涂志剛，馮曰海

（南京理工大學材料科學與工程學院，江蘇 南京 210094）

0 前言

隨著電子技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，焊接設(shè)備已朝著智能化、信息化、自動化和網(wǎng)絡(luò)化方面發(fā)展[1]。對于焊接質(zhì)量而言，焊接工藝參數(shù)的準確、實時監(jiān)控在焊接過程中極為重要[2]。在以往的焊接通信領(lǐng)域中，已經(jīng)有RS485和CAN總線等有線通信技術(shù)方案[3-4]，但其布線繁瑣、不易安裝升級。而基于RF射頻技術(shù)和ZigBee技術(shù)[5]等無線通信又因抗干擾能力較弱、傳輸速度慢而限制了其應(yīng)用。

藍牙4.0技術(shù)是一種低功耗、低成本、高速率的雙向無線通信技術(shù)，采用分散式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及快速跳頻和短包技術(shù)，極大地提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目垢蓴_能力，并且具有3 ms低延遲、100 m以上超長距離等諸多特色。數(shù)字信號處理器DSP的數(shù)字信號處理能力非常強大，大規(guī)模集成化和柔性化編程等優(yōu)點使其成為數(shù)字化焊接電源控制系統(tǒng)的最優(yōu)控制芯片[6]。本研究將以新型TMS320F28033 DSP芯片作為控制系統(tǒng)的核心，開展數(shù)字化焊接電源控制系統(tǒng)的研究，并進行焊接過程的藍牙通信功能設(shè)計與測試。

1 系統(tǒng)工作原理

設(shè)計的基于藍牙通信的焊接電源數(shù)字化控制系統(tǒng)如圖1所示。焊接電源系統(tǒng)主要由主電路和控制電路兩部分組成，利用霍爾電壓、電流傳感器將主電路上采集到的電壓、電流信號輸入TMS320F28033 DSP芯片的A/D模塊，然后DSP內(nèi)部通過一定的算法輸出PWM波形控制IGBT全橋逆變電路，同時輸出另外一路PWM波形控制送絲系統(tǒng)，保證焊接過程中穩(wěn)定的送絲。在控制系統(tǒng)中設(shè)計了過電流、過熱兩路保護電路，當在焊接過程中檢測到過電流、過熱信號時，主控系統(tǒng)會采取相應(yīng)措施對焊機進行保護。通過一套藍牙通信系統(tǒng)使焊機與PC機相連，從而實現(xiàn)人機交互。

圖1 基于藍牙通信的焊接電源數(shù)字化控制系統(tǒng)Fig.1 Digitalized control system for welding power source based on bluetooth communication

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)控制電路

系統(tǒng)控制電路主要由采樣電路、驅(qū)動電路、保護電路、送絲電路、人機交互系統(tǒng)電路以及其他外設(shè)電路組成。主控電路采用TI的TMS320F28033 DSP芯片作為系統(tǒng)的控制核心，該芯片是一款硬件和軟件資源十分豐富的32位DSP，多達45個具有輸入濾波功能的多路復用通用輸入輸出（GPIO）引腳，兩個8通道的12位A/D轉(zhuǎn)換器，最小轉(zhuǎn)換時間為216.67 ns。數(shù)字PWM控制采用了DSP的增強型脈寬調(diào)制器（ePWM）和高分辨率PWM（HRPWM）,從而進一步提高了PWM的分辨率。這些特性都使得焊接過程中熔滴過渡的快速、精確、實時控制成為可能。

2.2 采樣信號濾波電路

焊接過程中，電弧電壓、焊接電流分別通過電壓霍爾傳感器和電流霍爾傳感器進行采樣，然后將采樣到的電弧電壓、焊接電流信號通過如圖2所示的電路進行二階低通濾波和限幅處理，再傳輸?shù)紻SP的A/D模塊，作為電壓、電流反饋信號。二階低通有源濾波電路相比一階而言，過渡帶更窄，衰減斜率更大，而且濾波特性不受負載的影響，可以很好地濾除采樣信號中的雜波。

為了保護DSP芯片避免因輸入信號過大而造成的損壞，在采樣信號輸入到DSP的I/O口之前采用VD5和VD6兩個二極管對信號進行限幅處理，使其保持在0～3.3 V之間。還選用瞬變電壓抑制器NUP4201MR6用于抑制瞬變電壓，再一次對DSP進行保護。因為其低容值，所以可以用于保護高速數(shù)據(jù)線，適合應(yīng)用在焊接采樣電路中。

圖2 采樣信號濾波電路Fig.2 Sampling signal filter circuit

由于焊接中存在著電磁場和各種不同頻率的噪聲等干擾，為了提高采樣精度、減少干擾信號對采樣值的影響，所以對采樣值進行數(shù)字濾波處理和多次采樣取平均值，從而盡可能地減小采樣誤差。

2.3 數(shù)字PWM信號放大電路

在焊接時，DSP主控芯片將反饋電路反饋的焊接參數(shù)與焊接前給定的參數(shù)相比較，內(nèi)部通過一定算法輸出PWM波形給驅(qū)動電路，然后再去驅(qū)動IGBT模塊，從而控制焊接過程。但由于從DSP輸出的PWM不足以驅(qū)動MOSFET，因此在電路中增加了一路PWM信號放大電路，如圖3所示。芯片選用TC4427，該芯片是1.5A雙高速功率MOSFET驅(qū)動器，峰值輸出電流高達1.5 A，能夠在30 ns之內(nèi)快速地對1 000 pF的門極電容進行充、放電。

圖3 數(shù)字PWM信號放大電路Fig.3 Digital PWM signal amplifying circuit

2.4 CAN通信電路

隨著數(shù)字網(wǎng)絡(luò)化控制的發(fā)展，控制器局域網(wǎng)CAN在焊接中得到了廣泛的應(yīng)用。CAN總線是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串口通信網(wǎng)絡(luò)，它能夠很好地滿足系統(tǒng)對通信距離、通信速率和穩(wěn)定性等要求，目前已有部分焊機和機器人配備了CAN總線接口，為了實現(xiàn)和機器人的CAN通信，因此設(shè)計了一路CAN通信電路。采用TJA1041作為控制芯片，通信速度可達1 Mbaud，具有良好的EMC性能。電路如圖4所示，電阻R82、R83為兩個等值電阻，主要是使CANH和CANL信號對稱，進一步降低電磁輻射，ACT45B為共模濾波器，起到濾除共模信號的作用，PESD1CAN用于保護CAN總線避免因靜電而造成的損壞。

2.5 焊接參數(shù)藍牙傳輸電路

圖4 CAN通信電路Fig.4 CAN communication circuit

通過藍牙無線技術(shù)實現(xiàn)焊機和PC機之間的數(shù)據(jù)通信，從而可以在PC機上實時監(jiān)控焊接參數(shù)的變化，間接保證工件的焊接質(zhì)量。藍牙芯片CC2540是一款高性價比、低功耗的片上系統(tǒng)（SOC），即一個包含了出色的8051內(nèi)核的RF收發(fā)器，完全兼容藍牙4.0低功耗BLE協(xié)議。主節(jié)點通過USB接口與PC機進行通信，從節(jié)點通過RS232與DSP主控系統(tǒng)進行通信。

設(shè)計電路如圖5所示，XTAL2主要用于芯片的低功耗模式，由于該系統(tǒng)中用了一個非平衡天線收發(fā)信號，所以設(shè)計了一個由 C261、L261、C252和 L252組成的巴倫來實現(xiàn)射頻輸出端與天線之間的信號匹配，R301作為內(nèi)部偏置電阻使用。

圖5 焊接參數(shù)藍牙傳輸電路Fig.5 Bluetooth transmission circuit of welding parameter

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 無線通信協(xié)議

在進行無線通信時，通信雙方必須符合一定的協(xié)議，使主節(jié)點和從節(jié)點按照事先約定的格式進行各自的工作，這樣才能保證整個無線通信系統(tǒng)的順暢。主、從節(jié)點之間相互發(fā)送數(shù)據(jù)的頻率隨著工作狀態(tài)的變化動態(tài)調(diào)整，當焊機工作時，每1 s發(fā)送一次數(shù)據(jù)，而當焊機待機時，則每5 s發(fā)送一次數(shù)據(jù)，這樣可以有效地減輕無線通信的壓力，無線通信協(xié)議采用如表1所示的幀格式。

表1 自定義數(shù)據(jù)通信格式Tab.1 Self-defined data communication format

當數(shù)據(jù)發(fā)送時，在幀頭增加標志序列，接收端通過檢測該標志序列來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步。幀地址表示信息來源地址，焊接狀態(tài)表示焊接處于啟動或者停止狀態(tài)，CRC校驗碼用于判定數(shù)據(jù)包的有效性，避免錯誤信號的干擾。主、從節(jié)點相互進行通信時，首先對接收到的數(shù)據(jù)包進行有效性判定，然后根據(jù)幀地址來判斷信號的來源，再將焊接狀態(tài)、電流值、電壓值和送絲速度等數(shù)據(jù)通過PC機顯示出來。

在進行焊接無線數(shù)據(jù)通信時，將自定義的數(shù)據(jù)包封裝成msg，然后給OSAL系統(tǒng)設(shè)置一個任務(wù)，在輪循機制下執(zhí)行該任務(wù)，并將獲取的msg進一步封裝成noti信息格式。為了使從節(jié)點能夠響應(yīng)來自服務(wù)器的noti信息，必須在初始化的時候調(diào)用函數(shù)GATT_RegisterForInd（）進行注冊，當有消息時，將生成一個SYS_EVENT_MSG任務(wù)并被添加到任務(wù)鏈表中，之后由OSAL系統(tǒng)獲取任務(wù)對接收到的數(shù)據(jù)進行解封，再傳送給DSP進行焊接過程控制。

3.2 藍牙無線數(shù)據(jù)傳輸

為了實現(xiàn)主、從節(jié)點之間的無線通信，在BLECC254x藍牙協(xié)議棧中對GAP層和GATT層進行配置，然后調(diào)用API函數(shù)完成相應(yīng)操作。上電時Peripheral處于advertising狀態(tài)，然后Central通過按鍵開啟掃描功能，待掃描發(fā)現(xiàn)可連接的設(shè)備后，再通過按鍵選擇需要連接的設(shè)備，連接成功后就可以進行數(shù)據(jù)傳輸。本研究中利用串口命令代替藍牙模塊的按鍵，功能如表2所示。

表2 串口命令功能Tab.2 Serial port command menu

具體工作如下：首先對SimpleBLEPeripheral工程中的advertising進行設(shè)置，在SimpleBLEPeripheral_Init（uint8 task_id）函數(shù)中定義Peripheral上電后就使能advertising，然后調(diào)用GAPRole_SetParameter（）函數(shù)設(shè)置advertising狀態(tài)。

在SimpleBLECentral工程中，利用SimpleBLECentral_Init（uint8 task_id）函數(shù)對GAP和GATT進行配置，用串口發(fā)送的字符代替按鍵，然后調(diào)用串口接收處理函數(shù)去實現(xiàn)相應(yīng)的功能。當接收到字符1后，Central就調(diào)用GAPCentralRole_StartDiscovery（ ）函數(shù)使能掃描，發(fā)現(xiàn)設(shè)備后，選中需要連接的設(shè)備，再調(diào)用GAPCentralRole_EstablishLink（ ）函數(shù)建立連接，然后主、從節(jié)點進行數(shù)據(jù)通信。

3.3 主程序

無線通信系統(tǒng)的程序流程首先是對CC2540及外圍芯片進行系統(tǒng)初始化，打開事件中斷，然后進入省電模式，等待事件的中斷。數(shù)據(jù)發(fā)送和接收均采用中斷方式實現(xiàn)，這樣不僅可以減輕CPU的負擔，而且實時性也較好。當數(shù)據(jù)開始接收或者發(fā)送時便產(chǎn)生事件中斷去喚醒CPU，然后根據(jù)中斷事件調(diào)用相應(yīng)的中斷子程序進行處理，主程序流程如圖6所示。通過PC機輸入焊接參數(shù)給主節(jié)點，然后無線發(fā)送給從節(jié)點，數(shù)據(jù)校驗無誤后發(fā)送給DSP主控系統(tǒng)，控制焊接進行。隨后DSP主控系統(tǒng)控制焊接參數(shù)采集，將數(shù)據(jù)傳輸給從節(jié)點，再利用藍牙回傳給主節(jié)點，主節(jié)點校驗無誤后發(fā)送給PC機顯示，至此完成通信過程的一個工作循環(huán)。當焊機出現(xiàn)異常情況時，如過熱、過電壓等，則PC機上會顯示報警信號。

圖6 主程序流程Fig.6 Main program flow chart

3.4 系統(tǒng)測試

在焊接過程中由于存在著電磁場和噪聲等干擾，主、從節(jié)點能否進行正常的無線通信是實現(xiàn)焊接過程精確控制的關(guān)鍵。因此，安排主、從節(jié)點在不同距離下進行無線數(shù)據(jù)傳輸，通過驗證丟包率與通信距離的關(guān)系來間接說明干擾信號對藍牙通信的影響程度。主、從節(jié)點實物如圖7、圖8所示。

圖7 主節(jié)點實物Fig.7 Master

本測試中主節(jié)點向從節(jié)點發(fā)送1000個數(shù)據(jù)包，通信信道頻率2 405～2 480 MHz，測試地點在焊接實驗室中進行，障礙物較少，測試結(jié)果如表3所示。

圖8 從節(jié)點實物Fig.8 Slaver

表3 丟包率與通信距離的關(guān)系Tab.3 Relationships between packet loss rate and communication distance

測試數(shù)據(jù)表明，當通信距離在10 m之內(nèi)，由于周圍障礙物較少，丟包率也較小，在可接受范圍之內(nèi)，對于焊接控制不會有太大影響。當通信距離在10～20 m之間時，由于中間有一堵墻相隔，影響了無線通信的傳輸，丟包率較大，不過可滿足一般的焊接通信要求。

PC機通過CC2540主節(jié)點將焊接參數(shù)發(fā)送給從節(jié)點，然后通過RS232傳輸給DSP主控系統(tǒng)，發(fā)送的數(shù)據(jù)如圖9所示。

從節(jié)點將接收到的焊接參數(shù)通過藍牙回傳給主節(jié)點，然后通過PC機顯示，接收的數(shù)據(jù)如圖10所示。

4 結(jié)論

（1）采用新型TMS320F28033數(shù)字信號處理器為控制核心，設(shè)計了焊接電流和電弧電壓采樣電路、脈寬調(diào)制信號放大電路、CAN通信等外圍電路，構(gòu)成了一套焊接電源數(shù)字化控制硬件系統(tǒng)。

（2）基于CC2540無線通信芯片，設(shè)計了采用藍牙4.0協(xié)議傳輸?shù)暮附舆^程信號無線通信模塊。

圖9 發(fā)送數(shù)據(jù)顯示界面Fig.9 Transmit data display interface

圖10 接收數(shù)據(jù)顯示界面Fig.10 Receive data display interface

（3）無線通信測試結(jié)果表明，DSP數(shù)字焊機控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)焊接過程信號的遠程無線傳輸功能，通信距離遠，并且數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定。

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