印功能。
系统软件功能流程如下,首先系统I/O接口配置初始化,设置串口显示状态及采集按钮状态,清空数据接收区和波形图表,并启动Event事件处理函数,一共有5个:
1.当采集状态“open”变量为“真”的时候,运行VISA串口配置VISA ConfigureSerial Port子程序,将端口号、波特率、数据位、奇偶位、停止位、控制流传递到函数中,并设置错误处理器显示对话框);
2.当端口号和波特率发生改变时,则关闭串口VISA Close,重新进行设置;
3.当“清空波形区”和“清空接受区”按下时,进行清空处理;
4.配置程序菜单,用于显示系统简介和版本信息;
5.设置“退出”按钮值改变时,关闭串口状态VISA Close,并将端口号、串口状态显示设置为默认值,释放占用的资源。
当系统正常启动,采集状态“open”为“真”之后,就进行信号采集过程,并每间隔100ms检查一次采集状态。持续监测串口端信号的数值,如果为空,则等待,否则启动串口采集函数VISA Read,从I/O接口缓冲区读取数据,将接受的数据显示在用户界面的接收区中显示,同时对接收到的串口数据进行匹配,将终端数据采集模块的ID编号最为数据头进行分组,提取每台焊机的电流、电压数据,并分别传送到电流、电压波形图中进行实时显示。
当数据保存功能启动时,将采集到的数据写入到文本文件,写入文字根据用户设置的保存路径,如果没有该路径则创建一个新的数据记录文件。
本发明的优点及积极效果为:本发明基于ZigBee物联网无线自组网技术,设计低成本、便携化、专业化的焊接参数无线传感器收发模块终端,开发基于虚拟仪器技术的车间焊接监测系统,实现对企业现场设备的间接测量和集群化管理,提高了企业生产率。
针对传统机械制造企业中金属零部件连接工艺装备升级提出了有效解决方案,采用基于ZigBee物联网无线自组网技术,设计低成本、便携化、专业化的焊接参数无线传感器数据采集模块,开发基于虚拟仪器技术的车间焊接监测系统,实现对现场焊接设备的间接测量和集群化管理,为提高车间生产率、加强质量监控等方面提供有效手段和技术参考。系统模块结构简单,安装方便,直接在焊接电源的正负极电缆上穿孔安装,不需要破线。不需要从焊机取电,系统自带电源,而且采用主芯片的低功耗的优势,选用9V电池进行供电。系统可测量交流、直流、脉冲电流等任意波形电流,响应时间小,稳定性高。将物联网技术与虚拟仪器技术相结合,开发系统硬件和软件,充分发挥组网简单、系统搭建迅速、程序容易实现和满足个性化定制要求。现有技术:体积较大,采用外接电源或锂电池供电,体积和成本较高。采用有线或电缆连接焊接电源与监测系统,不能实现远程无线方式集中监测。不能对现有焊接电源快速、低成本的改造和升级。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于虚拟仪器的ZigBee物联网焊接电源参数间接测量系统示意图;
图中:1、ZigBee无线网络发射模块;2、数据采集模块;3、数据收集存储模块;4、数据显示模块。
图2是本发明实施例提供的单片机通讯电路示意图。
图3是本发明实施例提供的电源电路示意图。
图4是本发明实施例提供的A/D转换接口示意图。
图5是本发明实施例提供的I/O接口电路示意图。
图6是本发明实施例提供的设置功能的程序框图。
图7是本发明实施例提供的数据分析功能的程序框图。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效,兹例举以下实施例,并配合附图详细说明如下。
下面结合附图对本发明的结构作详细的描述。
如图1所示,本发明实施例提供的基于虚拟仪器的ZigBee物联网焊接电源参数分析管理系统包括:ZigBee无线网络发射模块1、数据采集模块2、数据收集存储模块3、数据显示模块4。
用于发射无线信号的ZigBee无线网络发射模块1。
用于进行参数焊接采集的数据采集模块2。
用于进行数据收集与存储的数据收集存储模块3。
用于进行数据显示的数据显示模块4。
ZigBee无线网络发射模块1由单片机通讯电路和电源电路组成,单片机通讯电路(如图2所示)用于组建和管理网络、发送采集的数据到I/O接口电路,主芯片选择TI公司的SOC芯片CC2530作为核心控制器,芯片及其外围电路集成在长43mm、宽25mm的印刷电路板上,其硬件电路原理图如图所示,P0_0至P0_7引脚都可作为可设置分辨率的12位ADC输入,所以一个节点最多可使用8路电流或电压传感器,主控芯片的数字电源、模拟电源引脚39、10、28等接滤波电容用于电源去耦和过滤,1.8V内部数字稳压器40引脚接接接1μF去耦电容,30引脚接内部偏置电阻56KΩ,20引脚用于按压开关连接与复位功能,外部32-MHz晶振和由两个负载电容29pF组成的32MHz晶振电路,32.768-kHZ与另外两个负载电容15pF组成的晶振电路用于极低功耗的睡眠和唤醒服务。25、26引脚用于差分输入输出信号,使用分立电容和电感元件(C10、C11、C12、C13、L1、L2分立器件)的巴伦匹配电路与不平衡单极子天线进行射频收发信号的匹配,节点使用C15、L3等分立元件与平面倒F天线匹配阻抗;
电源电路为整个系统提供合适的电源供电,为了减少模块尺寸及降低成本,充分利用电流、电压传感器和片上系统CC2530的低功耗优势,选用9V电池进行供电,并使用DC-DC芯片XC6209F332PR的低压差线性稳压电路,利用XC6209系列IC正电压LDO调整器芯片的高纹波抑制和低输入输出压差的特性,得到稳定的3.3V系统工作电压,如图3所示。
数据采集模块2包括无线电压传感器、无线电流传感器、A/D转换接口;
无线电流传感器KXK-36、无线电压传感器KXBV-13采用外置式、直接在焊接电源的焊接电缆上以非破线的连接方式,安装方便。无线电流传感器可用于测量直流、交流、脉冲电流及其它任意波形电流,无线电压传感器用于测量直流、交流和脉冲电压等任意波形电压,具有精度和相信度好,反应快,抗干扰能力强的特点。A/D转换接口用于建立传感器与ZigBee无线网络发射模块进行有效的连接,传送电流、电压传感器采集的数据,如图4所示。
本发明实施例提供的无线电压传感器和无线电流传感器用于实时间接监测所有焊机的电压与电流数据,采集到的数据通过无线信号传输至数据收集存储模块。
数据收集存储模块3包括I/O接口电路、上位机中用于数据存储和分析的处理程序;
如图5所示,I/O接口电路使用带有FT232RL芯片的UART串口至USB口的转换电路,如图所示,TXD引脚1用于传输异步数据输出,RXD引脚5用于接受异步数据输入,与CC2530数字IO接口连接,实现单片机TTL电平和USB电平的转换,22和23引脚与数据传输LED2和LED1连接,用于指示数据传输或接受状态;
如图6和图7所示,本发明实施例提供的数据存储和分析处理程序基于虚拟仪器技术,将I/O接口电路传输来的数据信号进行D/A转换,进行系统初始化、数据存储和回放,并传输给数据显示模块在屏幕上进行图形化显示。
上位机虚拟仪器处理程序主界面如图所示,显示的是3台焊机的电流和电压采集曲线显示及I/O口接受数据的显示,以数值和波形曲线两种直观的方式显示。对波形图也可进行缩放、移动、保存等调整和记录,I/O接口设置好之后就可根据按钮颜色变化来显示接口状态是否打开,点击数据采集之后,就能在系统界面数据接受区看到收集存储模块接受到的传感器网络地址和相应的电流、电压数据,再经过数值提取与变换,显示在数值表和波形图中,可以进行数据存储和回放操作。
系统设置功能和数据分析功能的部分程序框图所示,利用VISA函数集,可以方便简单的实现仪器控制和资源管理功能,本系统中就用到VISA Configure Serial Port、VISA Read、VISA Close等,来实现I/O接口操作初始化配置、从I/O接口缓冲区读取数据、关闭接口释放占用的资源。应用程序提供了从焊机终端节点采集的焊接电流、电压信号的实时显示、回放功能,可对电流电压波形信号进行处理和分析,以及系统初始设置、采集数据的存储和回放,图形化信息显示和打印等功能。
系统软件功能流程如下,首先系统I/O接口配置初始化,设置串口显示状态及采集按钮状态,清空数据接收区和波形图表,并启动Event事件处理函数,一共有5个:
1.当采集状态“open”变量为“真”的时候,运行VISA串口配置VISA ConfigureSerial Port子程序,将端口号、波特率、数据位、奇偶位、停止位、控制流传递到函数中,并设置错误处理器显示对话框);
2.当端口号和波特率发生改变时,则关闭串口VISA Close,重新进行设置;
3.当“清空波形区”和“清空接受区”按下时,进行清空处理;
4.配置程序菜单,用于显示系统简介和版本信息;
5.设置“退出”按钮值改变时,关闭串口状态VISA Close,并将端口号、串口状态显示设置为默认值,释放占用的资源。
当系统正常启动,采集状态“open”为“真”之后,就进行信号采集过程,并每间隔100ms检查一次采集状态。持续监测串口端信号的数值,如果为空,则等待,否则启动串口采集函数VISA Read,从I/O接口缓冲区读取数据,将接受的数据显示在用户界面的接收区中显示,同时对接收到的串口数据进行匹配,将终端数据采集模块的ID编号最为数据头进行分组,提取每台焊机的电流、电压数据,并分别传送到电流、电压波形图中进行实时显示。
当数据保存功能启动时,将采集到的数据写入到文本文件,写入文字根据用户设置的保存路径,如果没有该路径则创建一个新的数据记录文件。
以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已,并非对本发明作任何形式上的限制,凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改,等同变化与修饰,均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种基于虚拟仪器的ZigBee物联网焊接电源参数间接测量装置,其特征在于,所述基于一种基于虚拟仪器的ZigBee物联网焊接电源参数间接测量装置设置有:
用于发射无线信号的ZigBee无线网络发射模块;
用于进行焊接参数采集的数据采集模块;
用于进行数据收集与存储的数据收集存储模块;
用于进行数据显示的数据显示模块。
2.如权利要求1所述的基于虚拟仪器的ZigBee物联网焊接电源参数间接测量装置,其特征在于,ZigBee无线网络发射模块由单片机通讯电路和电源电路组成;
单片机通讯电路,用于组建和管理网络、发送采集的数据到I/O接口电路;
电源电路,用于提供合适的电源供电。
3.如权利要求2所述的基于虚拟仪器的ZigBee物联网焊接电源参数间接测量装置,其特征在于,单片机通讯电路主芯片及外围电路集成在长43mm、宽25mm的印刷电路板上;
P0_0至P0_7引脚作为设置分辨率的12位ADC输入;主控芯片的数字电源、模拟电源引脚39、10、28等接滤波电容用于电源去耦和过滤,1.8V内部数字稳压器40引脚接接接1μF去耦电容,30引脚接内部偏置电阻56KΩ,20引脚用于按压开关连接与复位功能,外部32-MHz晶振和由两个负载电容29pF组成的32MHz晶振电路,32.768-kHZ与另外两个负载电容15pF组成的晶振电路用于极低功耗的睡眠和唤醒服务;25引脚、26引脚用于差分输入输出信号,使用分立电容和电感元件C10、C11、C12、C13、L1、L2分立器件的巴伦匹配电路与不平衡单极子天线进行射频收发信号的匹配,节点使用C15、L3等分立元件与平面倒F天线匹配阻抗。
4.如权利要求2所述的基于虚拟仪器的无限自组网焊接电源群控装置,其特征在于,电源电路选用9V电池进行供电,并使用DC-DC芯片XC6209F332PR的低压差线性稳压电路,利用XC6209系列IC正电压LDO调整器芯片的高纹波抑制和低输入输出压差的特性,得到稳定的3.3V系统工作电压。
5.如权利要求1所述的基于虚拟仪器的ZigBee物联网焊接电源参数间接测量装置,其特征在于,所述的数据采集模块包括A/D转换接口、无线电压传感器、无线电流传感器;
无线电流传感器、无线电压传感器采用外置式、直接在焊接电源的焊接电缆上以非破线的连接方式;
无线电流传感器用于测量直流、交流、脉冲电流及其它任意波形电流,无线电压传感器用于测量直流、交流和脉冲电压任意波形电压;
A/D转换接口用于建立传感器与ZigBee无线网络发射模块进行有效的连接,传送电流、电压传感器采集的数据。
6.如权利要求1所述的基于虚拟仪器的ZigBee物联网焊接电源参数间接测量装置,其特征在于,所述数据收集存储模块包括I/O接口电路、运行于上位机中基于虚拟仪器技术的数据处理和显示程序;
I/O接口电路使用带有FT232RL芯片的UART串口至USB口的转换电路,TXD引脚1用于传输异步数据输出,RXD引脚5用于接受异步数据输入,与CC2530数字IO接口连接,实现单片机TTL电平和USB电平的转换22和23引脚与数据传输LED2和LED1连接,用于指示数据传输或接受状态。
7.一种应用权利要求1所述基于虚拟仪器的ZigBee物联网焊接电源参数间接测量装置的基于虚拟仪器的ZigBee物联网焊接电源参数分析管理方法,其特征在于,所述基于虚拟仪器的ZigBee物联网焊接电源参分析管理方法包括:
显示3台焊机的电流和电压采集曲线显示及I/O口接受数据的显示,以数值和波形曲线两种直观的方式显示;对波形图也可进行缩放、移动、保存等调整和记录,I/O接口设置好之后根据按钮颜色变化来显示接口状态是否打开,点击数据采集之后,在系统界面数据接受区看到收集存储模块接受到的传感器网络地址和相应的电流、电压数据,再经过数值提取与变换,显示在数值表和波形图中,进行数据存储和回放操作;
系统设置功能和数据分析功能的部分程序框图所示,利用VISA函数集,用到VISAConfigure Serial Port、VISA Read、VISA Close,实现I/O接口操作初始化配置、从I/O接口缓冲区读取数据、关闭接口释放占用的资源;应用程序提供了从焊机终端节点采集的焊接电流、电压信号的实时显示、回放功能,对电流电压波形信号进行处理和分析,以及系统初始设置、采集数据的存储和回放,图形化信息显示和打印功能。
8.如权利要求7所述的基于虚拟仪器的ZigBee物联网焊接电源参数分析管理方法,其特征在于,所述基于虚拟仪器的ZigBee物联网焊接电源参数分析管理方法包括:
系统软件功能流程如下,首先系统I/O接口配置初始化,设置串口显示状态及采集按钮状态,清空数据接收区和波形图表,并启动Event事件处理函数,一共有5个:
当采集状态“open”变量为“真”的时候,运行VISA串口配置VISA Configure SerialPort子程序,将端口号、波特率、数据位、奇偶位、停止位、控制流传递到函数中,并设置错误处理器显示对话框;
当端口号和波特率发生改变时,则关闭串口VISA Close,重新进行设置;
当“清空波形区”和“清空接受区”按下时,进行清空处理;
配置程序菜单,用于显示系统简介和版本信息;
设置“退出”按钮值改变时,关闭串口状态VISA Close,并将端口号、串口状态显示设置为默认值,释放占用的资源;
当系统正常启动,采集状态“open”为“真”之后,就进行信号采集过程,并每间隔100ms检查一次采集状态。持续监测串口端信号的数值,如果为空,则等待,否则启动串口采集函数VISA Read,从I/O接口缓冲区读取数据,将接受的数据显示在用户界面的接收区中显示,同时对接收到的串口数据进行匹配,将终端数据采集模块的ID编号最为数据头进行分组,提取每台焊机的电流、电压数据,并分别传送到电流、电压波形图中进行实时显示;
当数据保存功能启动时,将采集到的数据写入到文本文件,写入文字根据用户设置的保存路径,如果没有该路径则创建一个新的数据记录文件。
9.一种应用权利要求1~6任意一项所述一种基于虚拟仪器的ZigBee物联网焊接电源参数间接测量装置的智能化数字工厂。
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徐德进: "基于云智能焊接管控的大数据分析系统设计", 《电焊机》, vol. 48, no. 10, pages 21 - 25 *
王克峰: "基于虚拟仪器的混合动力电动车车载数据采集分析系统的研制", 《中国优秀博硕士学位论文全文数据库 (硕士)信息科技辑》, no. 6, pages 140 - 346 *

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