辛冉 劉強(qiáng)

摘 要：電子束焊接是一種先進(jìn)、成熟的高能束焊接技術(shù)，它具有抗氧化強(qiáng)、避免有害氣體侵入及焊接零件變形小等優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)其監(jiān)控系統(tǒng)具有重要意義。本課題采用Z-turn Board核心板開(kāi)發(fā)上位機(jī)，下位機(jī)采用STM32F103VC芯片，自主設(shè)計(jì)硬件電路，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、CAN通信等功能，通過(guò)CAN網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)之間的實(shí)時(shí)通信，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)柵偏電壓、燈絲電流、高壓和束流的實(shí)時(shí)監(jiān)控，本課題在Z-turn board核心板上運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)，系統(tǒng)安全穩(wěn)定，可靠性強(qiáng)，上位機(jī)人機(jī)界面使用qt軟件繪制而成。

關(guān)鍵詞：電子束焊接，Z-turn Board，CAN，Linux

0 引言

電子束焊接是通過(guò)電子槍中陰極產(chǎn)生電子，在陰陽(yáng)極之間的高壓電場(chǎng)使電子被加速到很高的速度，電子經(jīng)過(guò)必要的磁透鏡聚焦后，形成高速電子流，通過(guò)撞擊將電子的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成要焊接物體的熱能，要焊接的物體獲得高熱能而迅速融化，過(guò)一段時(shí)間后會(huì)形成焊接縫隙。電子束焊接具有傳統(tǒng)焊接方法難以比擬的優(yōu)勢(shì)和特殊功能：焊接能量密度高，容易實(shí)現(xiàn)金屬材料的深熔透焊接，焊縫窄、深寬比大、焊縫熱影響區(qū)小、焊接工藝參數(shù)容易精確控制、重復(fù)性和穩(wěn)定性好[1]，

所以電子束焊接基本上代表了目前最高性能的焊接水平[2]。本課題即研究對(duì)電子束在焊接過(guò)程中柵偏電壓、燈絲電流、高壓以及束流的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1總體設(shè)計(jì)概要

本課題主要研究?jī)?nèi)容包括如下：下位機(jī)對(duì)電子束焊機(jī)的柵偏電壓、燈絲電流、高壓、束流的數(shù)據(jù)采集，上位機(jī)和下位機(jī)之間通過(guò)控制器局域網(wǎng)絡(luò)（簡(jiǎn)稱CAN）實(shí)現(xiàn)將下位機(jī)采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，以及上位機(jī)顯示界面的設(shè)計(jì)和對(duì)采集的數(shù)據(jù)的顯示。

1.2下位機(jī)方案選擇

嵌入式：嵌入式運(yùn)算速度快，處理能力強(qiáng)，而且嵌入式相對(duì)于PLC與主機(jī)的通訊更簡(jiǎn)單方便，相對(duì)于PLC性價(jià)比更高，目前嵌入式已廣泛應(yīng)用于各類(lèi)家電器件、路由器及手機(jī)等領(lǐng)域。本方案選擇性價(jià)比更高，目前已廣泛應(yīng)用的嵌入式作為本課題的下位機(jī)。

1.3上位機(jī)方案選擇

Linux：具有眾多優(yōu)點(diǎn)：Linux操作系統(tǒng)是開(kāi)源的，而且內(nèi)核很小，可以滿足嵌入式的較低的處理能力，此外Linux加入了RT-Linux，這使得它具有實(shí)時(shí)能力。最后，Linux系統(tǒng)可以設(shè)置目錄和檔案的權(quán)限，大大的提高了系統(tǒng)的安全性。由于Linux有眾多優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)有越來(lái)越多的廠商進(jìn)入這一領(lǐng)域[3]。鑒于此，本課題選擇Linux系統(tǒng)。

2基于STM32下位機(jī)軟硬件設(shè)計(jì)

2.1 基于STM32數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 CPU最小系統(tǒng)

此次選用了STM32F103VCT6芯片作為主控芯片。

2.1.2電源電路

根據(jù)系統(tǒng)工作的需要，將5V電源通過(guò)LM1117-3.3芯片整流成3.3V，給stm32f103VC芯片供電。

2.1.3 一鍵下載電路

為了保證后續(xù)開(kāi)發(fā)的便捷性，控制板中還設(shè)計(jì)了USB供電及一鍵下載電路?？梢灾苯訉⒕幾g好的HEX文件燒錄到單片機(jī)中，大大增加了開(kāi)發(fā)的便捷性。

2.1.4 EEPROM電路

為了使系統(tǒng)能夠連續(xù)工作，必須把一些重要的數(shù)據(jù)保存下來(lái)，當(dāng)系統(tǒng)因出現(xiàn)故障或掉電不得不重新啟動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)能夠按照掉電或故障出現(xiàn)之前的設(shè)定狀態(tài)繼續(xù)運(yùn)行。本課題選擇外擴(kuò)一個(gè)AT24C256串行EEPROM芯片來(lái)保存數(shù)據(jù)。

2.1.5 信號(hào)調(diào)理電路

圖1中RT2是壓敏電阻，它的作用是當(dāng)電壓過(guò)高時(shí)吸收多余的電流以保護(hù)敏感器件。MMBD4148SE結(jié)構(gòu)圖，它內(nèi)部是兩個(gè)方向相反的二極管，圖2信號(hào)調(diào)理電路圖可知1端接地，2端接電源3.3V，3端接A2，當(dāng)3端電壓太大或太小時(shí)可以穩(wěn)定電壓，起到保護(hù)電路的目的。

2.1.6 通信電路

VP230是一個(gè) CAN總線的收發(fā)芯片，用VP230設(shè)計(jì)的CAN收發(fā)器能夠以1 Mbps的速度向CAN控制器提供總線和差分接收能力。

232接口： 接口使用一根信號(hào)線和一根信號(hào)返回線而構(gòu)成共地的傳輸形式，容易產(chǎn)生共模干擾，所以抗噪聲干擾性弱。

485接口：接口信號(hào)電平比RS-232降低了，就不易損壞接口電路的芯片，且該電平與TTL電平兼容，可方便與TTL 電路連接。采用平衡驅(qū)動(dòng)器和差分接收器的組合，抗共模干能力增強(qiáng)，即抗噪聲干擾性好。

2.2 下位機(jī)程序設(shè)計(jì)

下位機(jī)程序設(shè)計(jì)：

下位機(jī)采用stm32103VC芯片，下位機(jī)程序設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)初始化，ADC采樣模塊，定時(shí)器中斷模塊以及CAN通信模塊。

系統(tǒng)初始化包括GPIO初始化、定時(shí)器周期的設(shè)置、CAN通信的初始化。

ADC模塊：需要使能對(duì)應(yīng)AD時(shí)鐘，設(shè)置ADC的分頻因子，因?yàn)橐杉瘱牌妷?、燈絲電流、高壓和束流共四路AD，所以設(shè)置AD轉(zhuǎn)換模式為多通道模式，設(shè)置AD轉(zhuǎn)換為軟件觸發(fā)啟動(dòng)，并使能AD采樣。

定時(shí)器中斷模塊：使能定時(shí)器時(shí)鐘，初始化定時(shí)器，設(shè)置中斷優(yōu)先級(jí)，并使能定時(shí)器。在定時(shí)器中斷中采樣。

CAN通信模塊：CAN模塊有兩個(gè)功能，一個(gè)是接收上位機(jī)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并判斷出所傳數(shù)據(jù)是柵偏、燈絲、高壓和束流的開(kāi)通與關(guān)斷或設(shè)定值；二是將AD采集數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)并顯示在界面上。

將AD采樣值賦值給ad_data_float[4]，通過(guò)for循環(huán)將采樣值乘以100；程序如下：

for（i=0；i<4；i=i+1）{ ad_data_100[i]=ad_data_float[i]*100；

}

然后每個(gè)采樣值占兩個(gè)字節(jié)，分別賦值給send_str[i]與send_str[i+1]，程序如下：

for（i=0；i<8；i=i+2）{ send_str[i]=ad_data_100[i/2]/100；

send_str[i+1]=ad_data_100[i/2]%100；

}

將send_str[8]字符串發(fā)送到上位機(jī)，上位機(jī)接收到字符串后處理，最后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成QString型才能顯示在顯示界面上。

3上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

3.1 Linux操作系統(tǒng)介紹

Linux操作系統(tǒng)有很多優(yōu)點(diǎn)，首先Linux是開(kāi)源的，相當(dāng)于全世界的人共同維護(hù)這個(gè)系統(tǒng)，可以及時(shí)的發(fā)現(xiàn)并彌補(bǔ)漏洞[4]；第二，Linux下的軟件很多都是開(kāi)源的，所以使用Linux只需要花少量的錢(qián)或不花錢(qián)；第三，Linux非常穩(wěn)定可靠，Linux系統(tǒng)有很多概念都是繼承自Unix系統(tǒng)[5]，當(dāng)然也繼承了Unix的穩(wěn)定可靠；第四，Linux支持多人多任務(wù)，而Windows是單人多任務(wù)，多人多任務(wù)比單人多任務(wù)的優(yōu)越性在于多人多任務(wù)更有利于團(tuán)隊(duì)合作；第五，因?yàn)槎嗳硕嗳蝿?wù)，所以目錄和檔案都有權(quán)限，以保證數(shù)據(jù)的安全性。

3.2 qt開(kāi)發(fā)環(huán)境的搭建

Qt是一個(gè)用于開(kāi)發(fā)圖形界面的軟件，它采用C和C++語(yǔ)言來(lái)開(kāi)發(fā)界面。Qt開(kāi)發(fā)出來(lái)的界面很漂亮，目前它的應(yīng)用范圍很廣泛，現(xiàn)在很多安卓手機(jī)上的圖片都是用Qt開(kāi)發(fā)出來(lái)的。

直接在qt中配置交叉編譯器和QtEmbedded-4.8.5-arm，配置完后即可編譯出可在Z-turn Board核心板上執(zhí)行的二進(jìn)制代碼。寫(xiě)一個(gè)qt程序，用交叉編譯器編譯后，拷到核心板中，執(zhí)行此文件，qt交叉編譯環(huán)境安裝成功。

3.3 Z-turn Board 介紹

3.3.1 CPU電路部分及性能

ZYNQ簡(jiǎn)介：

ZYNQ-7000 AP SOC 系列芯片的架構(gòu)較為復(fù)雜，它是以處理器系統(tǒng)為核心的高價(jià)值應(yīng)用架構(gòu)，此時(shí)PL部分為PS的可擴(kuò)展單元，它既可以配合PS完成一些外部邏輯的處理，也可以利用PL部分并行、硬件處理的特點(diǎn)，構(gòu)成PS中算法的一個(gè)外部協(xié)處理單元，形成一個(gè)強(qiáng)大的算法加速器[6]。

ZYNQ-7000 AP SOC完整開(kāi)發(fā)流程：

硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)： Xilinx工具組提供的開(kāi)發(fā)環(huán)境Vivado和PlanAhead可幫助用戶快速構(gòu)建硬件平臺(tái)。在構(gòu)建硬件平臺(tái)的過(guò)程中，用戶有時(shí)需要定制專用的IP核。

軟件設(shè)計(jì)：完成硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)后，將硬件配置文件導(dǎo)入SDK開(kāi)發(fā)環(huán)境中，就可以進(jìn)行軟件的編程、調(diào)試等開(kāi)發(fā)過(guò)程了。

配置文件下載：將硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)過(guò)程中的硬件比特流文件與軟件設(shè)計(jì)產(chǎn)生的可執(zhí)行文件進(jìn)行合并，下載到配置存儲(chǔ)器中即完成了開(kāi)發(fā)的最后一步。

3.3.2 CAN通信

CAN有兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的串行通信協(xié)議，分別是ISO11898和ISO11519。ISO11898傳輸速度在125Kbps到1Mbps之間，傳輸速度較快，但傳輸距離較近，一般在40m之內(nèi)，才能獲得較快的速度，相比之下ISO11519傳輸速度低于125bps，傳輸速度較慢，但適用于長(zhǎng)距離傳輸，最大傳輸距離可以達(dá)到10Km長(zhǎng)，優(yōu)點(diǎn)是傳輸距離較長(zhǎng)。

CAN可以同時(shí)連接多個(gè)單元，可以給這些單元設(shè)置優(yōu)先級(jí)。CAN采用郵箱的方式傳輸數(shù)據(jù)，在把主機(jī)/從機(jī)接收數(shù)據(jù)之前已經(jīng)校驗(yàn)完畢，所以這使得CAN幾乎不會(huì)有傳輸錯(cuò)誤。

CAN 總線在同一時(shí)間可以連接很多個(gè)單元的總線。同時(shí)可連接設(shè)備的個(gè)數(shù)受到總線上的時(shí)間延遲及電氣負(fù)載以及對(duì)傳輸速度的要求的限制。當(dāng)需要比較高的傳輸速率時(shí)，同時(shí)可連接的單元的設(shè)備就不能那么多，如果傳輸速率較低時(shí)，就允許連接更多的設(shè)備了。

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)上述研究，本課題已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了以下設(shè)計(jì)目標(biāo)：

1. 實(shí)現(xiàn)了stm32對(duì)電子束焊機(jī)柵偏電壓、燈絲電流、高壓和束流的采集。

2. 完成了上位機(jī)與下位機(jī)之間的CAN通信。

3. 用Qt軟件實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)的顯示界面。

參考文獻(xiàn)：

[1]馬正斌，劉金合，盧施宇，王世清.電子束焊接技術(shù)研究及進(jìn)展[J].電焊機(jī)，2012.04，42（4）：93-96.