李 賓，馮曰海，吳統(tǒng)立

（南京理工大學材料科學與工程學院，江蘇南京210094）

基于藍牙4.0的數(shù)字化焊機同步PC監(jiān)控系統(tǒng)

李 賓，馮曰海，吳統(tǒng)立

（南京理工大學材料科學與工程學院，江蘇南京210094）

為促進焊接技術智能化、網絡化、信息化發(fā)展，以更加便捷的方式控制焊接過程并實時監(jiān)測焊接工藝參數(shù)，保證焊接質量，提出了一種基于藍牙4.0的焊接過程監(jiān)控軟件方案。系統(tǒng)采用自定義的焊接參數(shù)和命令通信協(xié)議，基于藍牙4.0協(xié)議棧實現(xiàn)穩(wěn)定可靠的無線數(shù)據傳輸，上位機軟件結合VS2010提供的MFC平臺，采用多線程設計方法，既滿足了窗口界面對用戶的響應，又使GMAW的焊接電流、電弧電壓等參數(shù)得到及時處理，并利用SQL Server數(shù)據庫實現(xiàn)工藝參數(shù)的保存、查詢、分析等功能，為焊接質量的分析提供依據。經測試表明，該系統(tǒng)能夠方便地對焊接過程進行控制，對焊接工藝的主要參數(shù)進行實時采集、監(jiān)控和保存，且系統(tǒng)工作穩(wěn)定。

焊接質量；藍牙4.0；無線監(jiān)控；數(shù)據庫

0 前言

焊接過程非常容易受到外界的影響，而保證質量的關鍵是使焊接電流電壓等工藝參數(shù)穩(wěn)定可靠，這對實際焊接過程的實時參數(shù)監(jiān)控提出了更高要求，同時也要求焊接參數(shù)的實時記錄，以利于后續(xù)分析，從而保證焊接質量的穩(wěn)定性[1-2]；傳統(tǒng)的焊接為近距離操控，不便于對焊接過程進行觀察和迅速響應[3]，焊接通信系統(tǒng)不易安裝升級、抗干擾能力弱、數(shù)據傳輸速度慢；焊接設備眾多，生產區(qū)域分散、面積大，設備管理困難；操作人員擅自修改規(guī)范不易察覺[4]。因此，有必要改進目前的焊接監(jiān)控系統(tǒng)，彌補焊接現(xiàn)場設備的網絡化研究的不足，促進焊接集成數(shù)字信息制造的發(fā)展[5]。

目前參數(shù)采集系統(tǒng)大多基于LabView虛擬儀器，成本較高，系統(tǒng)較復雜，而本系統(tǒng)上位機基于平臺VC++進行編程，采用藍牙4.0技術即可滿足實際應用需求。藍牙4.0具有低功耗、低成本、高速率等特點，便于雙向無線通信，采用快速跳頻和短包技術，能夠適應焊接現(xiàn)場電磁干擾大的特點，而且通信較易實現(xiàn)，布線簡單，便于保證焊接規(guī)范統(tǒng)一性[6]。

本研究將以藍牙4.0無線通信協(xié)議為基礎，進行數(shù)字化焊機同步的在線焊接過程無線監(jiān)控系統(tǒng)設計，開發(fā)PC Windows數(shù)字化焊接過程監(jiān)控軟件，并進行系統(tǒng)測試和試驗研究。

1 系統(tǒng)總體設計

基于藍牙4.0的焊接系統(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，將主電路上采集到的電壓、電流反饋信號輸入到DSP芯片，經一定的算法輸出PWM波形控制IGBT全橋逆變電路。DSP處理器和藍牙從機之間通過RS232通信，藍牙主機和PC之間則通過USB接口通信。

上位機一方面可以控制焊接過程，即通過相關屬性頁進行焊接參數(shù)的設置、檢氣、送絲等控制指令，以上命令通過用戶通信協(xié)議經藍牙發(fā)送給焊機的主控板，由DSP處理器進行處理；另一方面監(jiān)控焊接狀態(tài)過程，即對焊接參數(shù)實時顯示，過/欠電壓、過流、過熱等故障指示及參數(shù)同步保存，保證焊接過程正常運行。

圖1 基于藍牙4.0的焊接系統(tǒng)框圖Fig.1 Welding system block diagram based on the Bluetooth 4.0

2 數(shù)字化焊機藍牙通信模塊

利用藍牙技術可以在一定的距離內進行通信，省去電纜連接，且保證了焊接質量。藍牙芯片CC2540是一款高性價比、低功耗的片上系統(tǒng)（SOC），支持BLE通信，芯片集成的RF收發(fā)器為實現(xiàn)焊接參數(shù)的準確、實時無線傳輸提供了很好的硬件平臺，不僅降低了干擾，使控制更加準確、及時，而且降低了成本，縮小了硬件體積。CC2540應用電路是藍牙通信模塊的核心組成部分，如圖2所示。圖2中的集成巴倫應用電路實現(xiàn)2.4G射頻設備的射頻輸出端與天線之間的信號匹配及阻抗匹配，該巴倫既具有極小的機械尺寸，其內部還集成了濾波器組件，進一步降低了諧波輻射，在很大程度上提高了信噪比，性能穩(wěn)定、可靠。

3 系統(tǒng)軟件設計

監(jiān)控系統(tǒng)基于以DSP控制單元為核心的參數(shù)采集模塊、藍牙4.0通信模塊和PC設計，主要討論本軟件系統(tǒng)的上位機和藍牙4.0通信模塊的開發(fā)。軟件的功能模塊化結構如圖3所示。

3.1 通信協(xié)議的制定

上位機與下位機在焊接過程中進行實時的數(shù)據交互，為了保證通信的可靠性和高效性，遵循用戶層通信協(xié)議制定原則設計了符合要求的協(xié)議幀。

圖2 焊接參數(shù)藍牙傳輸模塊Fig.2 Bluetooth module for welding parameters

圖3 焊接參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)軟件總體設計Fig.3 Software design of welding parameter monitoring system

（1）“采集參數(shù)設置與監(jiān)控”屬性頁中，如圖4所示，數(shù)據幀用來傳遞焊接工藝參數(shù)命令，其總長度為6B，包含電壓、電流相關采樣值，幀頭，焊絲材質、直徑，保護氣體，校驗等內容。通過“設置完成”命令，把數(shù)據包發(fā)送給下位機。

（2）“數(shù)據采集與保存”屬性頁，如圖8所示，接收從下位機傳遞的電壓電流等監(jiān)控數(shù)據。協(xié)議幀長度為3B，上位機根據解析的電壓電流數(shù)據繪制實時動態(tài)曲線，保存工藝參數(shù)并顯示故障信息。其他的用戶通信協(xié)議，如上位機給焊機發(fā)送控制命令等不再贅述。

3.2 上位機程序設計

監(jiān)控軟件由一個主對話框類CUartDataGetDlg和兩個屬性頁類CSetParam和CMonitorParam及相關菜單組成，如圖4所示。屬性頁分別對應“采集參數(shù)設置與監(jiān)控”和“數(shù)據采集與保存”，前者包括焊機組、預留串口和焊接速度設置，還有相關的預置參數(shù)和過程控制命令；后者其中加入TeeChart控件來完成實時曲線的顯示，如圖5所示。菜單中包括用戶管理，工藝參數(shù)和系統(tǒng)參數(shù)（串口配置，采集頻率設置等），過程控制命令，數(shù)據處理如實時波形、歷史波形、數(shù)據保存等功能信息，監(jiān)控界面下方時刻監(jiān)視焊接狀態(tài)，淺色為工作正常，深色為異常等信息。同時為了滿足多線程串口編程的需要，系統(tǒng)采用在Windows平臺下第三方的開源串口類（SerialPort類）實現(xiàn)串口通信，其工作流程為：首先設置好串口參數(shù)，再開啟串口監(jiān)測工作線程，對接收數(shù)據來說，串口監(jiān)測工作線程監(jiān)測到串口接收到的數(shù)據、流控制事件或其他串口事件后，就以消息方式通知主程序，激發(fā)消息處理函數(shù)來進行數(shù)據處理。

圖4 采集參數(shù)設置與監(jiān)控屬性頁Fig.4 Acquisition parameter setting and monitoring pro-perty page

圖8 藍牙采集到的電壓電流波形Fig.8 Voltage and current waveforms acquired by Bluetooth

監(jiān)控軟件由兩個后臺工作者線程和一個界面主線程組成。對數(shù)據接收來說，主線程的任務流程如圖6所示。首先進行系統(tǒng)初始化，包括窗口初始化、數(shù)據庫連接及相關初始化，然后建立焊接參數(shù)保存線程，界面顯示及串口初始化，監(jiān)視采集參數(shù)的串口工作線程的創(chuàng)建；再通過消息驅動的方式，CSetParam屬性頁實時接收監(jiān)視線程的采集數(shù)據，并把含有焊接工藝參數(shù)的串口消息傳遞給CMonitorParam屬性頁，后者負責處理串口數(shù)據，在主對話框中顯示異常報警信息，并實時完成參數(shù)曲線繪制，最后斷開數(shù)據庫連接，關閉線程。同時，主線程負責監(jiān)控界面的顯示以及人機交互的任務。

圖6 焊接參數(shù)監(jiān)控主線程Fig.6 Main thread in welding parameter monitoring software design

工作線程包括采集參數(shù)監(jiān)控線程和保存線程。采集參數(shù)監(jiān)視線程使用臨界區(qū)同步機制，防止破壞共享數(shù)據。焊接參數(shù)保存線程主要任務是把焊接參數(shù)插入數(shù)據庫，通過設置一個全局變量防止保存冗余數(shù)據。界面主線程通過使用共享數(shù)組繪制參數(shù)曲線，同時注意數(shù)據的一致性。這樣既能實時保存工藝參數(shù)，又使主線程具有良好的界面相應性能和數(shù)據處理能力，提高系統(tǒng)的可靠性和實時性。

3.3 數(shù)據庫設計

數(shù)據庫設計將直接影響焊接監(jiān)控系統(tǒng)功能。數(shù)據庫明確地描述數(shù)據的相互關系，減小數(shù)據的冗余，壓縮數(shù)據存儲空間，使其使用和維護方便快捷，可以滿足無線焊機監(jiān)控數(shù)據存儲與查詢的需要。

程序中利用SQL Server開發(fā)了關系型數(shù)據庫，針對焊接參數(shù)監(jiān)控內容，創(chuàng)建數(shù)據庫UartData，建立焊接參數(shù)表PARAMETERS_TBL用于保存實時焊接工藝參數(shù)（見表1），另外創(chuàng)建預置參數(shù)表SET_TBL，用于保存焊接預置參數(shù)信息。采用ADO技術進行數(shù)據庫鏈接，首先初始化COM庫，引入ADO庫定義文件；然后用Connection對象鏈接數(shù)據庫；鏈接成功之后，利用Recordset對象取得結果記錄集進行查詢、處理；最后關閉鏈接釋放對象。

表1 焊接采集參數(shù)基本信息表Tab.1 The basic information table of welding parameter acquisition

3.4 藍牙4.0通信軟件設計

藍牙通信部分主要實現(xiàn)主從藍牙模塊間的無線通信以及它們與外圍設備的串口功能。采集焊接參數(shù)時，通過配置從機的profile，新建保存焊接參數(shù)的特征值，從機通過通知功能給主機發(fā)送采集數(shù)據，上位機通過向從機寫特征值功能發(fā)送焊接命令及預置參數(shù)。

藍牙協(xié)議棧采用分層結構，軟件的每一層都會建立對應的任務ID，都有相應的任務初始化函數(shù)及事件處理函數(shù)。藍牙模塊軟件結構由BLE協(xié)議棧，配置文件和所有的應用程序組成，都運行在操作系統(tǒng)抽象層（OSAL）之上，OSAL不斷對每層的任務進行輪詢，當某層有事件發(fā)生時，會調用對應的事件處理函數(shù)進行處理。通信軟件流程如圖7所示，首先，藍牙模塊、協(xié)議棧以及各層任務進行初始化，模塊間進行鏈接，鏈接參數(shù)的設置應保證通信速率較快和監(jiān)控過程的穩(wěn)定運行。任務有優(yōu)先級之分，應用層優(yōu)先級最低，從高優(yōu)先級開始查詢，任務索引號n初始化為零，如果藍牙模塊接收到焊接采集數(shù)據或焊接命令，數(shù)據將從底層傳遞到應用層，調用應用層的事件處理函數(shù)，把數(shù)據通過集成到協(xié)議棧的串口回調函數(shù)發(fā)送給PC或DSP控制單元；如果藍牙模塊從DSP控制單元或PC獲得焊接參數(shù)或焊接命令，也會觸發(fā)相應的事件處理函數(shù)把參數(shù)數(shù)據包無線發(fā)送給另一藍牙模塊。

此外，考慮到實際要求，采用協(xié)議棧1.4.0實現(xiàn)無線通信，該協(xié)議棧新增加了一個并行處理能力，提高了通信的吞吐量并降低了電源損耗，協(xié)議棧還更新了UART_DMA的驅動，解決了串口速率過大時丟包問題，除此之外，串口數(shù)據可以通過回調方式進行處理，對比占用OSAL消息隊列方式，數(shù)據傳送更為及時。設計的通信軟件整體上保證了焊接參數(shù)傳輸?shù)募皶r性和可靠性。

圖7 焊接參數(shù)及命令無線傳輸模塊軟件流程Fig.7 Module software flow chart about welding parameters and commands wireless transmission

4 系統(tǒng)測試

鑒于當前焊接電源工作電壓和電流頻率范圍，根據香農采樣定理，為了不失真地恢復信號，設置采樣頻率為1 kHz，試驗中對直流脈沖MIG焊進行焊接測試。程序中分別把采集到的焊接電流和焊接電壓按一定的比例放大后得到真實的工藝參數(shù)值，測試結果與實際參數(shù)基本一致。圖8為示波器采集到的電流電壓波形。實驗表明，焊接過程控制正常，所設計的PC機監(jiān)控軟件基本達到預期要求。

5 結論

該研究采用基于MFC多線程程序設計方法，實現(xiàn)了功能豐富的焊接過程監(jiān)控人機界面，并結合數(shù)據庫技術，有效解決數(shù)據存儲和處理問題；基于最新的藍牙4.0技術對藍牙模塊進行開發(fā)，通過傳輸焊接參數(shù)及命令通信協(xié)議，極大地提高了數(shù)據傳輸?shù)目垢蓴_能力，完成PC機和數(shù)字化焊接電源控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠無線通信。實驗證明，該監(jiān)控系統(tǒng)能夠實現(xiàn)對焊接過程的控制和實時監(jiān)測，與現(xiàn)有方案相比，具有低成本、低功耗、高可靠性等優(yōu)點，更好地滿足了實際焊接需要，保障了焊接質量，促進現(xiàn)代焊接技術的智能化、網絡化發(fā)展。

圖8 示波器采集到工藝參數(shù)（CH1為電壓通道，CH2為電流通道）Fig.8 Process parameters acquired by oscilloscope（CH1 for voltage channel，CH2 for the current channel）

[1]張勇.基于LabView虛擬儀器的CO2焊接參數(shù)采集分析系統(tǒng)[J].焊接學報，2003，24（4）：43-46.

[2]胡家琨，高進強，武傳松.T形接頭機器人CO2焊接過程實時監(jiān)控[J].焊接學報，2006，27（6）：79-82.

[3]李西恭，張云，朱燕從，等.基于藍牙技術的無線控制逆變焊機[J].電焊機，2009，39（2）：47-50.

[4]朱俊杰，楊成本.基于ZigBee技術的焊接電源群組化檢測系統(tǒng)設計[J].電焊機，2011，41（1）：24-27.

[5]曹彪，劉方，曾敏，等.逆變弧焊電源的遠程監(jiān)控系統(tǒng)研究[J].電焊機，2008，38（5）：34-37.

[6]邱寶，郝小江.焊接系統(tǒng)中無線監(jiān)控的設計與實現(xiàn)[J].電焊機，2012，42（10）：35-37.

Research on PC synchronous monitor system for digital welding machine based on Bluetooth 4.0

LI Bin，F(xiàn)ENG Yuehai，WU Tongli
（Nanjing University of Science and Technology，School of Materials Science and Engineering，Nanjing 210094，China）

In order to promote the development of intelligent，networked welding technology，and implement the control of the process and real-time monitoring of welding parameters in a more convenient way，a kind of welding process monitoring system scheme based on Bluetooth 4.0 is put forward.The wireless data transmission is stable and reliable by custom welding parameter and command communication protocol and Bluetooth 4 protocol stack，PC software is developed on VS2010 MFC platform，by using the multi thread design method，it can not only make windows meet the response to a user action，but also let the GMAW parameters such as current and voltage timely processed.Functions of save，query，analysis of process parameters are achieved by SQL Server database.According to the test results，the system can control the welding process conveniently，and the real-time data acquisition，monitoring and preservation of the main parameters of the welding process are achieved，the system is stable as well.

welding quality；Bluetooth 4.0；user interface；wireless monitoring；database

TG446

：A

1001-2303（2015）09-0066-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.09.14

2014-12-20

李 賓（1988—），男，江蘇連云港人，在讀碩士，主要從事焊接過程控制自動化方面的研究工作。