基于双处理器的点焊控制系统的硬件设计

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基于双处理器的点焊控制系统的硬件设计

摘要：针对点焊的控制特点，设计了一种基于双处理器的点焊控制系统。在该系统中，DSP模块负责智能控制程序运算，MCU模块负责进行人机对话，而信号的输入输出则由独立的AD&IO模块负责。模拟试验表明，该硬件系统满足工作要求。    关键词：点焊控制 双处理器 硬件设计
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备；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。
2 DSP模块的设计
本系统选用了DSK-TMS320VC5402芯片作控制核心。DSP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能地开发和应用基于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DSP之间通讯的桥梁。从DSP中引出了26个信号，如表1所示。

表1 转接板信号

信号名	作      用
电源与地信号
+5V	由DSK取出，使整个系统同时上电
GND	从DSK发出，保持系统的地信号相同
用于A/D电路的信号
ADEN	用作TLV2544片选和使能信号
X_FSX0	发送同步帧，使A/D转换开始
X_DX0	发送MCBSP对TLV2544的控制指令
X_FSR0	接收X_FSX0信号，使DSK和TLV2544保持同步
X_CLKX0	发送时钟频率信号给TLV2544
X_CLKR0	接收X_CLKX0时钟，使DSK和TLV2544保持时钟同步
X_DR0	接收TLV2544转换好的数字数据
用于I/O电路的信号
INPUT	用作允许输入信号
OCLOCK	用作输出锁存信号
OUTPUT	用作允许输出信号
X_D[07]	接入数据总线，传输I/O数据
用于MPU模块的控制信号
X_D[07]	接入数据总线，传输DSP与MPU之间的通讯数据
INT1	MCU向DSP发出的通信请求信号
X_IACK	DSP向MCU发出的确认信号
X_XF	DSP向MCU发出的通讯请求信号
X_BIO3	MCU向DSP发出的确认信号

3 AD&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。

3.1 A/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-TLV2544。

本设计中A/D转换电路分为三部分：第一部分由5.1V的稳压二极管又滤波电容103组成，构成模拟输入部分；第二部分由TLV2544组成，完成A/D转换；第三部分由八相缓冲器74LS244组成，完成DSP与TLV2544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TLV2544的SDI口，该控制字为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74HC14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74LS244，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74LS373，进行缓冲和锁存，如图3所示。当输出由低电平变为高电平时候，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。

4 MCU模块的设计

4.1 MCU扩展系统

在本设计中，MCU选用89C51，并扩展了片外ROM27512（64KB）和片外RAM6264（8KB），如图4所示。MCU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74LS138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RAM 6264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；列坚电平为高，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74LS240、锁存器74LS273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MG12232-5。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SED1520，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，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。

    4.3 MCU与DSP的通讯

该通讯电路由三片缓冲器74LS244（U6001、U6002及U6008、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负责把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。

李小路

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