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

摘要：針對(duì)點(diǎn)焊的控制特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于雙處理器的點(diǎn)焊控制系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，DSP模塊負(fù)責(zé)智能控制程序運(yùn)算，MCU模塊負(fù)責(zé)進(jìn)行人機(jī)對(duì)話，而信號(hào)的輸入輸出則由獨(dú)立的ADIO模塊負(fù)責(zé)。模擬試驗(yàn)表明，該硬件系統(tǒng)滿足工作要求。

關(guān)鍵詞：點(diǎn)焊控制 雙處理器 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)明書和/或?qū)＜揖幹频墓に囄募?lái)進(jìn)行設(shè)備；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ADIO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-TMS320VC5402芯片作控制核心。DSP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能地開(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DSP之間通訊的橋梁。從DSP中引出了26個(gè)信號(hào)，如表1所示。

表1 轉(zhuǎn)接板信號(hào)

3 ADIO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-TLV2544。

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)壓二極管又濾波電容103組成，構(gòu)成模擬輸入部分；第二部分由TLV2544組成，完成A/D轉(zhuǎn)換；第三部分由八相緩沖器74LS244組成，完成DSP與TLV2544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TLV2544的SDI口，該控制字為16位，前4位是指令位。如果TLV2544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74HC14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74LS244，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74LS373，進(jìn)行緩沖和鎖存，如圖3所示。當(dāng)輸出由低電平變?yōu)楦唠娖綍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)榈碗娖剑飧魧?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。