畢業(yè)設(shè)計(jì)35電焊機(jī)畢業(yè)論文

黑龍江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè) 論文 （ 設(shè)計(jì) ） 第 1 頁(yè) 一、 緒論 電焊機(jī)是一種利用電能產(chǎn)生熱量使金屬熔化從而實(shí)現(xiàn)焊接的設(shè) 備 。常用的有電弧焊機(jī)和電阻焊機(jī)兩種基 本 類型。電阻焊機(jī)是將大電流通過(guò)被焊金屬結(jié)合處，利用接觸電阻產(chǎn)生熱量將金屬熔化 ， 加壓從而實(shí)現(xiàn)焊接 ； 電弧焊機(jī)則是通過(guò)電弧產(chǎn)生熱量熔化金屬而實(shí)現(xiàn)焊接。 弧焊電源的焊接電弧是接在焊接電源上的兩個(gè)電極 (焊條或焊絲為一極， 工件 為另一極 )之間產(chǎn)生的氣體介質(zhì)強(qiáng)烈放電現(xiàn)象。在焊接過(guò)程中電弧及熔滴過(guò)渡具有很強(qiáng)的動(dòng)態(tài)特性，易受干擾。老式焊機(jī)熔滴短路過(guò)渡穩(wěn)定性差、成形差、飛濺大，而反映在設(shè) 備 控制上，則是熔滴過(guò)渡可控性差等問(wèn)題。 隨著電力電子技術(shù)、智能控制技術(shù)、微電子技術(shù)的發(fā)展，為電子弧焊電源提供了廣闊的發(fā)展空間， IGBT逆變電焊機(jī)就是目前發(fā)展最迅速、應(yīng)用最廣的焊接電源之一。 本 文僅就 CO2 氣體保護(hù) IGBT 逆變半自動(dòng)電弧焊機(jī)的數(shù)字化進(jìn)行了研究與設(shè)計(jì)。 （一）問(wèn)題的提出 及主要研究工作 1.國(guó)內(nèi)外逆變焊機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì) 現(xiàn)代焊接設(shè)備的發(fā)展與電力電子技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)。 IGBT 式逆變焊機(jī)出現(xiàn)于 80 年代末，主要應(yīng)用于各種電弧焊和切割。 已小僅具有一高效節(jié)能、體積小、重量輕、多功能、多用途等優(yōu)點(diǎn)，而 且 具有良好的動(dòng)、靜態(tài)特性和 工 藝特性。因 此 受到廣泛 的重視，發(fā)展迅猛。據(jù)國(guó)際焊接學(xué)會(huì) (IIW, International Institute of Welding ) 1993 年 11 月所作的調(diào) 查 ，逆變式焊機(jī)在日、美、歐等地使用的焊機(jī)中占 17%，其中在氣體保護(hù)焊和 TIG 焊中占 30%以上。到了 1996 年，日 本 日立公司的 IGBT 逆變焊機(jī)已占 MIG/MAG 焊機(jī)的 70%，占 TIG 焊機(jī)的 95%以上，占切割機(jī)的 100%，日木松 下 和大阪變壓器公司的逆變式焊機(jī) 黑龍江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè) 論文 （ 設(shè)計(jì) ） 第 2 頁(yè) 都超過(guò) 50%。以 IGBT, MOSFET 等為開(kāi)關(guān)器件的弧焊逆變 器，有一著廣泛的應(yīng)用前景，是當(dāng)前國(guó)際焊接電源設(shè)各發(fā)展的 主流和方向 。 在我國(guó) 逆變式焊機(jī)的研究 工 作始于 80 年代初，第一代是以 SCR為主開(kāi)關(guān)器件的弧焊逆變器，其逆變頻率為 2000-5000Hz。第二代是以 GTR 或 MOSFET 為主開(kāi)關(guān)器件的弧焊逆變器，其逆變頻率為20kHz-50kHz。 第三代為 IGBT 弧焊逆變器，逆變頻 20KM 30KM。 隨著電力電子技術(shù)、智能控制技術(shù)、微電子技術(shù)的發(fā)展，逆變焊機(jī)將朝著結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易操作、易維修、適應(yīng)性強(qiáng)、焊接性能穩(wěn)定優(yōu)良、高度自動(dòng)化、通用化的方向發(fā)展。目前一個(gè)重要的研究方向就是逆變焊機(jī)控制的數(shù)字化、智能化和傻瓜化。一元化單旋鈕調(diào)節(jié) 功能也是一個(gè)重要的發(fā)展方向，即 由 一個(gè)旋鈕對(duì)電弧電壓、焊接電流和短路電流上升率等同時(shí)調(diào)節(jié)，達(dá)到最佳組合。 就我國(guó)的國(guó)情而言，對(duì)傳統(tǒng)焊機(jī)的低成 本 改造和性能提升是非常有意義的。波形控制是當(dāng)前比較活躍的研究和發(fā)展方向之一。 它 可通過(guò)控制短路過(guò)渡時(shí)的電流、電壓波形，使熔滴順利地進(jìn)入熔池，從而減少飛濺，增加燃弧能量 ，改善焊縫成形。另外，逆變技術(shù)也仍然是目前研究和發(fā)展的重要方向。 2.研究中主要需要解決的問(wèn)題 數(shù)字化焊機(jī)出現(xiàn)的比較晚，其中需要解決的主要問(wèn)題有兩方 面 :其一是控制算法，雖然國(guó)內(nèi)外關(guān)于氣體保護(hù)焊的控制方法有很 多研究，但是具體實(shí)現(xiàn)跟電源固有特性相關(guān)， 不 能直接參考，必須通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)焊接試驗(yàn)總結(jié)摸索。其二是數(shù)字化電焊機(jī)的硬件設(shè)計(jì)，包括數(shù)字控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及硬件系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。國(guó)內(nèi)有文獻(xiàn)直接使用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)電弧控制，但課題在最初采用的 51 單片機(jī)和 196單片機(jī)方案的現(xiàn)場(chǎng)焊接過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，單片機(jī)的處理速度滿足小了電弧動(dòng)態(tài)特性的要求，經(jīng)過(guò)反復(fù)的試驗(yàn)和方案論證，最終選擇了使用 DSP進(jìn)行控制算法運(yùn)算。 黑龍江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè) 論文 （ 設(shè)計(jì) ） 第 3 頁(yè) 3.主要研究工作 焊接技術(shù)是一個(gè)多學(xué)科交叉結(jié)合的一個(gè)應(yīng)用性技術(shù)。首先研究分析了電弧特性，然后提出了自己的控制算法，對(duì)電焊 機(jī)的電源主控電路、控制而板以及部分送絲機(jī)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)字化設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)焊接試驗(yàn)，對(duì)相關(guān)參數(shù)以及控制算法進(jìn)行調(diào)整，最終基 本 實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的目標(biāo)。主要研究 工 作如 下 : 1） 電弧特性的研究分析及實(shí)踐認(rèn)識(shí) :包括相關(guān)專業(yè)書籍閱讀、模擬電焊機(jī)特性現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，現(xiàn)場(chǎng)焊接試驗(yàn)、波形分析等 工 作。 2） 控制算法研究及軟 件 實(shí)現(xiàn) :通過(guò)對(duì) CO2 氣體保護(hù)焊的熔滴過(guò)渡過(guò)程的分析，在現(xiàn)場(chǎng)焊接試驗(yàn)中提出和完善了基于經(jīng)典 PID 控制的CO2 氣體保護(hù)焊電源控制算法。先后在單片機(jī)和 DSP 上編程實(shí)現(xiàn)。 3電源主控電路設(shè)計(jì) :電源主控電路的設(shè)計(jì) 以及相應(yīng)控制算法的研究實(shí)現(xiàn)是木課題的重點(diǎn)和難點(diǎn)，這一環(huán)節(jié)也是焊機(jī)直接數(shù)字化的核心部分。 4)基于 51 單片機(jī)的控制而板軟硬件設(shè)計(jì) :該部分使用 51 系列單片機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了參數(shù)設(shè)定、 工 作方式選擇、 工 作狀態(tài)及 工 作電壓、電流顯示等的數(shù)字化。 5送絲機(jī)構(gòu)控制 :通過(guò)控制 面 板的送絲機(jī)構(gòu)控制接口，直接山單片機(jī) 控制輸出送絲速度參考電壓，山現(xiàn)有送絲機(jī)構(gòu)控制電路實(shí)現(xiàn)對(duì)送 速度的控制。 6)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試及控制參數(shù)整定 :現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試貫穿課題設(shè)計(jì)的始終，從最初對(duì)焊機(jī)特性數(shù)據(jù)的采集，到電路設(shè)計(jì)的硬件性能檢測(cè)、控制算法的 修正以及控制參數(shù)的整定都必須進(jìn) 行現(xiàn)場(chǎng)焊接試驗(yàn)。 （二）本論文的目的與意義 數(shù)字化電焊機(jī)的研發(fā)將是電焊機(jī)行業(yè)未來(lái)發(fā)展的主流方向之一，隨著更快速微處理器、數(shù)字信號(hào)處理器和更先進(jìn)的智能控制算法的研究，未來(lái)的焊接設(shè) 備 將是數(shù)字化的世界。因此，數(shù)字化電焊機(jī) 黑龍江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè) 論文 （ 設(shè)計(jì) ） 第 4 頁(yè) 的研究開(kāi)發(fā)具有一舉足輕重的作用。目前，國(guó)內(nèi)在技術(shù)水平上落后國(guó)外先進(jìn)水平很多，只要我們共同努力，相信在焊接設(shè)各這個(gè)領(lǐng)域里而定能創(chuàng)造出領(lǐng)先世界的知名 品 牌。 同時(shí) 真心希望能有更多的企業(yè)和高校聯(lián)合，發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，為民族 工 業(yè)的復(fù)興 盡 一份力 ! 二 、 數(shù)字化 IGBT 逆變焊機(jī)結(jié)構(gòu)概述 IGBT 逆變焊機(jī)主要 由 焊接電源、送絲機(jī)、焊槍等部件組成。其中焊接電源部分是其中最主要的部件，也就是我們通常所說(shuō)的電焊機(jī)。從功能上來(lái)講，焊接電源部分為焊接機(jī)構(gòu)提供能量，其中包括，焊接能源，送絲機(jī)構(gòu)能源等。焊接電源質(zhì)量性能的好壞，直接影響焊接質(zhì)量。 圖 3-1為 NB500系列 IGBT逆變焊機(jī)的電源控制系統(tǒng)框圖 NB500系列逆變焊機(jī)通過(guò)調(diào)節(jié)阻容值來(lái)設(shè)定焊接參數(shù) (電壓、電流等 )，然后和傳感器反饋的電弧電壓和電流作比較 (模擬比較器 )，將偏差送給模擬PI 運(yùn)算器，運(yùn)算出的結(jié)果作為 PWM 的輸入，控制 IGBT 模塊通斷時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接過(guò) 程的控制。 顯然，使用模擬分離阻容器件構(gòu)成的 PI 運(yùn)算器靈活性差，一組參數(shù)小能適 應(yīng)所有一的焊接規(guī)范，難以實(shí)現(xiàn)全范圍內(nèi)的最優(yōu)控制，目 參數(shù)調(diào)節(jié)調(diào)整復(fù)雜困難，開(kāi)發(fā)難度大。在參數(shù)設(shè)定環(huán)節(jié)，也 由 于阻容值 黑龍江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè) 論文 （ 設(shè)計(jì) ） 第 5 頁(yè) 的離散性使得小能夠準(zhǔn)確設(shè)定焊接規(guī)范， 不 同焊機(jī)對(duì)同一組焊接規(guī)范設(shè)定量具有一相當(dāng)?shù)碾x散性，可靠性差。 在硬件方 面 ， 設(shè)計(jì) 主要 工 作是將電源的主控部分采用數(shù)字電路控制替代原有一的模擬電路控制， 對(duì)控制面 板等電路進(jìn)行數(shù)字化改造。課題設(shè)計(jì)了以 TI公司 TMS320LF2407A 數(shù)字信號(hào)處理器為檢測(cè)控制核心， 51 單片機(jī)為 面 板控制等事務(wù)管理核 心的 IGBT 逆變焊接數(shù)字化控制硬件系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)框圖如圖 3-2 所示。 在課題設(shè)計(jì)硬件中，按照功能將其分為電源主控電路設(shè)計(jì)、控制面 板電路設(shè)計(jì)、送絲機(jī)構(gòu)主控電路設(shè)計(jì)三個(gè)部分，其中基于 DSP 的電源主控電路設(shè)計(jì)是課題的重點(diǎn)和難點(diǎn)。 下面 將分別加以介紹討論。 三 、 數(shù)字化 IGBT 逆變焊機(jī)電源主控板設(shè)計(jì) 電源主控板對(duì)電源特性控制的性能，直接影響到焊接質(zhì)量的好壞。數(shù)字電源主控板的性能 不 僅決定于所采用的控制算法，也決定于包括對(duì)間接焊接質(zhì)量信號(hào)的采樣精度、速度，控制的實(shí)時(shí)性，以及控制精度、穩(wěn)定性和抗干擾性等在內(nèi)的硬件性能。 圖 3-3 為 IGBT 逆變電源數(shù)字主控電路框圖。如圖所示，電源主控板 有 DSP 最 不 系統(tǒng) (含 A/D 功能 )、信號(hào)調(diào)理 /隔離、 D/A、通信接口 黑龍江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè) 論文 （ 設(shè)計(jì) ） 第 6 頁(yè) (RS232/RS485 、行通信接口 )、電源管理等幾部分組成。 焊接電壓和焊接電流通過(guò)傳感器饋入信號(hào)調(diào)理通道，經(jīng)過(guò)隔離、濾波、衰減 /放大和限幅等處理后，送入 DSP 器件自帶的 A/D 轉(zhuǎn)換器，由 程序控制 ADC 模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。 DSP 按照預(yù)先設(shè)定的焊接規(guī)范及控制算法，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，產(chǎn)生相應(yīng)的數(shù)字量控制輸出，驅(qū)動(dòng) D/A 芯片輸出模擬量控制電壓，經(jīng)信號(hào)調(diào)理 /隔離后控制 PWM輸入 ，從而控制 IGBT 逆變電源的輸出特性。 以焊接電壓、電流等參數(shù) 由 控制 面 板通過(guò)行數(shù)據(jù)總線對(duì) DSP 進(jìn)行設(shè)置，它們之間采用八根數(shù)據(jù)線，四根握手信號(hào)線進(jìn)行通信，其硬件電路 由 ACPLD 輔助實(shí)現(xiàn)。另外，電源主控板還設(shè)計(jì)了 RS232/RS485接口用成 下 載、調(diào)試等功能。 (二 )數(shù)字電源 主控 面 板電源管理設(shè)計(jì) 電焊機(jī)是一個(gè)大功率設(shè) 備 ，在焊接過(guò)程中焊機(jī)輸出動(dòng)態(tài)變化快，常常會(huì)干擾電網(wǎng)電壓，造成電網(wǎng)電壓波動(dòng)，同時(shí)產(chǎn)生大量的電磁輻射干擾周圍的電子設(shè) 備 。電源主控板位于電焊機(jī)內(nèi)， 本 板電源 不 可避免地受到了嚴(yán)重的干擾。 工 作電源的穩(wěn)定是 系統(tǒng)穩(wěn)定 工 作的前提，必須 黑龍江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè) 論文 （ 設(shè)計(jì) ） 第 7 頁(yè) 對(duì) 本 板電源進(jìn)行抗干擾設(shè)計(jì)。 數(shù)字電源主控板是個(gè)多電源的系統(tǒng)。其中 DSP 為 3. 3V CMOS電平， D/A 以及 本 板同控制 面 板的接口數(shù)字電路均為 5V TTL 電平，此二者共用一個(gè)數(shù)字地 GND;同時(shí) 本 板為模數(shù)混合信號(hào)板，對(duì)傳感器輸出的模擬信號(hào)調(diào)理電路采用士 15V 供電，為了避免傳感器電源的紋波干擾，該傳感器輸出信號(hào)采用單獨(dú)的模擬地 FGND 隔離 ,隔離后的信號(hào)調(diào)理部分模擬器件均采用士 12V 供電，模擬地為 AGND,另外 D/A轉(zhuǎn)換器需要一個(gè) 5V 的模擬電源，為了減少數(shù)字電路電源對(duì)模擬電路的干擾，此處 也分出了一個(gè)模擬的 5V 電平 VCCA。 除 DSP 系統(tǒng)的 3. 3V CMOS 電平外，其他的士 15V、士 12V, 5V電源均來(lái)自電焊機(jī)內(nèi)專門的電源模塊。在接入數(shù)字電源主控板后，分別對(duì)其進(jìn)行濾波，以獲得較為穩(wěn)定的土作電平。考慮到電焊機(jī)對(duì)電網(wǎng)造成的嚴(yán)重干擾，在設(shè)計(jì)中對(duì)每一組電源的輸入端均采用了二型濾波電路。如圖 3-4、圖 3-5 所示。 黑龍江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè) 論文 （ 設(shè)計(jì) ） 第 8 頁(yè) 為 DSP 供電的電源芯片為 TPS73HD318，它是 TI 公司專門為 TMS320 系列 DSP 供電的電源管理芯片，它具有極低的壓 （ Dropout Voltage 80 mV max atIo = 100 mA， Io 為輸出電流）、低靜態(tài)電流（ Low Quiescent Current）、極低的睡眠狀態(tài)電流（ Ultra-Low-Current Sleep State）、雙低有效 200ms 復(fù)位脈 輸出、雙 3.3V/1.8V 輸出，其中，調(diào)節(jié)器 1 輸出 1.8V，調(diào)節(jié)器 2 輸出 3.3V。設(shè)計(jì)中僅用到了 3.3V，其外圍電路如圖 3-6 所示。 圖中， 3.3V 為 DSP 系統(tǒng)數(shù)字電源， 3.3VA 為 DSP 自帶 A/D 轉(zhuǎn)換器等模擬部分供電電源， PLLVCCA 為 DSP 內(nèi)部鎖相環(huán)工作供電電源。將 TPS73HD318 的調(diào)節(jié)器 2 的復(fù)位輸出 POWERON_RESET 信號(hào)與按鍵復(fù)位信號(hào) SWREST 信號(hào)共同構(gòu)成 DSP 芯片的復(fù)位輸入（經(jīng)過(guò) 74LVC245 緩沖）。 其中， POWERON_RESET 信號(hào)直接接到D/A 芯片的復(fù)位引腳作 D/A 上電復(fù)位用。如圖 3-7 所示。 黑龍江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè) 論文 （ 設(shè)計(jì) ） 第 9 頁(yè) (三 ) 數(shù)字電源主控板 DSP 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 數(shù)字信號(hào)處理（ Digital Signal Processing，簡(jiǎn)稱 DSP）是 基于 TMS320C2xx DSP 的 CPU 內(nèi)核，程序代碼與 F243/F241/C242 兼容，指令集與 F240/C240 兼容。片內(nèi)高達(dá) 32K 字的 Flash 程序存儲(chǔ)器和 2.5K 字的數(shù)據(jù) /程序存儲(chǔ)器，其中 544 字雙口 RAM（ DRAM）和 2K 字的單口 RAM（ SRAM）。片上 Flash/ROM 可編程代碼安全保護(hù)。外部存儲(chǔ)器接口共 192K 字： 64K 字程序存儲(chǔ)器； 64K 字?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)器；64K 字 I/O 存儲(chǔ)空間。 多路 10bit A/D 轉(zhuǎn)換器，可選擇為單 16 通道或雙 8 通道，最 不轉(zhuǎn)換時(shí)間為 375ns。控 制器局域網(wǎng)絡(luò)（ ControllerArea Network 簡(jiǎn)稱 CAN） 2.0B 模塊。串行通信接口（ Serial Communications Interface 簡(jiǎn)稱 SCI）。 16bit 串行外設(shè)接口模塊 （ Serial Peripheral Interface 簡(jiǎn)稱 SPI）。 雙事件管理器模塊 EVA 和 EVB，每個(gè)包括：兩個(gè) 16bit 通用定時(shí)器； 8 個(gè) 16bit 脈寬調(diào)制（ PWM）通道，可實(shí)現(xiàn)三相反向器控制；PWM 對(duì)稱和非對(duì)稱波形；外部 /PDPINTx 引腳出現(xiàn)低電平時(shí)快速關(guān)閉 PWM 通道；可編程 PWM 死區(qū)控制，防止上下橋臂同時(shí)輸出觸發(fā)脈沖； 3 個(gè)捕獲器等?；阪i相環(huán)的時(shí)鐘發(fā)生器。 40 個(gè)獨(dú)立可編程的復(fù)用的通用 I/O 管腳（ GPIO）。 5 個(gè)外部中斷（電機(jī)驅(qū)動(dòng)保護(hù)、復(fù)位、兩個(gè)可屏蔽中斷）。 黑龍江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè) 論文 （ 設(shè)計(jì) ） 第 10 頁(yè) 電源管理包括 3 種低功耗模式，并可獨(dú)立將外設(shè)器件轉(zhuǎn)入低功耗模式 TAG 接口 ,且其開(kāi)發(fā)環(huán)境 CC（ Code Composer）支持 C 語(yǔ)言開(kāi)發(fā)編程，界面友好，容易掌握和使用，可以大大縮短開(kāi)發(fā)周期，因此本課題在確定 DSP 芯片的時(shí)候考慮采用了 TI 公司 TMS320C2000 系列 芯片 中的 TMS320LF2407A。 其主要技術(shù)參數(shù)為： 高性能靜態(tài) CMOS 技術(shù)，供電電壓降為 3.3V，減 不 了控制器的功耗 40MIPS 的執(zhí)行速度（指令周期縮 25ns），具有很高的實(shí)時(shí)控制能力。 基于 TMS320C2xx DSP 的 CPU 內(nèi)核，程序代碼與F243/F241/C242 兼容，指令集與 F240/C240 兼容。 片內(nèi)高達(dá) 32K 字的 Flash 程序存儲(chǔ)器和 2.5K 字的數(shù)據(jù) /程序存儲(chǔ)器，其中 544 字雙口 RAM（ DRAM）和 2K 字的單口RAM（ SRAM）。 片上 Flash/ROM 可編程代碼安全保護(hù)。 外部存儲(chǔ)器接口共 192K 字： 64K 字程序存儲(chǔ)器； 64K 字?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)器； 64K 字 I/O 存儲(chǔ)空間。 看門狗定時(shí)器模塊（ WDT）。 多路 10bit A/D 轉(zhuǎn)換器，可選擇為單 16 通道或雙 8 通道，最小轉(zhuǎn)換時(shí)間為 375ns。 控制器局域網(wǎng)絡(luò)（ ControllerArea Network 簡(jiǎn)稱 CAN） 2.0B模塊。 串行通信接口（ Serial Communications Interface 簡(jiǎn) SCI）。 基于鎖相環(huán)的時(shí)鐘發(fā)生器。 40 個(gè)獨(dú)立可編程的復(fù)用的通用 I/O 管腳（ GPIO）。 5 個(gè)外部中斷（電機(jī)驅(qū)動(dòng)保護(hù)、復(fù)位、兩個(gè)可屏蔽中斷）。 電源 管理包括 3 種低功耗模式，并可獨(dú)立將外設(shè)入低功耗模式 。 JTAG 接口。 其 DSP 電源主控板就是基于這款芯片設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的 ， 晶振 10MHz， 黑龍江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè) 論文 （ 設(shè)計(jì) ） 第 11 頁(yè) 經(jīng)過(guò)芯片內(nèi)部設(shè)定后，芯片工作在 4 CLK 模式下，即單指令執(zhí)行速度 40MIPS。 在 DSP 的硬件設(shè)計(jì)上需要注意的幾點(diǎn)是： 1）為保證可靠性，中斷輸入腳需接上拉電阻（ 10K）。 2）適當(dāng)選擇鎖相環(huán)濾波器引腳外接阻容值。 3）晶振盡量靠近主芯片，且選擇精度高、穩(wěn)定性好的有源晶振。 4）為調(diào)試方便，在初版設(shè)計(jì)時(shí)保留了外部 SRAM 電路。 5）對(duì)所有的輸入信號(hào)有明確的處理，對(duì)不用的引腳根據(jù) 要求接地或上拉 到電源，不能懸浮。 6）對(duì) DSP、片外程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，應(yīng)加 0.1uF 左右的去耦電容并使其盡量靠近芯片電源引腳，以濾除電源噪聲。另外，在 DSP與片外程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器等關(guān)鍵部分最好鋪地處理，以減少外界干擾。 7）片外程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器應(yīng)盡量靠近 DSP 芯片放置，同時(shí)要合理布局，使數(shù)據(jù)線和地址線長(zhǎng)短基本保持一致。 8）復(fù)位電路。應(yīng)同時(shí)設(shè)計(jì)上電復(fù)位電路和手動(dòng)復(fù)位電路，在運(yùn)行中出現(xiàn)故障時(shí)可方便地人工復(fù)位。對(duì)于復(fù)位電路，一方面應(yīng)確保復(fù)位低電平時(shí)間足夠長(zhǎng)，保證 DSP 可靠復(fù)位；另一方面應(yīng)保證 穩(wěn)定性良好，防止 DSP 誤復(fù)位。 DSP 需通過(guò) JTAG 接口下載并調(diào)試程序， JTAG 接口電路如圖 3-9所示，設(shè)計(jì)中， EMU0 和 EMU1 引腳需要接上拉電阻（ 10K）。 黑龍江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè) 論文 （ 設(shè)計(jì) ） 第 12 頁(yè) (四 ) 數(shù)字電源主控板 A/D 轉(zhuǎn)換及輸入信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì) 1. TMS320LF2407A 的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊 TMS320LF2407A 是專門為控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的 DSP 芯片，它具有內(nèi)置的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊。如圖 3-10 所示，該模塊由輸入模擬通道、采樣保持器、 10bit 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、排序器、 ADC 控制寄存器、轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器等部分組成。 其主要特性如下： 帶采 樣和保持器（ S/H）的 10bit 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，最小轉(zhuǎn)換時(shí)間 375ns。 16 個(gè)模擬輸入通道（ ADCIN0 ADCIN15）。 自動(dòng)排序能力。一次可執(zhí)行最多 16 個(gè)通道的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，每次要轉(zhuǎn)換的通道由編程決定。 兩個(gè)獨(dú)立的最多可選擇 8 個(gè)模擬轉(zhuǎn)換通道的排序器（ SEQ1和 SEQ2）可以獨(dú)立工作在雙排序器模式，或者級(jí)連后工作在一個(gè)可最多選擇 16 個(gè)模擬轉(zhuǎn)換通道的排序器模式。 在給定排序方式下， 4 個(gè)排序控制器（ CHSELSEQn）決定模 黑龍江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè) 論文 （ 設(shè)計(jì) ） 第 13 頁(yè) 擬通道轉(zhuǎn)換順序。 多個(gè)觸發(fā)源可以啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換：軟件立即啟動(dòng)，事件管理器EVA/EVB 中 的事件源，外部 ADSOC 引腳。 靈活的中斷控制允許在每一個(gè)或每隔一個(gè)序列結(jié)束時(shí)產(chǎn)生中斷請(qǐng)求。 內(nèi)置校驗(yàn)?zāi)Ｊ健?內(nèi)置自測(cè)試模式。 當(dāng)滿量程電壓 FSR=3.3V 時(shí)，該 ADC 模塊分辨力 =3.3/2100.00322 V=3.22mV。該 ADC 模塊的分辨力和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速率（ 375ns）完全能夠滿足課題對(duì)焊接電壓、電流的采樣要求，且通過(guò)設(shè)置最大轉(zhuǎn)換通道數(shù)寄存器（ MAXCONV）和通道選擇排序控制寄存器（ CHSELSEn）可以控制 ADC 模塊連續(xù)對(duì)焊接電壓、電流進(jìn)行 n 次采樣，方便程序?qū)Σ杉降臄?shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波處理。因此， 課題在設(shè)計(jì)中沒(méi)有用單獨(dú)的 A/D 轉(zhuǎn)換器芯片。 2.A/D 輸入信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì) 實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的檢測(cè)間接焊接質(zhì)量（電弧電壓、電流等）是實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程穩(wěn)定控制的前提。在本課題中，電弧電壓和焊接電流是焊接過(guò)程中主要的檢測(cè)及控制對(duì)象。它們分別通過(guò)弧壓傳感器和電流傳感器饋入控制回路，經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理后輸入 A/D 轉(zhuǎn)換器。其中信號(hào)調(diào)理電路主要由隔離、濾波、衰減 /放大和限幅電路構(gòu)成。 1、 隔離電路 IS0122 是采用滯回 由于傳感器部分受電焊機(jī)干擾嚴(yán)重，電源和地都存在很大的紋波，故在傳感器信號(hào)的輸入端加了隔離電路，對(duì)傳感器板的電源和地進(jìn)行 隔離。本課題使用了 BB 公司的電容耦合型精密隔離 放大器 ISO122。 調(diào)制 解調(diào)技術(shù)設(shè)計(jì)的電容耦合精密隔離放大器。價(jià)格低，使用方便。從該芯片的功能圖 13可知，它的輸入部分和輸出部分分別放在殼體兩邊，中間用兩個(gè)匹配的 1pF 電容形成模擬信號(hào)的電氣隔離。輸入部分由輸入積分 黑龍江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè) 論文 （ 設(shè)計(jì) ） 第 14 頁(yè) 器 Al、檢測(cè)放大器所控制的 100 A 電流源、滯回比較器等組成滯回調(diào) 制電路。因?yàn)檩斎氩糠趾洼敵霾糠质峭耆珜?duì)稱的，制造時(shí)又采用激光調(diào)整工藝使兩部分完全匹配，因此在輸出端能得到高精度重現(xiàn) VIN 的輸出信號(hào)。 IS0122 使用非常方便，只須在器件的 輸入和輸出部分分別接入 4.5V- 18V 的隔離電源，不用任何外部元件即可正常工作。這時(shí)隔離放大器將 1：1 地傳輸信號(hào)，其增益誤差小于 0.5。對(duì) IS0122P U，其非線性誤差小于等于 0.02，信號(hào)帶寬可達(dá) 50kHz。 2、濾波電路設(shè)計(jì) 為去除傳感器輸出信號(hào)中的高頻干擾，需在信號(hào)輸入調(diào)理通道中設(shè)計(jì)抗混疊低通濾波器?？够殳B低通濾波器一般為有源低通濾波器，按通帶濾波特性可分為最大平坦型濾波器、等紋波型濾波器、線性相移型濾波器等。在實(shí)際設(shè)計(jì)中通常對(duì)應(yīng)采用的有三種形式： （ 1）巴特沃茲（ Butterworth） 型低通濾波器 巴特沃茲型低通濾波器在通帶內(nèi)具有接近理想低通濾波器的平坦特性，所以又稱最大平坦型濾波器。各種階數(shù)的巴特沃茲濾波器均具有單調(diào)下降的幅頻特性，階數(shù)越高，下降越陡，下降斜率為 20ndB/10倍頻，具有較好的沖擊響應(yīng)特 性。 (n 為濾波器階數(shù) ) （ 2）切比雪夫（ Chebyshev）型低通濾波器 切比雪夫型低通濾波器，階數(shù) n 越高，幅頻特性下降的越陡，由于通帶內(nèi)有等紋波起伏，所以又稱等紋波型濾波器。它的通帶特性不如最大平坦型的好， 但是就過(guò)渡帶內(nèi)幅頻特性下降陡度來(lái)說(shuō)，它比最大平坦型的陡得多。且通帶內(nèi)紋波幅度 越大，其過(guò)渡帶內(nèi)幅頻特性下降越陡。 （ 3）貝塞爾（ Bessel）型低通濾波器 貝塞爾型低通濾波器是線性相移型濾波器，它具有最大平坦群時(shí)延，具有很好的階躍響應(yīng)特性。通常用于對(duì)信號(hào)響應(yīng)速度要求高的場(chǎng)合。 黑龍江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè) 論文 （ 設(shè)計(jì) ） 第 15 頁(yè) 課題設(shè)計(jì)要求濾波器通帶內(nèi)具有平坦的低通濾波器特性且過(guò)渡帶較陡，綜合考慮后選用了有源四階巴特沃茲型低通濾波器作為抗混疊濾波器。它由兩個(gè)二階濾波器串聯(lián)組成。其傳遞函數(shù)如下式： 圖中電容參數(shù)值計(jì)算公式如下： 式（ 3-2）（ 3-5）中， fc 為低通濾波器的 3dB 頻率，單位為赫茲（ Hz），電容單位為法拉（ F）， 電阻單位為歐姆。 本課題中，考慮截止頻率為 fc=20KHz，選擇 R=5.1KM，由式（ 3-2）（ 3-5）計(jì)算匹配電容值得： Ca=1.69nF， Cb=1.44nF， Cc=4.08nF，Cd=597pF。課題設(shè)計(jì)實(shí)際使用的電容值為： Ca=1.5nF， Cb=1.5nF，Cc=4.4nF， Cd=510pF。 現(xiàn)場(chǎng)焊接試驗(yàn)證明，該濾波器設(shè)計(jì)可以較好的濾除傳感器輸出信 黑龍江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè) 論文 （ 設(shè)計(jì) ） 第 16 頁(yè) 號(hào)中的高頻干擾，保證了數(shù)據(jù)采集的可靠性，并可明顯減少由于干擾造成的算法誤判斷。 3、衰減 /放大及限幅保護(hù) 電壓和電流傳感器在焊機(jī)正常工作狀態(tài)下基本滿足線 性關(guān)系。對(duì)于弧壓傳感器，有如下關(guān)系： v弧壓 =11 Vuo-1 式中： v弧壓 電弧電壓（ V）； Vuo 弧壓傳感器輸出電壓。 NB500 焊機(jī)空載時(shí)，最高輸出為 85V，實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，焊接過(guò)程中弧壓高于 56V 的時(shí)候都可認(rèn)為電弧未建立，當(dāng)弧壓為 15 40V 之間時(shí)為燃弧階段，而短路過(guò)程中電壓一般低于 12V。由式 3-6 得弧壓傳感器輸出和電弧狀態(tài)對(duì)應(yīng)有表一： 對(duì)電流傳感器，有如下公式： I 電弧 =200V io （ 3-7） 式 中： I 電弧 焊接電流（ I）； V io 電流傳感器輸出電壓（ V）。 正常的焊接電流范圍為 0 650A，當(dāng)電流小于 20A 時(shí)，電弧未建立，焊絲同工件之間為開(kāi)路狀態(tài)；當(dāng)電流在 20 550A 之間時(shí)，為正常工作電流；當(dāng)電流值高于 650A 時(shí)，為過(guò)流狀態(tài)，應(yīng)啟動(dòng)保護(hù)電路。由 3-7 式，得電流傳感器輸出和電焊機(jī)工作狀態(tài)對(duì)應(yīng)有表二： 黑龍江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè) 論文 （ 設(shè)計(jì) ） 第 17 頁(yè) TMS320LF2407A 的 A/D 模塊 REFHIV 最大輸入值為 3.3V，實(shí)際設(shè)計(jì)中該引腳接 3.3V，此時(shí) A/D 滿量程為 3.3V 故傳感器輸出的信號(hào)在輸入 ADC 前必須進(jìn)行衰減限幅。由表一，當(dāng)電壓高于 3.72V 時(shí)電弧未建立，不需要進(jìn)行專門的算法控制故不需要精確獲得采樣值，可采用大比例衰減，以保證在傳感器最大輸出時(shí)，通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路能夠衰減到 3.3V 以下，在電壓小于 3.72V 時(shí)采用小比例衰減，保證采樣分辨力。由表二，電流傳感器輸出只在過(guò)流狀態(tài)下可能超過(guò) 3.3V，故只需限幅即可。 課題在設(shè)計(jì)上采用軟硬件結(jié)合的方式，通過(guò)程序控制多路選擇器（ ADG408）進(jìn)行不同增益檔選擇。 ADG408 是 AD 公司的高性能模擬多路開(kāi)關(guān)。它具有功耗低、開(kāi)關(guān)速度快、開(kāi)關(guān)接通阻抗低（ 100 歐 姆）等特點(diǎn) 38。 當(dāng)弧壓超過(guò) 56V（空載）時(shí)，選擇 1/3 衰減（此時(shí)，允許最大弧壓 90V， ADC 對(duì)弧壓的分辨力為 1LSB=90V/210 0.09V）；當(dāng)弧壓低于 47V（燃?。r(shí)，選擇 3/4 衰減（此時(shí)， ADC 對(duì)弧壓的分辨力有1LSB=47V/210 0.05V）。為了保證 ADC 輸入信號(hào)電壓不超過(guò) 3.3V 損壞器件，在信號(hào)調(diào)理通路末端采用 3.3V 穩(wěn)壓二極管限幅。電壓傳感器信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)圖如圖 3-13 所示。 黑龍江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè) 論文 （ 設(shè)計(jì) ） 第 18 頁(yè) (五 ) 數(shù)字電源主控板 D/A 轉(zhuǎn)換及輸出信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì) 1. D/A 轉(zhuǎn)換器 DAC7625 課題 設(shè)計(jì)中采用了 BB 公司的 4 路 12 bit 雙緩沖數(shù)模轉(zhuǎn)換器件DAC7625，可實(shí)現(xiàn) 4 路地址裝載的全部?jī)?nèi)容在同一時(shí)間轉(zhuǎn)化為模擬輸出。該芯片具有如下特點(diǎn)： 低功耗（ 20 mW）； 可工作在單極性或者雙極性模式下； 還原時(shí)間短 10us to 0.012%； 在 -45 +85范圍內(nèi)單調(diào)線性； 數(shù)據(jù)可回讀； 雙緩沖數(shù)據(jù)輸入。 DAC7625 可工作在 +5V 的單電源供電模式下，也可以工作在 5V的雙電源模式下。其每一路輸出的最大電壓和最小電壓由外部參考電壓 REFHV 和 REFLV 設(shè)定。數(shù)字輸入端為 12bit 并行輸入。 DAC7625的輸入輸出關(guān)系可用下式表示： （ 3 9） 式中： N 數(shù)字輸入值。 黑龍江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè) 論文 （ 設(shè)計(jì) ） 第 19 頁(yè) 在課題中 DAC7625 工作在單極性模式下，參考電壓由 2.5V 的電壓基準(zhǔn)源 MC1403 提供，則 DAC7625 的 REFH V=2.5V， REFLV=0V，此時(shí)，輸出電壓范圍為： OUTV=02.5V。設(shè)計(jì)中，參考電壓和供電電壓管腳處加 0.1uF 的旁路電容。電 路如圖 3-14 所示。 2. D/A 輸出信號(hào)調(diào)理通道 在本課題的設(shè)計(jì)中， D/A 的控制輸出作為 PWM 脈寬調(diào)制的最主要的控制量輸入，并沒(méi)有直接用來(lái)驅(qū)動(dòng) PWM，而是和另外一 個(gè)電流反饋信號(hào)進(jìn)行加法運(yùn)算后作為最終控制量輸入。因此，根據(jù)原有電路要求， D/A 的輸出量在參與運(yùn)算前必須進(jìn)行調(diào)理，將 0 +2.5V 的輸出值反向放大為 0 -10V，并對(duì)輸出作隔離，防止 PWM 模塊的干擾信號(hào)干擾主控板電路。隔離運(yùn)放仍然是采用 ISO122 芯片。該信號(hào)調(diào)理通路設(shè)計(jì)如圖 3-15 所示。 黑龍江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè) 論文 （ 設(shè)計(jì) ） 第 20 頁(yè) 為了平滑 D/A 的輸出，在反饋回路加濾波電容。在本課題中所有模擬信號(hào)調(diào)理電路中的有源運(yùn)放為 TL084。 (六 ) 主控板與控制面板的通信接口及其他譯碼電路的 CPLD 實(shí)現(xiàn) 在電源主控板的 DSP 系統(tǒng)中，主控板與控制面板（單片 機(jī)系統(tǒng)）的通信接口、 DAC 以及狀態(tài)指示等都是作為 TMS320LF2407A 的 I/O空間數(shù)據(jù)端口來(lái)進(jìn)行訪問(wèn)操作的。課題中，各 I/O 空間地址分配見(jiàn)表三示： 注： 1、 *代表為 DSP 讀信號(hào)有效，其他為寫信號(hào)有效 2、 表示通過(guò) A1、 A0 選擇 DAC 轉(zhuǎn)換通道及寄存器 3、譯碼時(shí) TMS320LF2407A 的 /IS 信號(hào)有效，對(duì)外部 I/O 空間 黑龍江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè) 論文 （ 設(shè)計(jì) ） 第 21 頁(yè) 1 、 CPLD 簡(jiǎn)介 隨著半導(dǎo)體技術(shù)、集成電路技術(shù)的迅猛發(fā)展，出現(xiàn)了 FPGA（ Field Programmable Gates Array，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）和 CPLD(Complex ProgrammableLogic Device，復(fù)雜可編程邏輯器件 )器件，可編程器件不僅使設(shè)計(jì)的系統(tǒng)達(dá)到小型化、集成化和高可靠性，而且器件可編程的特點(diǎn)大大縮短了設(shè)計(jì)周期、減少了設(shè)計(jì)費(fèi)用、降低了設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。 與 FPGA（ Field Programmable Gates Array，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）相比 CPLD 器件邏輯塊扇入較大，通常有數(shù)十個(gè)輸入輸出端； CPLD的邏輯塊采用集總式開(kāi)關(guān)元件，特點(diǎn)是等延時(shí)，而 FPGA 的互聯(lián)是分布式的，其時(shí)延與芯片內(nèi)部布局有關(guān)。而 CPLD 器件比 FPGA 器件的邏輯能力強(qiáng)，但是寄存 器少，正好對(duì)應(yīng)控制密集型電路的需要。因此，課題中選用了 Altera 公司的 MAX7000S 系列 CPLD 器件。 它屬于 MAX7000S 系列，具有 2500 個(gè)可用門、 128 個(gè)宏單元、最大用戶 I/O 數(shù)為 68 個(gè)、計(jì)數(shù)器工作頻率可達(dá) 151.5MHz，可通過(guò)JTAG(Joint TestAction Group，聯(lián)合測(cè)試行動(dòng)小組 )接口實(shí)現(xiàn)在線編程。 標(biāo)準(zhǔn) JTAG 采用個(gè)基本信號(hào)： TCK， TMS， TDI， TDO。其中，TCK 為同步時(shí)鐘， TMS 為 JTAG 方式選擇， TDI、 TDO 分別為串行數(shù)據(jù)輸入和串行數(shù)據(jù)輸出。 JTAG 接口硬件 電路設(shè)計(jì)如圖 3-16 所示。 黑龍江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè) 論文 （ 設(shè)計(jì) ） 第 22 頁(yè) 2、 CPLD 電路設(shè)計(jì) 課題 CPLD 內(nèi)部電路框圖如圖 3-17 所示。它主要完成電源主控板與控制面板的并行數(shù)據(jù)通信，包括八位并行數(shù)據(jù)線和四根握手信號(hào)線，以及主控板上的譯碼電路。 在外圍硬件電路設(shè)計(jì)中，由于 CPLD 芯片提供了很多個(gè)電源引腳，為了減少芯片內(nèi)部的干擾，盡量在每個(gè)電源引腳處加一個(gè) 0.1uF 的去耦電容。另外，設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量使用 CPLD 所提供的全局變量，如全局時(shí)鐘 CLK。對(duì)于未用到的全局變量，應(yīng)將其引腳連接到地。 （ 七 ) 電源主控板串行通信接口設(shè)計(jì) TMS320LF2407A 器件內(nèi)部有串行通信接口 SCI 模塊。 SCI 模塊支持 DSP 與其他使用標(biāo)準(zhǔn)格式的異步外設(shè)之間的數(shù)據(jù)通信。 SCI 模塊的發(fā)送器和接收器都是雙緩沖的，每一個(gè)都有其自己獨(dú)立的使能和中斷標(biāo)志位，二者既可以獨(dú)立工作，也可工作在全雙工模式下。通過(guò) 16bit的波特率選擇寄存器，數(shù)據(jù)傳輸速度可以被編程為 65535 種不同方式。該模塊主要特性如下： SCITXD(數(shù)據(jù)發(fā)送引腳 )、 SCIRXD(數(shù)據(jù)接收引腳 )，在非 SCI 黑龍江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè) 論文 （ 設(shè)計(jì) ） 第 23 頁(yè) 模式下可作為通用 I/O 引腳； 通過(guò) 16bit 的波特率選擇寄存器 SCIHBAUD 和 SCILBAUD，可編程為 64K 中不同 波特率； 數(shù)據(jù)格式：一個(gè)起始位， 1 8 位可編程數(shù)據(jù)字長(zhǎng)度，可選擇的奇 /偶 /無(wú)校驗(yàn)位，一個(gè)或兩個(gè)停止位； 半雙工或全雙工操作； 雙緩沖的接收和發(fā)送。 當(dāng)波特率選擇寄存器 BRR 值不為零時(shí)： SCI 異步波特率 =SYSCLK/(BRR+1) 8 （ 3-10） 當(dāng)波特率選擇寄存器 BRR=0 時(shí)， SCI 異步波特率 =SYSCLK/16 式中 SYSCLK 系統(tǒng)時(shí)鐘頻率。 課題設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為 40MHz，設(shè)定波特率為 9600bps 進(jìn)行 RS232 通信，此時(shí)有： BRR=40 106/(9600 8)-1=519.8 207H 波特率選擇寄存器設(shè)置為： SCIHBAUD=02H， SCILBAUD=07H。 由于本課題在設(shè)計(jì)串行通信接口時(shí)，使用的 RS232 串行通信驅(qū)動(dòng)接口芯片是 MAX232，其邏輯電平為 5V，故在其與 TMS320LF2407A串行通信模塊接口時(shí)需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，硬件設(shè)計(jì)時(shí)需要注意。 四 、 數(shù)字化 IGBT 逆變焊機(jī)控制面板電路設(shè)計(jì) (一 ) 控制面板功能需求分析 在本課題硬件設(shè)計(jì)中，控制面板不僅是數(shù)字化電焊機(jī)的人機(jī)操作界面的控制管理板，也是整個(gè)數(shù)字化電焊機(jī)系統(tǒng)事務(wù)處理的核心板，電源主控板在硬件設(shè)計(jì)的地位上 是控制面板的一個(gè)外設(shè)板，同時(shí)也是整個(gè)數(shù)字化控制系統(tǒng)核心部件，它是 IGBT 逆變焊機(jī)數(shù)字化研究成功與否的關(guān)鍵硬件設(shè)計(jì)部分?？刂泼姘逶诠δ苌蟿t完成了人機(jī)界面的管理以及為電源主控板提供相應(yīng)的焊接參數(shù)等事務(wù)性處理功能。它所應(yīng) 黑龍江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè) 論文 （ 設(shè)計(jì) ） 第 24 頁(yè) 該具有的主要功能如下： 參數(shù)設(shè)置、顯示。需通過(guò)控制面板實(shí)現(xiàn)焊接要設(shè)置的焊接參數(shù)有：焊接電壓、焊接電流（送絲速度）、波控參數(shù)。 通過(guò)控制面板實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)、短焊縫的選擇。 通過(guò)控制面板實(shí)現(xiàn)焊絲規(guī)格選擇。 顯示當(dāng)前工作電壓、電流及波控參數(shù)。 用戶工作參數(shù)保存。 與電源主控板進(jìn)行通信，完成焊接參數(shù)的設(shè)置。 與送 絲機(jī)構(gòu)通信，完成送絲速度的設(shè)定。 (二 )控制面板硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖 按照控制面板的功能需求，本課題將控制面板的硬件設(shè)計(jì)分為單片機(jī)系統(tǒng)部分、七段 LED 顯示、鍵盤控制、與電源主控板通信接口、與送絲機(jī)構(gòu)通信接口、 RS232/RS485 總線接口等幾部分。具體機(jī)構(gòu)框圖如圖 3-18 所示。 (三 )控制面板單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 控制面板采用 MCS51 單片機(jī)構(gòu)成事務(wù)管理控制系統(tǒng)。 MCS51 系列單片機(jī)是目前應(yīng)用最為廣泛的一種微控制器，它具有接口電路簡(jiǎn)單，功能豐富等特點(diǎn)，在生產(chǎn)生活中有著廣泛的應(yīng)用。在本課題中，使用了 89C52 單片 機(jī)。下面將從以下幾個(gè)方面加以介紹。 黑龍江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè) 論文 （ 設(shè)計(jì) ） 第 25 頁(yè) 1.外設(shè)地址譯碼 在本課題的單片機(jī)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，顯示、鍵盤、與電源主控板的通信接口以及與送絲機(jī)構(gòu)的通信接口的訪問(wèn)都是通過(guò)地址譯碼實(shí)現(xiàn)的，即給各部分分配一個(gè)唯一的端口地址，把這些外設(shè)端口當(dāng)作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的一個(gè)地址單元來(lái)訪問(wèn)。譯碼電路如圖 3-19 所示： 根據(jù)讀寫功能的不同，控制面板的具體譯碼及對(duì)應(yīng)端口映射關(guān)系見(jiàn)表四：2.串行接口的非易失性存儲(chǔ)器 單片機(jī)外部擴(kuò)展了一個(gè)串行接口的 EEPROM AT24C16，用以存儲(chǔ) 黑龍江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè) 論文 （ 設(shè)計(jì) ） 第 26 頁(yè) 部分焊接規(guī)范參數(shù)。 AT24C16 是一個(gè)具有 I2 C 接口規(guī)范的 EEPROM，存儲(chǔ)容量為 16K bit，按 2k 8 組織，可重復(fù)擦寫一百萬(wàn)次，數(shù)據(jù)保存時(shí)間為 100 年。 AT24C16 接口簡(jiǎn)單，占用資源少，但需要軟件編程完成數(shù)據(jù)讀寫操作。電路如圖 3-20 所示，采用 89C52 單片機(jī)的 P1.3 和P1.4 口作串行時(shí)鐘和串行數(shù)據(jù)線。單片機(jī)的 P1.2 口接 WP 引腳，控制AT24C16 的寫入使能。 3. RS232/485 接口及上電復(fù)位電路設(shè)計(jì) 89C52 單片機(jī)具有一個(gè)全雙工串行接口，通過(guò) MAX232 驅(qū)動(dòng) /接收器芯片可同具有標(biāo)準(zhǔn)異步串口的設(shè)備進(jìn)行通信。這里預(yù)留該功能，可通過(guò)該 串行接口同電源主控板或外接 PC 進(jìn)行通信，方便調(diào)試。 為了提高可靠性，采用了復(fù)位兼看門狗電路 MAX813L，對(duì)單片機(jī)進(jìn)行上電復(fù)位和定時(shí)復(fù)位，以防止軟件運(yùn)行失控。用單片機(jī)的一個(gè)I/O 口（ P1.7）對(duì)定時(shí)器進(jìn)行清零，當(dāng)程序在執(zhí)行過(guò)程中跳飛或進(jìn)入死循環(huán)時(shí)，程序不能在定時(shí)溢出前對(duì)其進(jìn)行清零，就會(huì)使 MAX813L 定時(shí)溢出而產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，使單片機(jī)重新啟動(dòng)。 (四 ) 控制面板顯示及鍵盤接口電路設(shè)計(jì) 在本課題設(shè)計(jì)中，控制面板是焊接人員使用電焊機(jī)最直接也是唯一的操作接口。作為人機(jī)操作界面，該部分的設(shè)計(jì)要求操作界面友好，指示簡(jiǎn)單 明了，使用方便、簡(jiǎn)潔，使焊機(jī)使用人員能夠快速掌握面板的使用技巧。在參考國(guó)外同類產(chǎn)品的面板功能設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，結(jié)合本課題具體實(shí)現(xiàn)的功能設(shè)計(jì)了數(shù)字顯示、功能指示和鍵盤響應(yīng)三部分硬 黑龍江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè) 論文 （ 設(shè)計(jì) ） 第 27 頁(yè) 件功能，并配合相應(yīng)的軟件實(shí)現(xiàn)。 1.顯示電路 如前所述，電焊機(jī)在使用中要求能夠反映出當(dāng)前設(shè)定和工作的電壓、電流等參數(shù)。在傳統(tǒng)模擬焊機(jī)的設(shè)計(jì)中一般采用指針式電壓表，焊接人員需要從表盤上估讀出當(dāng)前工作參數(shù)，界面不直觀，且容易出現(xiàn)誤讀。在本課題中采用七段 LED 數(shù)碼顯示，將當(dāng)前工作參數(shù)，以及設(shè)定時(shí)的數(shù)值直接顯示出來(lái)，直觀明了。 在硬件設(shè)計(jì)上，使用 CD4511 靜態(tài)驅(qū)動(dòng)七段 LED 數(shù)碼管。 CD4511是 BCD 7 段譯碼 /驅(qū)動(dòng) /鎖存器。 CD4511 從 A、 B、 C、 D 輸入待顯示的 BCD 碼，當(dāng) LE=0 時(shí)輸入數(shù)據(jù)（ BCD 碼），當(dāng) LE=1 時(shí)數(shù)據(jù)鎖存。數(shù)據(jù)輸入后，立即在引腳 a g 輸出用于驅(qū)動(dòng)共陰極 LED 顯示器的字段的信號(hào)。當(dāng) LT=0，進(jìn)行燈測(cè)試，使 LED 顯示器顯示“ 8”，當(dāng) BI=0時(shí)，顯示器消隱顯示 。 七段 LED 數(shù)碼管顯示靜態(tài)接口設(shè)計(jì)如圖 3-21所示。 在 A、 B、 C、 D 四個(gè) BCD 碼輸入端應(yīng)接 4 個(gè) 5.1K 上拉電阻，使單片機(jī)的輸出電平與 CD4511的 CMOS輸入電平相 容，同時(shí)，在 CD4511七段輸出與數(shù)碼管七段輸入之間應(yīng)接七個(gè) 250 歐左右的限流電阻。 另外，課題設(shè)計(jì)了發(fā)光二極管電路用來(lái)指示當(dāng)前焊機(jī)工作的其他 黑龍江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè) 論文 （ 設(shè)計(jì) ） 第 28 頁(yè) 一些參數(shù)，如長(zhǎng)短焊縫的選擇顯示，焊絲直徑的選擇顯示等。 2.鍵盤接口電路 鍵盤設(shè)計(jì)包括了 0 9 十個(gè)數(shù)字鍵、電壓設(shè)定選擇鍵、電流設(shè)定選擇鍵、波控參數(shù)設(shè)定選擇鍵、窗口選擇鍵、單增計(jì)數(shù)鍵、確認(rèn)鍵共 16個(gè)按鍵。單片機(jī)通過(guò)對(duì)預(yù)先譯碼設(shè)定的鍵值端口定時(shí)讀取操作完成對(duì)按鍵的掃描。該方式下軟硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，不足之處是需要不斷的掃描鍵值端口，一定程度上占用了系統(tǒng)資源。鍵盤接口電路如圖 3-22 所示。 (五 )控制面板與電源主控板和送絲機(jī)的通信接口 1.控制面板與電源主控板通信接口 如前所述，控制面板與電源主控板之間通過(guò)并行數(shù)據(jù)總線和握手信號(hào)線進(jìn)行通信，傳遞焊接參數(shù)，以及焊接過(guò)程中的間接焊接質(zhì)量（焊接電壓和電流）以及其他的控制信息。 該部分電路的關(guān)鍵是如何設(shè)計(jì)硬件握手信號(hào)，在本課題設(shè)計(jì)中使 黑龍江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè) 論文 （ 設(shè)計(jì) ） 第 29 頁(yè) 用了中斷響應(yīng)和讀寫信號(hào)線相結(jié)合的辦法。當(dāng)電源主控板要寫數(shù)據(jù)給單片機(jī)時(shí)， DSP 將數(shù)據(jù)寫入通信端口鎖存，同時(shí)， DSP 的寫信號(hào)作為一個(gè)請(qǐng)求信號(hào)送給單片機(jī)的中斷引腳。當(dāng)單片機(jī)收到中斷請(qǐng)求后，將數(shù)據(jù)從通信端口讀出，同 時(shí)，單片機(jī)的讀信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)答信號(hào)通知DSP，數(shù)據(jù)已經(jīng)取走，可以進(jìn)行下一步操作。 同理，當(dāng)單片機(jī)要寫數(shù)據(jù)給電源主控板時(shí)，單片機(jī)將數(shù)據(jù)寫入通信端口鎖存，同時(shí)，單片機(jī)的寫信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求送給 DSP，當(dāng)DSP 收到中斷請(qǐng)求后，將數(shù)據(jù)從通信端口讀出，同時(shí)， DSP 的讀信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)答信號(hào)通知單片機(jī)，數(shù)據(jù)已經(jīng)取走，可以進(jìn)行下一步操作。通過(guò)這種軟硬件結(jié)合的通信機(jī)制完成數(shù)據(jù)通信。 該部分電路主要在電源主控板端由 CPLD 實(shí)現(xiàn)，在控制面板上僅使用標(biāo)準(zhǔn)通用數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)了一個(gè)接口。 2.控制面板與送絲機(jī)