CN200967114Y - 一种基于usb总线的弧焊过程电信号便携式检测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种应用于焊接领域电信号采集的便携式检测系统，包括微控制器系统、USB接口电路、液晶显示模块、模式选择电路、稳压电路等组成。本实用新型用于弧焊过程中电弧电压、焊接电流信号的实时采集，通过对焊接过程中电信号的分析、评价，可以即时获得焊接质量信息，评估弧焊品质。本实用新型提供两种工作模式，一种是便携工作模式，由于带有液晶显示模块，采集到的信号波形及经过微控制器分析的结果可以在液晶显示模块上实时显示；第二种是联机工作模式，由于装置带有USB总线控制器，采集到的电信号通过USB总线高速传输到PC机作进一步分析处理，这时装置相当于一个USB总线的便携式数据采集器，即插即用，使用方便。

Description

一种基于USB总线的弧焊过程电信号便携式检测系统

                          技术领域

本实用新型涉及一种应用于电弧焊中电信号采集的便携式检测设备，尤其是涉及一种单片机控制和基于USB2.0总线通信协议的检测系统。

                          背景技术

长期以来，国内外在电弧焊过程中采集电信号主要是采用插入板卡式，即采用ISA或PCI总线数据采集卡，将采集到的焊接过程电信号传输到计算机，再作波形显示和进一步的数据分析。这种数据采集方式需要占用计算机主板资源，即一个ISA或PCI总线插槽，在添加、拆除设备时需要关机、开启机箱，同时，这种方式电不方便携带和系统的移植，无法更好利用数字化焊机现有硬件资源。

                          实用新型内容

为了克服现有技术存在的不足，本实用新型提供一种使用方便、观测数据直观的基于USB总线的弧焊过程电信号便携式检测系统，可独立使用，利用带有的240×128图形液晶显示模块显示采集到的焊接过程电信号及信号分析处理结果，也可通过USB总线与PC机结合使用，实现高速数据传输及复杂的数据分析功能。

本实用新型提供的技术方案如下：

一种基于USB总线的弧焊过程电信号便携式检测系统，它包含有微控制器系统、液晶显示模块电路、USB通信接口电路、模式选择电路、稳压电路以及传感器、信号调理电路。

传感器选用高性能霍尔传感器，一方面利用霍尔效应对噪声信号进行了电磁隔离，另一方面将电弧电压、焊接电流信号变换成适当的电压信号，接入信号调理电路

信号调理电路将传感器送出的电压信号经比例放大电路、限幅电路、滤波电路，变换成微控制器端口允许输入的0-3.3V范围直流模拟电压信号，接入微控制器模拟输入端口，进行A/D转换及数据处理。

微控制器系统分别连接液晶显示模块电路、USB通信接口电路，经过液晶显示器显示结果或经过USB总线将数据送入PC机处理。微控制器系统主要完成三个基本功能：数据采集、处理、分析、显示的功能，系统协调控制的功能和满足USB传输协议的功能。

微控制器系统的外围电路中，电源稳压电路分别为微控制器和液晶显示模块提供稳定的3.3V、5.0V直流电源；A/D输入通道接口电路将经过信号调理的焊接过程的两路信号——电弧电压、焊接电流通过模拟输入端口送入微控制器进行A/D转换，并且为A/D转换提供外部3.3V参考电压基准；LCD显示接口电路使焊接过程采集到的电信号实时显示在液晶屏幕中，并可将经过处理后的数据分析和统计结果显示在屏幕中；由于微控制器机集成了符合USB2.0协议的USB功能控制器、收发器，USB接口电路将FIFO中暂存的A/D转换数据高速传输给上位机即PC机，以便让PC机完成更复杂的数据处理和分析。

模式选择电路与微控制器系统相连，由模式选择开关的高低电平状态完成装置工作模式的选择，包括便携工作模式、联机工作模式。

本实用新型属于USB RAW设备，需要提供USB驱动程序，使计算机能够识别并访问自行设计的USB设备，与软件系统形成良好的通信接口，实现对设备的控制。

本实用新型由于采用了上述技术方案，具有以下特点：

(1)可作为单一的高速数据采集器使用，以高速微控制器为控制核心完成对GMAW焊接数据采集过程的控制、电弧电压信号和焊接电流信号的实时采集、计算和波形信号、分析结果液晶显示，实现焊接过程在线监测，功能完善，操作方便。

(2)将USB2.0总线技术成功应用于焊接过程信号通信，当需要借助PC机完成更复杂的分析时，即可通过USB接口，把弧焊过程采集的波形数据高速、实时传输到PC机(全速传输速度可达12Mbps)，从而实现焊接过程计算机在线监测。在焊接领域具有一定开创性。

(3)与计算机连接使用，可满足实际焊接生产过程中长时间、不间断地实时监测和记录焊接工艺参数的需要。具有热插拔、即插即用功能，在添加或拆除设备时不需要关闭计算机、开启机箱，使用便捷，大大方便于ISA或PCI数据采集卡。

(4)可集成到数字化焊接电源，从而进一步完善数字化焊接电源的配套功能。

(5)配备一套分析软件，可对信号波形进行实时显示、回放、截取、保存、打印，以及瞬时U-I图分析、电信号的概率密度分布图分析、熔滴短路及燃弧时间频数分析、特征信号小波包分析、方差及标准差统计分析、频谱分析和联合时频分析等。

                         附图说明

图1为弧焊电信号检测回路示意图。

图2为本实用新型的硬件电路原理图。

                         具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的实施方案作进一步说明。

图1中霍尔传感器HED采集送出的电弧电压信号和焊接电流信号经过信号调理电路处理后，分别送入微控制器系统进行A/D转换及数据处理，然后经过液晶显示器显示结果或经过USB总线将数据送入PC机处理。

图2中U1为微控制器C8051F320，U2为RS232接口芯片SP3223ECY，U3为直流3.3V稳压器，J1为图形液晶显示模块MGLS240128T引脚接口，J2为通用串行总线(USB)接口，J3为片内调试电路接口，J4为A/D输入通道接口。电弧电压信号和焊接电流信号分别经过A/D输入通道接口J4的AIN0和AIN1端口进入微控制器U1的P2.4、P2.5引脚。微处理器U1内部集成一个10位200Ksps逐次逼近寄存器型A/D转换器，通过编程配置为单端采集模式，对目标信号分别进行等间隔采样，其转换时钟设计为由系统时钟分频得到。A/D转换触发源配置为定时器2溢出中断触发，采样信号保持设计为零阶保持。端口VREF为A/D转换提供外部参考电压基准。数据采集开始指令由SW-START开关接高电平发出。

微控制器系统采用高精度可编程的12MHz内部振荡器，并结合4倍时钟乘法器2分频使用，为系统提供24MHz时钟频率。由于USB控制器工作在全速方式，其时钟配置为48MHz，时钟恢复电路用输入USB数据流调节内部振荡器，这使内部振荡器和4倍时钟乘法器能满足USB时钟的精度要求。

经过A/D转换的波形信号由微控制器控制在240×128图形液晶显示模块MGLS240128TJ1进行实时的数据波形显示。MGLS240128T图形液晶显示模块J1由控制器T6963C、列驱动器T6A39、行驱动器T6A40以及与外部设备的接口等几部分组成，既能显示字符，又能显示图形，还能够字符与图形混合显示。液晶显示的控制和驱动都由模块内部的芯片及电路来实现，模块与微控制器U1的连接只有数据线和控制线，微控制器U1通过这些数据线和控制线来设置所需要的显示方式，这里设计为间接访问方式。将液晶显示模块J1的数据线DB0-DB7与C8051F320的P1口连接作为数据总线，另外三根时序控制信号线C/D、RD、WR利用微控制器U1中的P2.0、P2.1、P2.2来控制，这种访问方式不占用微控制器的存储器空间。

考虑到信号分析过程中需要进行更复杂的数据分析和大数据量的运算，因此本实用新型采用USB总线作为与PC机的数据总线接口，实现大数据量的高速传输，全速传输速率可以达到12Mbps。C8051F320器件集成了全速USB功能控制器(USBO)，USBO由串行接口引擎(SIE)、USB收发器(包括匹配电阻和可配置上拉电阻)、1K FIFO存储器和时钟恢复电路组成，不需要外部元件，符合USB2.0协议。处理USB传输协议的USBO的1024字节FIFO空间在端点0-3之间分配，分别是EP0、EP1、EP2、EP3。EP0作为传输控制数据的控制端点，用于设备初始化参数等；EP1用来存放设备输入到主机的数据；EP2用来存放主机输出到设备的数据。程序中对输入数据的处理采用批量传输模式，EP1每到满时，自动以8位的一维数组数据包形式完成输入数据包向PC机的数据传输。用USBOXCN寄存器配置USB收发器。配置内容包括收发器使能、上拉电阻使能及器件速度设置(全速)，配置位SPEED＝‘1’，USBO工作在全速模式，片内上拉电阻出现在D+引脚。端口J2的VBUS提供+5V USB电源。

为了与上位机分析软件系统形成良好的接口，采用VISA(Virtual Instrument SoftwareArchitecture)工具来生成USB驱动程序，实现对检测设备的控制。

S1按键RESET是系统复位。S2开关SW-START接微控制器端口P0.6，是开始数据采集开关，接高电平时，开始数据采集；接低电平时，停止数据采集。S3开关SW-SHIFT接端口P2.3，是工作模式选择开关，接高电平时，检测装置工作在便携工作模式，在自身的液晶显示屏上显示采集的焊接过程信号波形及数据分析处理结果；接低电平时，检测装置工作在联机工作模式，通过USB总线与PC机进行数据通信，即借助PC机完成复杂的数据处理与分析。S4按键SW-ADD、S5按键-REDUCE分别接端口P0.3、P0.4，是功能菜单选择键，也可作为便携工作模式下滤波频率选择键。S5按键SW-MODE接端口P0.5，是功能菜单转换键和确认选择键。

Claims (4)

1、一种基于USB总线的弧焊过程电信号便携式检测系统，其特征在于：包含有微控制器系统、液晶显示模块电路、USB通信接口电路、模式选择电路、稳压电路以及传感器、信号调理电路；传感器将电弧电压、焊接电流信号变换成适当的电压信号，接入信号调理电路，经信号调理电路中的比例放大电路、限幅电路、滤波电路变换成微控制器端口允许输入的0-3.3V范围直流模拟电压信号，接入微控制器模拟输入端口，进行A/D转换及数据处理；微控制器系统又分别连接液晶显示模块电路、USB通信接口电路，经过液晶显示器显示结果或经过USB总线将数据送入PC机处理；电源稳压电路分别连接微控制器系统和液晶显示模块，为它们提供稳定的3.3V、5.0V直流电源；模式选择电路与微控制器系统相连。

2、根据权利要求1所述的基于USB总线的弧焊过程电信号便携式检测系统，其特征在于：信号调理电路是通过A/D输入通道接口电路连接微控制器的模拟输入端口；微控制器系统是通过LCD显示接口电路连接液晶显示模块。

3、根据权利要求1所述的基于USB总线的弧焊过程电信号便携式检测系统，其特征在于：模式选择电路由模式选择开关的高低电平状态完成装置工作模式的选择，包括便携工作模式、联机工作模式。

4、根据权利要求1所述的基于USB总线的弧焊过程电信号便携式检测系统，其特征在于：传感器选用高性能霍尔传感器。

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