基于雙處理器的點焊控制系統的硬件設計

    摘要：針對點焊的控制特點，設計了一種基于雙處理器的點焊控制系統。在該系統中，DSP模塊負責智能控制程序運算，MCU模塊負責進行人機對話，而信號的輸入輸出則由獨立的AD&IO模塊負責。模擬試驗表明，該硬件系統滿足工作要求。

    關鍵詞：點焊控制 雙處理器 硬件設計

點焊是將焊件裝配成搭接接頭，并壓緊在兩電極之間，利用電流通過焊件時產生的電阻熱熔化母材金屬，冷卻后形成焊點的一種電阻焊方法。其通電加熱時間一般為幾至幾十周波（一周波為0.02s），而電流有效值一般為幾至幾十KA。

點焊是一個高度非線性、存在多變量耦合作用和大量隨機不確定因素的過程，其形核處于封閉狀態，時間極短，特征信號提取困難，控制難度較大。

1 設計思想和總體方案

近年來，智能控制技術正被積極地引入點焊控制研究領域，但由于其算法高度復雜、計算密集，因此對系統的實時性要求越來越高。另一方面，DSP（數字信號處理器）技術的蓬勃發展，使得其在工業控制領域的應用越來越廣泛。因此在本設計中，使用DSP作核心處理器，充分發揮其運算速度快的優勢，并嘗試利用多種智能控制算法對點焊進行質量控制，以提高焊點的質量和可靠性。

在實際工作中，點焊需要設置的參數較多，操作者不得不依賴于各種手冊、說明書和/或專家編制的工藝文件來進行設備；而且在選定參數之后，往往還需要通過一系列的旋鈕、按鈕等開關進行設置，操作復雜，容易造成混亂。因此在本設計中，應用MCU（單片機）實現人機對話功能。通過鍵盤輸入和液晶顯示，既充分體現了數字化控制的優勢，也有助于實現點焊專家系統。

由于點焊系統工作在大電流、強磁場的環境下，因此控制系統的抗干擾問題尤為重要，且DSP的工作頻率高，所以將信號的輸入、輸出部分和DSP、MCU模塊分開，設計獨立的AD&IO模塊。

系統的總體方案如圖1所示。

2 DSP模塊的設計

本系統選用了DSK-TMS320VC5402芯片作控制核心。DSP是TI公司提供的一套標準的DSP開發平臺，其目的是令使用者能較能地開發和應用基于DSP的系統，為最終的目標系統提供軟、硬件設計參考模板。有關DSK的具體說明請參閱有關的技術資料。

DSK提供了存儲器接口和外圍設備接口兩列擴展接口。根據“灰箱法”的設計思想，不用完全理解DSK的內部原理，只需在對其整體有一個基本了解的基礎上，選擇可能要用到的信號即可。因此專門設計了一塊轉接板，作為外圍電路與DSP之間通訊的橋梁。從DSP中引出了26個信號，如表1所示。

表1 轉接板信號

3 AD&IO模塊的設計

該模塊包括A/D轉換、輸入、輸出三部分電路，它們分別負責模擬信號的輸入和轉換以及開關信號的輸入和控制信號的輸出。

3.1 A/D轉換電路

A/D轉換器的選取主要考慮所采集的模擬信號的數量、精度及與DSP的速度匹配等，綜合考慮后，選用TI公司生產的12位4通道高速AD-TLV2544。

本設計中A/D轉換電路分為三部分：第一部分由5.1V的穩壓二極管又濾波電容103組成，構成模擬輸入部分；第二部分由TLV2544組成，完成A/D轉換；第三部分由八相緩沖器74LS244組成，完成DSP與TLV2544之間的通訊，如圖2所示。

A/D轉換電路的工作是由DSP的多通道緩沖串口MCBSP來控制的。MCBSP通過其數據輸出口DX0發送控制字到TLV2544的SDI口，該控制字為16位，前4位是指令位。如果TLV2544接收到的前四位是0XA，那么接下來的12位就會被當作控制字譯碼；相反，如果前4位接收到的是0XE，那么ADC將繼續輸出FIFO的內容到SDO中。其中，SDI和SDO分別是TLV2544的控制信號輸入口和已轉換好的數字信號輸出口。當TLV2544按DSP發出的控制字轉換到一定時候（如FIFO堆棧滿）時，則發出INT信號通知DSP接收。DSP接收到INT信號后，經X_DR0口讀入TLV2544已轉換好的串行數據。

3.2 輸入和輸出電路

為了抵抗電氣干擾和高壓電擊，在本設計中，輸入和輸出電路均采用光隔PC817傳遞邏輯信號，實現電氣隔離。另外還使用反相器74HC14對傳輸信號進行整形，利用施密特特性消除毛刺干擾，提高信號傳輸的抗干擾能力。輸入和輸出電路與DSP的接口如圖3所示。

在輸入電路中使用了緩沖器74LS244，以增強線驅動能力，如圖3所示。假設第二路輸入為低電平，則光隔不導通，A2也為低電平。DSP要讀取它的時候，先給輸入一個低電平，然后用02H（即00000010）去線與，判斷Y2的值是否為1，如果不為1則不讀入，反之讀入。其它輸入也是這樣來處理。

因為輸出的開關量需要保持開或關的狀態，所以在輸出電路中使用了鎖存器74LS373，進行緩沖和鎖存，如圖3所示。當輸出由低電平變為高電平時候，DSP將數據由X_D[0～7]送到鎖存器的輸入端，然后再給OCLOCK一個低電平脈沖，數據即被鎖存在鎖存器的輸出端。假如Q0=1，則經反相器后變為低電平，光隔導通；反之，光隔不導通，從而實現了開關量的數據輸出。

4 MCU模塊的設計

4.1 MCU擴展系統

在本設計中，MCU選用89C51，并擴展了片外ROM27512（64KB）和片外RAM6264（8KB），如圖4所示。MCU用作液晶顯示的數據線；P2口用作高位地址線，其高3位P25、P26、P27同時還作譯碼器74LS138的輸入，該譯碼器的輸出為片外RAM的尋址訪問信號。片外鎖存器和RAM 6264是統一編址的，即每一片鎖存器都有自己的地址。

    4.2 人機接口

在本設計中，鍵盤包括“0～9”、“.”、“確認”、“上翻”、“下翻”、“取消”、“暫停”等共16個鍵位，故采用4×4的矩陣式方案。矩陣式鍵盤由行線和列線組成，按鍵設置在行、列線的交點上。行、列線分別連接到按鍵開關的兩端。行線通過上拉電阻接到+5V上。無按鍵動作時，行線處于高電平；而當有鍵按下時，行線電平狀態將由與此行線相連的列線電平決定。列線電平如果為低，則行線電平為低；列堅電平為高，則行線電平為高。從而可以識別出按鍵是否按下。

鍵盤電路主要由單片機的P0口、八相反相緩沖器74LS240、鎖存器74LS273以及一些上拉電阻組成。P0口用作數據線，八相反相緩沖器74LS240緩沖行線的信號，鎖存器74LS273鎖存從P0口送給列線的信號。對八相反相緩沖器74LS240所緩沖的行線的值的讀取是通過譯碼器74LS138輸出的譯碼信號G5來控制的，其讀地址為BFFFH；而對鎖存器74LS273的控制則是通過譯碼器輸出的G6來控制的，對列的寫地址為DFFFH。

在本設計中選用的液晶顯示器是信利公司的MG12232-5。該液晶顯示器帶背光及溫度補償功能，左右有主、從兩個控制器SED1520，上下分4頁。漢字顯示采用12×12點陣，數字、符號顯示采用12×6點陣。每個漢字占24字節，數字、符號占12字節，均燒入程序存儲器。

液晶顯示電路的工作原理為：由MCU通過P1口向液晶顯示器的數據線DB口輸出顯示數據和控制指令，通過P3口向液晶顯示器輸出對E1、E2、A0、RST端口的控制字。液晶顯示器的E1、E2、A0、RST口信號分別為主控制器讀寫使能信號、從控制器使能信號、顯示或指令選擇信號以及復位信號。

使用液晶顯示器首先需要進行初始化，其工作在規定的方式中。液晶初始化包括：復位、休閑狀態設置、設置占空比、排序設置、設置顯示起始行、開顯示、自動顯示的方向設置等。這些命令在操作中都是作為指令寫入控制器的。然后再將要顯示的漢字或字符數據送給液晶顯示器，液晶顯示器即可按控制字的要求進行顯示。

    4.3 MCU與DSP的通訊

該通訊電路由三片緩沖器74LS244（U6001、U6002及U6008、MCU的P0口以及DSP的X_D[0～7]口組成，如圖5、圖6所示。各緩沖器的控制信號由譯碼器138的輸出G1、G2、G3、G4組成。其中，U6001負責將MCU的數據送到DSP，U6002負責把DSP的數據送到MCU，而U6008則負責發送MCU與DSP之間的通訊請求和確認信號。

DSP向MCU發送數據的過程為：DSP將數據通過X_D[0～7]口輸出至緩沖器U6002，同時由X_XF發送通訊請求信號至MPU的P00口，MCU檢測到該信號后，讀取緩沖器U6002的數據，然后通過P02口發給DSP一個確認信號。

MCU向DSP發送數據的過程與上相似。

模擬試驗表明，本文介紹的硬件系統可以滿足工作要求，為下一步的研究提供了良好的平臺。作者試運行了電流有效值的神經網絡求解和可控硅模糊控制等自編程序，均獲得了良好的預期效果。