基于DSK-TMS320VC5402TMS320VC5402芯片實(shí)現(xiàn)電焊控制系統(tǒng)的設(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(pán)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?

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(mén)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(pán)包括“0~9”?“?！?“確認(rèn)”?“上翻”?“下翻”?“取消”?“暫?！钡裙?6個(gè)鍵位，故采用4×4的矩陣式方案?矩陣式鍵盤(pán)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(pán)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(xiě)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(xiě)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(xiě)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?

責(zé)任編輯：gt