基于双处理器的点焊控制系统的硬件设计

单片机

点焊是将焊件装配成搭接接头，并压紧在两电极之间，利用电流通过焊件时产生的电阻热熔化母材金属，冷却后形成焊点的一种电阻焊方法。其通电加热时间一般为几至几十周波（一周波为０．０２ｓ），而电流有效值一般为几至几十ｋＡ。点焊是一个高度非线性、存在多变量耦合作用和大量随机不确定因素的过程，其形核处于封闭状态，时间极短，特征信号提取困难，控制难度较大。
１设计思想和总体方案
近年来，智能控制技术正被积极地引入点焊控制研究领域，但由于其算法高度复杂、计算密集，因此对系统的实时性要求越来越高。另一方面，ＤＳＰ（数字信号处理器）技术的蓬勃发展，使得其在工业控制领域的应用越来越广泛。因此在本设计中，使用ＤＳＰ作核心处理器，充分发挥其运算速度快的优势，并尝试利用多种智能控制算法对点焊进行质量控制，以提高焊点的质量和可靠性。在实际工作中，点焊需要设置的参数较多，操作者不得不依赖于各种手册、说明书和／或专家编制的工艺文件来进行设置；而且在选定参数之后，往往还需要通过一系列的旋钮、按钮等开关进行设置，操作复杂，容易造成混乱。因此在本设计中，应用ＭＣＵ（单片机）实现人机对话功能。通过键盘输入和液晶显示，既充分体现了数字化控制的优势，也有助于实现点焊专家系统。由于点焊系统工作在大电流、强磁场的环境下，因此控制系统的抗干扰问题尤为重要，且ＤＳＰ的工作频率高，所以将信号的输入、输出部分和ＤＳＰ、ＭＣＵ模块分开，设计独立的ＡＤ＆ＩＯ模块。
系统的总体方案如图１所示。

２ＤＳＰ模块的设计
本系统选用了ＤＳＫ－ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０２TMS320VC5402芯片作控制核心。ＤＳＫ是ＴＩ公司提供的一套标准的ＤＳＰ开发平台，其目的是令使用者能较快地开发和应用基于ＤＳＰ的系统，为最终的目标系统提供软、硬件设计参考模板。有关ＤＳＫ的具体说明请参阅有关的技术资料。
ＤＳＫ提供了存储器接口和外围设备接口两列扩展接口。根据"灰箱法"的设计思想，不用完全理解ＤＳＫ的内部原理，只需在对其整体有一个基本了解的基础上，选择可能要用到的信号即可。因此专门设计了一块转接板，作为外围电路与ＤＳＫ之间通讯的桥梁。从ＤＳＫ中引出了２６个信号，如表１所示。

３ＡＤ＆ＩＯ模块的设计
该模块包括Ａ／Ｄ转换、输入、输出三部分电路，它们分别负责模拟信号的输入和转换以及开关信号的输入和控制信号的输出。
３．１Ａ／Ｄ转换电路
Ａ／Ｄ转换器的选取主要考虑所采集的模拟信号的数量、精度及与ＤＳＰ的速度匹配等，综合考虑后，选用ＴＩ公司生产的１２位４通道高速ＡＤ－ＴＬＶ２５４４TLV2544。
本设计中Ａ／Ｄ转换电路分为三部分：第一部分由５．１Ｖ的稳压二极管及滤波电容１０３组成，构成模拟输入部分；第二部分由ＴＬＶ２５４４TLV2544组成，完成Ａ／Ｄ转换；第三部分由八相缓冲器７４ＬＳ２４４74LS244组成，完成ＤＳＰ与ＴＬＶ２５４４TLV2544之间的通讯，如图２所示。

Ａ／Ｄ转换电路的工作是由ＤＳＰ的多通道缓冲串口ＭＣＢＳＰ来控制的。ＭＣＢＳＰ通过其数据输出口ＤＸ０发送控制字到ＴＬＶ２５４４TLV2544的ＳＤＩ口，该控制字为１６位，前４位是指令位。如果ＴＬＶ２５４４TLV2544接收到的前四位是０ＸＡ，那么接下来的１２位就会被当作控制字译码；相反，如果前４位接收到的是０ＸＥ，那么ＡＤＣ将继续输出ＦＩＦＯ的内容到ＳＤＯ中。其中，ＳＤＩ和ＳＤＯ分别是ＴＬＶ２５４４的控制信号输入口和已转换好的数字信号输出口。当ＴＬＶ２５４４按ＤＳＰ发出的控制字转换到一定时候（如ＦＩＦＯ堆栈满）时，则发出ＩＮＴ信号通知ＤＳＰ接收。ＤＳＰ接收到ＩＮＴ信号后，经Ｘ＿ＤＲ０口读入ＴＬＶ２５４４已转换好的串行数据。
３．２输入和输出电路
为了抵抗电气干扰和高压电击，在本设计中，输入和输出电路均采用光隔ＰＣ８１７传递逻辑信号，实现电气隔离。另外还使用反相器７４ＨＣ１４74HC14对传输信号进行整形，利用施密特特性消除毛刺干扰，提高信号传输的抗干扰能力。输入和输出电路与ＤＳＰ的接口如图３所示。在输入电路中使用了缓冲器７４ＬＳ２４４74LS244，以增强线驱动能力，如图３所示。假设第二路输入为低电平，则光隔不导通，Ａ２也为低电平。ＤＳＰ要读取它的时候，先给输入一个低电平，然后用０２Ｈ（即００００００１０）去线与，判断Ｙ２的值是否为１，如果不为１则不读入，反之读入。其它输入也是这样来处理。

因为输出的开关量需要保持开或关的状态，所以在输出电路中使用了锁存器７４ＬＳ３７３74LS373，进行缓冲和锁存，如图３所示。当输出由低电平变为高电平的时候，ＤＳＰ将数据由Ｘ＿Ｄ[０～７]送到锁存器的输入端，然后再给ＯＣＬＯＣＫ一个低电平脉冲，数据即被锁存在锁存器的输出端。假如Ｑ０＝１，则经反相器后变为低电平，光隔导通；反之，光隔不导通，从而实现了开关量的数据输出。
４ＭＣＵ模块的设计
４．１ＭＣＵ扩展系统
在本设计中，ＭＣＵ选用８９Ｃ５１89C51，并扩展了片外ＲＯＭ２７５１２（６４ＫＢ）和片外ＲＡＭ６２６４（８ＫＢ），如图４所示。ＭＣＵ的Ｐ０口同时用作片外寻址的低地址线和数据线；Ｐ１口用作液晶显示的数据线；Ｐ２口用作高位地址线，其高３位Ｐ２５、Ｐ２６、Ｐ２７同时还作译码器７４ＬＳ１３８74LS1387的输入，该译码器的输出为片外ＲＡＭ的寻址访问信号。片外锁存器和ＲＡＭ６２６４是统一编址的，即每一片锁存器都有自己的地址。

４．２人机接口
在本设计中，键盘包括"０～９"、"．"、"确认"、"上翻"、"下翻"、"取消"、"暂停"等共１６个键位，故采用４×４的矩阵式方案。矩阵式键盘由行线和列线组成，按键设置在行、列线的交点上。行、列线分别连接到按键开关的两端。行线通过上拉电阻接到＋５Ｖ上。无按键动作时，行线处于高电平；而当有键按下时，行线电平状态将由与此行线相连的列线电平决定。列线电平如果为低，则行线电平为低；列线电平为高，则行线电平为高。从而可以识别出按键是否按下。键盘电路主要由单片机的Ｐ０口、八相反相缓冲器７４ＬＳ２４０74LS240、锁存器７４ＬＳ２７３74LS273以及一些上拉电阻组成。Ｐ０口用作数据线，八相反相缓冲器７４ＬＳ２４０缓冲行线的信号，锁存器７４ＬＳ２７３锁存从Ｐ０口送给列线的信号。对八相反相缓冲器７４ＬＳ２４０所缓冲的行线的值的读取是通过译码器７４ＬＳ１３８输出的译码信号Ｇ５来控制的，其读地址为ＢＦＦＦＨ；而对锁存器７４ＬＳ２７３的控制则是通过译码器输出的Ｇ６来控制的，对列的写地址为ＤＦＦＦＨ。在本设计中选用的液晶显示器是信利公司的ＭＧ－１２２３２－５。该液晶显示器带背光及温度补偿功能，左右有主、从两个控制器ＳＥＤ１５２０SED1520，上下分４页。汉字显示采用１２×１２点阵，数字、符号显示采用１２×６点阵。每个汉字占２４字节，数字、符号占１２字节，均烧入程序存储器。
液晶显示电路的工作原理为：由ＭＣＵ通过Ｐ１口向液晶显示器的数据线ＤＢ口输出显示数据和控制指令，通过Ｐ３口向液晶显示器输出对Ｅ１、Ｅ２、Ａ０、ＲＳＴ端口的控制字。液晶显示器的Ｅ１、Ｅ２、Ａ０、ＲＳＴ口信号分别为主控制器读写使能信号、从控制器使能信号、显示或指令选择信号以及复位信号。使用液晶显示器首先需要进行初始化，使其工作在规定的方式中。液晶初始化包括：复位、休闲状态设置、设置占空比、排序设置、设置显示起始行、开显示、自动显示的方向设置等。这些命令在操作中都是作为指令写入控制器的。然后再将要显示的汉字或字符数据送给液晶显示器，液晶显示器即可按控制字的要求进行显示。
４．３ＭＣＵ与ＤＳＰ的通讯
该通讯电路由三片缓冲器７４ＬＳ２４４74LS244（Ｕ６００１U6001、Ｕ６００２U6002及Ｕ６００８U6008、ＭＣＵ的Ｐ０口以及ＤＳＰ的Ｘ＿Ｄ[０～７]口组成，如图５、图６所示。各缓冲器的控制信号由译码器１３８的输出Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４组成。其中，Ｕ６００１负责将ＭＣＵ的数据送到ＤＳＰ，Ｕ６００２负责将ＤＳＰ的数据送到ＭＣＵ，而Ｕ６００８则负责发送ＭＣＵ与ＤＳＰ之间的通讯请求和确认信号。

ＤＳＰ向ＭＣＵ发送数据的过程为：ＤＳＰ将数据通过Ｘ＿Ｄ[０～７]口输出至缓冲器Ｕ６００２，同时由Ｘ＿ＸＦ发送通讯请求信号至ＭＰＵ的Ｐ００口，ＭＣＵ检测到该信号后，读取缓冲器Ｕ６００２的数据，然后通过Ｐ０２口发给ＤＳＰ一个确认信号。
ＭＣＵ向ＤＳＰ发送数据的过程与上相似。
模拟试验表明，本文介绍的硬件系统可以满足工作要求，为下一步的研究提供了良好的平台。作者试运行了电流有效值的神经网络求解和可控硅模糊控制等自编程序，均获得了良好的预期效果。

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