基于雙處理器的點(diǎn)焊控制系統(tǒng)的 硬件設(shè)計(jì)

點(diǎn)焊是將焊件裝配成搭接接頭，并壓緊在兩電極之間，利用電流通過(guò)焊件時(shí)產(chǎn)生的電阻熱熔化母材金屬，冷卻后形成焊點(diǎn)的一種電阻焊方法。其通電加熱時(shí)間一般為幾至幾十周波（一周波為０．０２ｓ），而電流有效值一般為幾至幾十ｋＡ。

點(diǎn)焊是一個(gè)高度非線性、存在多變量耦合作用和大量隨機(jī)不確定因素的過(guò)程，其形核處于封閉狀態(tài)，時(shí)間極短，特征信號(hào)提取困難，控制難度較大。

１ 設(shè)計(jì)思想和總體方案

近年來(lái)，智能控制技術(shù)正被積極地引入點(diǎn)焊控制研究領(lǐng)域，但由于其算法高度復(fù)雜、計(jì)算密集，因此對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求越來(lái)越高。另一方面，ＤＳＰ（數(shù)字信號(hào)處理器）技術(shù)的蓬勃發(fā)展，使得其在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。因此在本設(shè)計(jì)中，使用ＤＳＰ作核心處理器，充分發(fā)揮其運(yùn)算速度快的優(yōu)勢(shì)，并嘗試?yán)枚喾N智能控制算法對(duì)點(diǎn)焊進(jìn)行質(zhì)量控制，以提高焊點(diǎn)的質(zhì)量和可靠性。 在實(shí)際工作中，點(diǎn)焊需要設(shè)置的參數(shù)較多，操作者不得不依賴于各種手冊(cè)、說(shuō)明書(shū)和／或?qū)＜揖幹频墓に囄募?lái)進(jìn)行設(shè)置；而且在選定參數(shù)之后，往往還需要通過(guò)一系列的旋鈕、按鈕等開(kāi)關(guān)進(jìn)行設(shè)置，操作復(fù)雜，容易造成混亂。因此在本設(shè)計(jì)中，應(yīng)用ＭＣＵ（單片機(jī)）實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話功能。通過(guò)鍵盤輸入和液晶顯示，既充分體現(xiàn)了數(shù)字化控制的優(yōu)勢(shì)，也有助于實(shí)現(xiàn)點(diǎn)焊專家系統(tǒng)。 由于點(diǎn)焊系統(tǒng)工作在大電流、強(qiáng)磁場(chǎng)的環(huán)境下，因此控制系統(tǒng)的抗干擾問(wèn)題尤為重要，且ＤＳＰ的工作頻率高，所以將信號(hào)的輸入、輸出部分和ＤＳＰ、ＭＣＵ模塊分開(kāi)，設(shè)計(jì)獨(dú)立的ＡＤ＆ＩＯ模塊。

系統(tǒng)的總體方案如圖１所示。

２ ＤＳＰ模塊的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選用了ＤＳＫ－ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０２TMS320VC5402芯片作控制核心。ＤＳＫ是ＴＩ公司提供的一套標(biāo)準(zhǔn)的ＤＳＰ開(kāi)發(fā)平臺(tái)，其目的是令使用者能較快地開(kāi)發(fā)和應(yīng)用基于ＤＳＰ的系統(tǒng)，為最終的目標(biāo)系統(tǒng)提供軟、硬件設(shè)計(jì)參考模板。有關(guān)ＤＳＫ的具體說(shuō)明請(qǐng)參閱有關(guān)的技術(shù)資料。

ＤＳＫ提供了存儲(chǔ)器接口和外圍設(shè)備接口兩列擴(kuò)展接口。根據(jù)"灰箱法"的設(shè)計(jì)思想，不用完全理解ＤＳＫ的內(nèi)部原理，只需在對(duì)其整體有一個(gè)基本了解的基礎(chǔ)上，選擇可能要用到的信號(hào)即可。因此專門設(shè)計(jì)了一塊轉(zhuǎn)接板，作為外圍電路與ＤＳＫ之間通訊的橋梁。從ＤＳＫ中引出了２６個(gè)信號(hào)，如表１所示。

３ ＡＤ＆ＩＯ模塊的設(shè)計(jì)

該模塊包括Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換、輸入、輸出三部分電路，它們分別負(fù)責(zé)模擬信號(hào)的輸入和轉(zhuǎn)換以及開(kāi)關(guān)信號(hào)的輸入和控制信號(hào)的輸出。

３．１ Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換電路

Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器的選取主要考慮所采集的模擬信號(hào)的數(shù)量、精度及與ＤＳＰ的速度匹配等，綜合考慮后，選用ＴＩ公司生產(chǎn)的１２位４通道高速ＡＤ－ＴＬＶ２５４４TLV2544。

本設(shè)計(jì)中Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換電路分為三部分：第一部分由５．１Ｖ的穩(wěn)壓二極管及濾波電容１０３組成，構(gòu)成模擬輸入部分；第二部分由ＴＬＶ２５４４TLV2544組成，完成Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換；第三部分由八相緩沖器７４ＬＳ２４４74LS244組成，完成ＤＳＰ與ＴＬＶ２５４４TLV2544之間的通訊，如圖２所示。

Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換電路的工作是由ＤＳＰ的多通道緩沖串口ＭＣＢＳＰ來(lái)控制的。ＭＣＢＳＰ通過(guò)其數(shù)據(jù)輸出口ＤＸ０發(fā)送控制字到ＴＬＶ２５４４TLV2544的ＳＤＩ口，該控制字為１６位，前４位是指令位。如果ＴＬＶ２５４４TLV2544接收到的前四位是０ＸＡ，那么接下來(lái)的１２位就會(huì)被當(dāng)作控制字譯碼；相反，如果前４位接收到的是０ＸＥ，那么ＡＤＣ將繼續(xù)輸出ＦＩＦＯ的內(nèi)容到ＳＤＯ中。其中，ＳＤＩ和ＳＤＯ分別是ＴＬＶ２５４４的控制信號(hào)輸入口和已轉(zhuǎn)換好的數(shù)字信號(hào)輸出口。當(dāng)ＴＬＶ２５４４按ＤＳＰ發(fā)出的控制字轉(zhuǎn)換到一定時(shí)候（如ＦＩＦＯ堆棧滿）時(shí)，則發(fā)出ＩＮＴ信號(hào)通知ＤＳＰ接收。ＤＳＰ接收到ＩＮＴ信號(hào)后，經(jīng)Ｘ＿ＤＲ０口讀入ＴＬＶ２５４４已轉(zhuǎn)換好的串行數(shù)據(jù)。

３．２ 輸入和輸出電路

為了抵抗電氣干擾和高壓電擊，在本設(shè)計(jì)中，輸入和輸出電路均采用光隔ＰＣ８１７傳遞邏輯信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電氣隔離。另外還使用反相器７４ＨＣ１４74HC14對(duì)傳輸信號(hào)進(jìn)行整形，利用施密特特性消除毛刺干擾，提高信號(hào)傳輸?shù)目垢蓴_能力。輸入和輸出電路與ＤＳＰ的接口如圖３所示。 在輸入電路中使用了緩沖器７４ＬＳ２４４74LS244，以增強(qiáng)線驅(qū)動(dòng)能力，如圖３所示。假設(shè)第二路輸入為低電平，則光隔不導(dǎo)通，Ａ２也為低電平。ＤＳＰ要讀取它的時(shí)候，先給輸入一個(gè)低電平，然后用０２Ｈ（即００００００１０）去線與，判斷Ｙ２的值是否為１，如果不為１則不讀入，反之讀入。其它輸入也是這樣來(lái)處理。

因?yàn)檩敵龅拈_(kāi)關(guān)量需要保持開(kāi)或關(guān)的狀態(tài)，所以在輸出電路中使用了鎖存器７４ＬＳ３７３74LS373，進(jìn)行緩沖和鎖存，如圖３所示。當(dāng)輸出由低電平變?yōu)楦唠娖降臅r(shí)候，ＤＳＰ將數(shù)據(jù)由Ｘ＿Ｄ[０～７]送到鎖存器的輸入端，然后再給ＯＣＬＯＣＫ一個(gè)低電平脈沖，數(shù)據(jù)即被鎖存在鎖存器的輸出端。假如Ｑ０＝１，則經(jīng)反相器后變?yōu)榈碗娖?，光隔?dǎo)通；反之，光隔不導(dǎo)通，從而實(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)量的數(shù)據(jù)輸出。

４ ＭＣＵ模塊的設(shè)計(jì)

４．１ ＭＣＵ擴(kuò)展系統(tǒng)

在本設(shè)計(jì)中，ＭＣＵ選用８９Ｃ５１89C51，并擴(kuò)展了片外ＲＯＭ ２７５１２（６４ＫＢ）和片外ＲＡＭ ６２６４（８ＫＢ），如圖４所示。ＭＣＵ的Ｐ０口同時(shí)用作片外尋址的低地址線和數(shù)據(jù)線；Ｐ１口用作液晶顯示的數(shù)據(jù)線；Ｐ２口用作高位地址線，其高３位Ｐ２５、Ｐ２６、Ｐ２７同時(shí)還作譯碼器７４ＬＳ１３８74LS1387的輸入，該譯碼器的輸出為片外ＲＡＭ的尋址訪問(wèn)信號(hào)。片外鎖存器和ＲＡＭ ６２６４是統(tǒng)一編址的，即每一片鎖存器都有自己的地址。

４．２ 人機(jī)接口

在本設(shè)計(jì)中，鍵盤包括"０～９"、"．"、"確認(rèn)"、"上翻"、"下翻"、"取消"、"暫停"等共１６個(gè)鍵位，故采用４×４的矩陣式方案。矩陣式鍵盤由行線和列線組成，按鍵設(shè)置在行、列線的交點(diǎn)上。行、列線分別連接到按鍵開(kāi)關(guān)的兩端。行線通過(guò)上拉電阻接到＋５Ｖ上。無(wú)按鍵動(dòng)作時(shí)，行線處于高電平；而當(dāng)有鍵按下時(shí)，行線電平狀態(tài)將由與此行線相連的列線電平?jīng)Q定。列線電平如果為低，則行線電平為低；列線電平為高，則行線電平為高。從而可以識(shí)別出按鍵是否按下。 鍵盤電路主要由單片機(jī)的Ｐ０口、八相反相緩沖器７４ＬＳ２４０74LS240、鎖存器７４ＬＳ２７３74LS273以及一些上拉電阻組成。Ｐ０口用作數(shù)據(jù)線，八相反相緩沖器７４ＬＳ２４０緩沖行線的信號(hào)，鎖存器７４ＬＳ２７３鎖存從Ｐ０口送給列線的信號(hào)。對(duì)八相反相緩沖器７４ＬＳ２４０所緩沖的行線的值的讀取是通過(guò)譯碼器７４ＬＳ１３８輸出的譯碼信號(hào)Ｇ５來(lái)控制的，其讀地址為ＢＦＦＦＨ；而對(duì)鎖存器７４ＬＳ２７３的控制則是通過(guò)譯碼器輸出的Ｇ６來(lái)控制的，對(duì)列的寫地址為ＤＦＦＦＨ。 在本設(shè)計(jì)中選用的液晶顯示器是信利公司的ＭＧ－１２２３２－５。該液晶顯示器帶背光及溫度補(bǔ)償功能，左右有主、從兩個(gè)控制器ＳＥＤ１５２０SED1520，上下分４頁(yè)。漢字顯示采用１２×１２點(diǎn)陣，數(shù)字、符號(hào)顯示采用１２×６點(diǎn)陣。每個(gè)漢字占２４字節(jié)，數(shù)字、符號(hào)占１２字節(jié)，均燒入程序存儲(chǔ)器。

液晶顯示電路的工作原理為：由ＭＣＵ通過(guò)Ｐ１口向液晶顯示器的數(shù)據(jù)線ＤＢ口輸出顯示數(shù)據(jù)和控制指令，通過(guò)Ｐ３口向液晶顯示器輸出對(duì)Ｅ１、Ｅ２、Ａ０、ＲＳＴ端口的控制字。液晶顯示器的Ｅ１、Ｅ２、Ａ０、ＲＳＴ口信號(hào)分別為主控制器讀寫使能信號(hào)、從控制器使能信號(hào)、顯示或指令選擇信號(hào)以及復(fù)位信號(hào)。 使用液晶顯示器首先需要進(jìn)行初始化，使其工作在規(guī)定的方式中。液晶初始化包括：復(fù)位、休閑狀態(tài)設(shè)置、設(shè)置占空比、排序設(shè)置、設(shè)置顯示起始行、開(kāi)顯示、自動(dòng)顯示的方向設(shè)置等。這些命令在操作中都是作為指令寫入控制器的。然后再將要顯示的漢字或字符數(shù)據(jù)送給液晶顯示器，液晶顯示器即可按控制字的要求進(jìn)行顯示。

４．３ ＭＣＵ與ＤＳＰ的通訊

該通訊電路由三片緩沖器７４ＬＳ２４４74LS244（Ｕ６００１U6001、Ｕ６００２U6002及Ｕ６００８U6008、ＭＣＵ的Ｐ０口以及ＤＳＰ的Ｘ＿Ｄ[０～７]口組成，如圖５、圖６所示。各緩沖器的控制信號(hào)由譯碼器１３８的輸出Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４組成。其中，Ｕ６００１負(fù)責(zé)將ＭＣＵ的數(shù)據(jù)送到ＤＳＰ，Ｕ６００２負(fù)責(zé)將ＤＳＰ的數(shù)據(jù)送到ＭＣＵ，而Ｕ６００８則負(fù)責(zé)發(fā)送ＭＣＵ與ＤＳＰ之間的通訊請(qǐng)求和確認(rèn)信號(hào)。

ＤＳＰ向ＭＣＵ發(fā)送數(shù)據(jù)的過(guò)程為：ＤＳＰ將數(shù)據(jù)通過(guò)Ｘ＿Ｄ[０～７]口輸出至緩沖器Ｕ６００２，同時(shí)由Ｘ＿ＸＦ發(fā)送通訊請(qǐng)求信號(hào)至ＭＰＵ的Ｐ００口，ＭＣＵ檢測(cè)到該信號(hào)后，讀取緩沖器Ｕ６００２的數(shù)據(jù)，然后通過(guò)Ｐ０２口發(fā)給ＤＳＰ一個(gè)確認(rèn)信號(hào)。

ＭＣＵ向ＤＳＰ發(fā)送數(shù)據(jù)的過(guò)程與上相似。

模擬試驗(yàn)表明，本文介紹的硬件系統(tǒng)可以滿足工作要求，為下一步的研究提供了良好的平臺(tái)。作者試運(yùn)行了電流有效值的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)求解和可控硅模糊控制等自編程序，均獲得了良好的預(yù)期效果。

[1].TMS320VC5402datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/TMS320VC5402_688959.html.
[2].TLV2544datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/TLV2544_1074015.html.
[3].74LS244datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/74LS244_1098310.html.
[4].74HC14datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/74HC14_99158.html.
[5].74LS373datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/74LS373_742872.html.
[6].89C51datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/89C51_105386.html.
[7].74LS240datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/74LS240_1134630.html.
[8].74LS273datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/74LS273_588907.html.
[9].SED1520datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/SED1520_603299.html.