基于PDIUSBD12的電阻焊控制器USB通信接口設(shè)計(jì)

2014-03-21 13:16:29馬海林冀春濤

儀表技術(shù)與傳感器 2014年7期

馬海林，冀春濤，涂　狄

(南昌航空大學(xué)航空制造工程學(xué)院，江西南昌　330063)

0　引言

為了精確控制焊接過程，要對焊接中產(chǎn)生的機(jī)械和電信息進(jìn)行采集，并將采集到的信息傳給PC機(jī)，利用PC機(jī)強(qiáng)大的功能，顯示和分析處理這些信息；同時(shí)，PC機(jī)可以存儲(chǔ)和管理大量焊接材料和工藝信息，并把相關(guān)參數(shù)傳送給電阻焊控制器。因此在PC機(jī)和電阻焊控制器(下位機(jī))之間實(shí)現(xiàn)高速、可靠而方便的數(shù)據(jù)傳輸顯得十分重要。USB串行總線傳輸速度快，USB2．0 的理論極限速度可達(dá)到480 Mb/s，可以實(shí)現(xiàn)PC機(jī)和下位機(jī)之間快速傳輸大量數(shù)據(jù)。它支持熱拔熱插，使用方便，最多可以擴(kuò)展127個(gè)接口，可以解決計(jì)算機(jī)插槽不足問題[1]。USB串行總線接口技術(shù)以其高速，可靠，方便等優(yōu)點(diǎn)，在越來越多的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中得到了應(yīng)用。

文中提出一種基于PDIUSBD12的USB接口設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序和人機(jī)界面。通過USB接口把上位機(jī)輸入的焊接參數(shù)如焊接電流，焊接時(shí)間等傳送給下位機(jī)，下位機(jī)將焊接過程中采集到的焊接電流，電極位移，電極壓力采樣值傳給上位機(jī)，并實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示、分析和保存。

1　接口結(jié)構(gòu)和工作原理

如圖1所示，接口主要由3個(gè)模塊構(gòu)成：PC機(jī)、USB接口模塊(CPU1)、電阻焊控制模塊(CPU2)。USB通信主要靠USB接口模塊完成，USB固件程序存儲(chǔ)在CPU1程序存儲(chǔ)器中，其主要的作用是實(shí)現(xiàn)USB 的枚舉，USB枚舉成功后就可以進(jìn)行通信。PC機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)調(diào)用Writefile()函數(shù)將數(shù)據(jù)寫入U(xiǎn)SB芯片相關(guān)寄存器，USB芯片接收到數(shù)據(jù)后以中斷方式通知CPU1，CPU1進(jìn)入中斷服務(wù)程序訪問USB芯片寄存器單元，讀取從PC機(jī)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，再通過串行口將讀到數(shù)據(jù)發(fā)給控制模塊CPU2。PC機(jī)接收數(shù)據(jù)流程與發(fā)送數(shù)據(jù)流程剛好相反，接收數(shù)據(jù)是通過調(diào)用Readfile()函數(shù)實(shí)現(xiàn)。

圖1　接口結(jié)構(gòu)圖

1．1硬件設(shè)計(jì)方案

PDIUSBDl2(以下簡稱D12)作為USB接口芯片，它支持USB2．0的全速模式(12 Mb/s)，具有數(shù)據(jù)流指示燈和軟連接功能，自帶8位并行口與MCU連接，還支持本地的DMA傳輸[2]。MCU采用了STC89C52RC，它運(yùn)行速度高、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)且易于開發(fā)。

USB接口模塊硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，圖中右上角的USB PORT為預(yù)留下來的USB口A型插頭，它通過USB數(shù)據(jù)線連接到PC機(jī)，它的引腳1接5 V電源，可利用USB的竊電性能，讓PC機(jī)給USB接口模塊直接供電。

D12提供了20個(gè)用于與外部電路連接的引腳。D+和D-為USB差分?jǐn)?shù)據(jù)線，將其接到USB插頭的2，3腳；D(0)-D(7)為輸入、輸出雙向數(shù)據(jù)口，與單片機(jī)的P0口相接，利用它實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸；GL_N為芯片工作指示燈，接一個(gè)發(fā)光LED1，USB連接成功時(shí)，點(diǎn)亮LED1，數(shù)據(jù)在總線傳輸時(shí)LED2閃爍；RESET_N為復(fù)位引腳，由于D12芯片以內(nèi)置上電復(fù)位電路，將其通過上拉電阻拉到高電平；X1和X2外接6 MHz晶體。

CPU1和CPU2之間進(jìn)行串口通信，CPU1的RXD、TXD和VSS分別連到CPU2的TXD、RXD和VSS。

圖2　USB接口模塊硬件結(jié)構(gòu)圖

1．2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)分為3個(gè)部分：USB固件程序(存儲(chǔ)在CPU1)，USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，人機(jī)界面程序。

1．2．1USB固件程序

如圖3所示，USB固件程序主要由3個(gè)模塊構(gòu)成：枚舉程序、主程序、中斷服務(wù)程序。當(dāng)檢測到設(shè)備插入時(shí)，系統(tǒng)會(huì)首先調(diào)用枚舉程序，枚舉程序的主要功能是實(shí)現(xiàn)USB的識(shí)別(主機(jī)發(fā)送設(shè)備信息請求，設(shè)備返回描述信息的過程)。USB枚舉成功后進(jìn)入主程序，主程序循環(huán)查詢中斷標(biāo)志(發(fā)送和接收數(shù)據(jù)產(chǎn)生的中斷)。程序產(chǎn)生中斷后，進(jìn)入相應(yīng)中斷子程序進(jìn)行中斷處理，進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)存以及顯示。

圖3　固件程序結(jié)構(gòu)圖

1．2．2驅(qū)動(dòng)程序

合適的開發(fā)壞境對于開發(fā)USB驅(qū)動(dòng)很重要。VC++6.0和DDK是必不可少的驅(qū)動(dòng)開發(fā)軟件，VC++6．0作為程序編譯環(huán)境，DDK做驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)，它功能強(qiáng)大，但是開發(fā)過程復(fù)雜[3]。為了降低難度，這里使用了第三方工具：Driver Studio(以下簡稱DS)，DS以類的方式對DDK進(jìn)行包裝，使用向?qū)深愃芃FC的驅(qū)動(dòng)框架。再調(diào)用KUsbLowerDevices類發(fā)送各種控制信息和狀態(tài)請求，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的信息配置；調(diào)用KUsbInterface類描述USB接口，管理設(shè)備管道的存?。徽{(diào)用KUsbPipe類描述管道功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸[4]。

1．2．3人機(jī)界面

上位機(jī)程序主要通作用是實(shí)現(xiàn)USB設(shè)備開啟和關(guān)閉；接受和發(fā)送數(shù)據(jù)；對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)等處理；可根據(jù)不同焊機(jī)系統(tǒng)控制的需要編寫相應(yīng)的人機(jī)界面。

如圖4所示，采用VC++6．0針對電阻焊控制器功能設(shè)計(jì)人機(jī)界面。界面上設(shè)計(jì)了“預(yù)壓”，“焊接電流1”、“焊接電流2”、“通電時(shí)間1”，“通電時(shí)間2” “維持”，“休止”7個(gè)焊接參數(shù)輸入框；“參數(shù)保存”按鈕的功能是將設(shè)置好的參數(shù)以記錄的形式保存到SQL數(shù)據(jù)庫；“參數(shù)發(fā)送”按鈕的功能是將焊接參數(shù)通過USB接口模塊發(fā)送至電阻焊控制模塊。“焊接啟動(dòng)”按鈕的功能是啟動(dòng)一個(gè)焊接循環(huán)，界面有5個(gè)指示燈，當(dāng)焊接循環(huán)進(jìn)入相應(yīng)階段時(shí)會(huì)點(diǎn)亮對應(yīng)的指示燈。圖像顯示按鈕功能是實(shí)時(shí)采集焊接過程中的電極位移，焊接壓力，焊接電流參數(shù)，并通過坐標(biāo)曲線圖顯示出來，該圖可以反映焊接過程中各個(gè)參數(shù)的具體變化情況，從而有助于在線焊接質(zhì)量監(jiān)測。信息顯示框顯示操作的基本信息，如設(shè)備打開，參數(shù)保存，焊接啟動(dòng)等操作都會(huì)在信息顯示框中出現(xiàn)相應(yīng)提示。

2　試驗(yàn)結(jié)果

利用設(shè)計(jì)的接口進(jìn)行PC機(jī)和電阻焊控制器之間的通信。用南昌航空大學(xué)研制的DZ-3×100智能型三相次級整流電阻點(diǎn)焊機(jī)，對LY12×2 mm)進(jìn)行搭接點(diǎn)焊。采用

圖4　電阻點(diǎn)焊人機(jī)界面

雙電流脈沖、階梯式壓力進(jìn)行焊接。輸入焊接參數(shù)，點(diǎn)擊“參數(shù)發(fā)送”、“焊接啟動(dòng)”按鈕，啟動(dòng)一個(gè)焊接循環(huán)。點(diǎn)擊 “圖像顯示”按鈕，電阻焊控制器返回的如圖5所示的焊接質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控圖。接口實(shí)現(xiàn)了PC機(jī)與電阻焊控制器之間的雙向數(shù)據(jù)傳輸。