基于雙處理器的點焊控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

摘要：針對點焊的控制特點，設(shè)計了一種基于雙處理器的點焊控制系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，DSP模塊負責(zé)智能控制程序運算，MCU模塊負責(zé)進行人機對話，而信號的輸入輸出則由獨立的ADIO模塊負責(zé)。模擬試驗表明，該硬件系統(tǒng)滿足工作要求。

關(guān)鍵詞：點焊控制 雙處理器 硬件設(shè)計

點焊是將焊件裝配成搭接接頭，并壓緊在兩電極之間，利用電流通過焊件時產(chǎn)生的電阻熱熔化母材金屬，冷卻后形成焊點的一種電阻焊方法。其通電加熱時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。

點焊是一個高度非線性、存在多變量耦合作用和大量隨機不確定因素的過程，其形核處于封閉狀態(tài)，時間極短，特征信號提取困難，控制難度較大。

1 設(shè)計思想和總體方案

近年來，智能控制技術(shù)正被積極地引入點焊控制研究領(lǐng)域，但由于其算法高度復(fù)雜、計算密集，因此對系統(tǒng)的實時性要求越來越高。另一方面，DSP（數(shù)字信號處理器）技術(shù)的蓬勃發(fā)展，使得其在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。因此在本設(shè)計中，使用DSP作核心處理器，充分發(fā)揮其運算速度快的優(yōu)勢，并嘗試利用多種智能控制算法對點焊進行質(zhì)量控制，以提高焊點的質(zhì)量和可靠性。

在實際工作中，點焊需要設(shè)置的參數(shù)較多，操作者不得不依賴于各種手冊、說明書和/或?qū)＜揖幹频墓に囄募磉M行設(shè)備；而且在選定參數(shù)之后，往往還需要通過一系列的旋鈕、按鈕等開關(guān)進行設(shè)置，操作復(fù)雜，容易造成混亂。因此在本設(shè)計中，應(yīng)用MCU（單片機）實現(xiàn)人機對話功能。通過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，也有助于實現(xiàn)點焊專家系統(tǒng)。

由于點焊系統(tǒng)工作在大電流、強磁場的環(huán)境下，因此控制系統(tǒng)的抗干擾問題尤為重要，且DSP的工作頻率高，所以將信號的輸入、輸出部分和DSP、MCU模塊分開，設(shè)計獨立的ADIO模塊。

系統(tǒng)的總體方案如圖1所示。

2 DSP模塊的設(shè)計

本系統(tǒng)選用了DSK-TMS320VC5402芯片作控制核心。DSP是TI公司提供的一套標準的DSP開發(fā)平臺，其目的是令使用者能較能地開發(fā)和應(yīng)用基于DSP的系統(tǒng)，為最終的目標系統(tǒng)提供軟、硬件設(shè)計參考模板。有關(guān)DSK的具體說明請參閱有關(guān)的技術(shù)資料。

DSK提供了存儲器接口和外圍設(shè)備接口兩列擴展接口。根據(jù)“灰箱法”的設(shè)計思想，不用完全理解DSK的內(nèi)部原理，只需在對其整體有一個基本了解的基礎(chǔ)上，選擇可能要用到的信號即可。因此專門設(shè)計了一塊轉(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個信號，如表1所示。

表1 轉(zhuǎn)接板信號

3 ADIO模塊的設(shè)計

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

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來控制的。MCBSP通過其數(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，那么接下來的12位就會被當(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的控制信號輸入口和已轉(zhuǎn)換好的數(shù)字信號輸出口。當(dāng)TLV2544按DSP發(fā)出的控制字轉(zhuǎn)換到一定時候（如FIFO堆棧滿）時，則發(fā)出INT信號通知DSP接收。DSP接收到INT信號后，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)計中，輸入和輸出電路均采用光隔PC817傳遞邏輯信號，實現(xiàn)電氣隔離。另外還使用反相器74HC14對傳輸信號進行整形，利用施密特特性消除毛刺干擾，提高信號傳輸?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，以增強線驅(qū)動能力，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要讀取它的時候，先給輸入一個低電平，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處理。

因為輸出的開關(guān)量需要保持開或關(guān)的狀態(tài)，所以在輸出電路中使用了鎖存器74LS373，進行緩沖和鎖存，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，從而實現(xiàn)了開關(guān)量的數(shù)據(jù)輸出。