基于PIC16C73的電子束焊機(jī)電視監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳江彬,韋壽祺

(桂林電子科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣西 桂林 541004)

電子束焊機(jī)具有能量密度高、加熱面積小、電子束穿透深、焊接速度快、工件變形小、電子束控制方便等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，已經(jīng)成為精密的焊接設(shè)備，從上個(gè)世紀(jì)80年代開(kāi)始，已經(jīng)從尖端工業(yè)領(lǐng)域逐步應(yīng)用到民用工業(yè)，目前已應(yīng)用到汽車工業(yè)、造船、能源等許多領(lǐng)域。在電子束焊機(jī)對(duì)工件的焊接過(guò)程中，必須對(duì)焊接室中的工件進(jìn)行合適的移位、瞄準(zhǔn)和實(shí)時(shí)監(jiān)控，因此需要電視監(jiān)視系統(tǒng)完成這些必要的操作，用攝像頭對(duì)焊接室中工件的實(shí)時(shí)情況進(jìn)行攝像，然后將視頻信號(hào)送到監(jiān)視器中實(shí)時(shí)監(jiān)視。由于工件的待焊點(diǎn)必須精確對(duì)準(zhǔn)束流的下束點(diǎn)，因此需要對(duì)工件進(jìn)行準(zhǔn)確的移位，為此監(jiān)視器上須有一個(gè)參考標(biāo)記。所以電子束焊機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)需要在視頻信號(hào)中疊加一個(gè)可移動(dòng)的參考信號(hào)與焊接室圖像同時(shí)在監(jiān)視器中顯示出來(lái)。

傳統(tǒng)的電子束焊機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)多采用計(jì)數(shù)器等純硬件電路實(shí)現(xiàn)，具有使用器件多、電路復(fù)雜、功能簡(jiǎn)單、易受干擾等缺點(diǎn)，與當(dāng)今數(shù)字時(shí)代的高能焊機(jī)漸漸不能匹配。為了滿足新時(shí)代電子束焊機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)的功能需求,提出一種基于PIC16C73單片機(jī)及字符疊加芯片UPD6453的電子束焊機(jī)電視監(jiān)控系統(tǒng)并實(shí)現(xiàn)了該方案。該系統(tǒng)帶有參考標(biāo)記可編程功能，可在不同環(huán)境下手動(dòng)更換參考標(biāo)記，實(shí)現(xiàn)了參考標(biāo)記的1/4 096高分辨率數(shù)字移位，與上位機(jī)通訊，顯示重要實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、成本低廉、可靠性高等特點(diǎn)。為電子束焊機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展提供參考。

1 疊加原理

在視頻信號(hào)中，一個(gè)行（列）同步脈沖表示掃描一行，而一個(gè)行（列）同步脈沖上所疊加的大小不同的模擬量則表示一幅畫面在這一行（列）中不同的灰度值，模擬電壓值越大灰度越?。灰虼巳粢诒O(jiān)視器中某列（行）顯示一個(gè)亮點(diǎn)，則只需要在該同步脈沖的一個(gè)周期內(nèi)將指定列處的模擬電壓值變大即可。先考慮簡(jiǎn)單的圖形疊加情況,如疊加一橫線及一豎線。當(dāng)電子束在屏幕上從左到右掃描時(shí),如果在某一行的電視信號(hào)上加一白色或黑色電平脈沖,則在屏幕上相應(yīng)點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)一白點(diǎn)或黑點(diǎn)。如果在某一行掃描正程上加上寬度合適的黑或白電平,則會(huì)在屏幕上產(chǎn)生一條橫線。若連續(xù)多行都加上同一寬度的脈沖,則在屏幕上形成一條垂直線。為此,如果從某行同步開(kāi)始,每個(gè)行同步脈沖延時(shí)T時(shí)刻,加一白或黑電平脈沖,則在屏幕上將產(chǎn)生一條垂直線。從上述原理可知，定位十字線的像素點(diǎn)，然后在其像素點(diǎn)上疊加一白電平信號(hào)，就能在屏幕上產(chǎn)生一個(gè)十字光標(biāo)瞄準(zhǔn)信號(hào)。

綜合考慮，采用十字光標(biāo)對(duì)準(zhǔn)的方式比較容易實(shí)現(xiàn)精確對(duì)準(zhǔn)，因此電子束焊機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)需要在視頻信號(hào)中疊加一個(gè)可移動(dòng)的十字光標(biāo)信號(hào)與焊接室圖像同時(shí)在監(jiān)視器中顯示出來(lái)。且用戶可以通過(guò)鍵盤手動(dòng)控制光標(biāo)的移動(dòng)。按此要求，在圖像傳送過(guò)程中，截取從攝像頭傳出的視頻信號(hào)，疊加了十字光標(biāo)圖像后再傳送到接收端(本系統(tǒng)中為監(jiān)視器)。所謂疊加實(shí)質(zhì)上是在像素級(jí)為每個(gè)像素點(diǎn)選擇電信號(hào)。這其中有兩個(gè)問(wèn)題：一是精確定位像素點(diǎn)，即確定它的行、列位置；二是定位之后控制電信號(hào)的輸出，即在監(jiān)視器上選擇某一像素點(diǎn)為顯示現(xiàn)場(chǎng)圖像像素的電信號(hào),還是疊加圖形的像素電信號(hào)[1]。利用OSDC(On screen dis2play cont roller)視頻疊加芯片進(jìn)行視頻信號(hào)場(chǎng)疊加可有效解決上述問(wèn)題。其基本原理是按照像元顯示位置與行場(chǎng)掃描有相同的映射關(guān)系,把每一個(gè)圖形或者字符抽象成m×n(m和n一般為偶數(shù),決定了圖形顯示的大小)的字模，在RAM空間開(kāi)辟對(duì)應(yīng)點(diǎn)陣,用黑白電平覆蓋對(duì)應(yīng)像元點(diǎn),然后將多個(gè)字模組合拼接,在同一場(chǎng)疊加實(shí)現(xiàn)視頻信號(hào)疊加。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用PIC16C73單片機(jī)作為主控器，用于實(shí)現(xiàn)UPD6453的控制及焊接操作人員的相關(guān)操作功能，通過(guò)串行通訊模塊與上位機(jī)（PLC）通訊，對(duì)焊接相關(guān)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,CD4538雙單穩(wěn)電路對(duì)LM1881分離出的行場(chǎng)同步信號(hào)進(jìn)行單穩(wěn)態(tài)延時(shí)以完成分劃線的二維可控定位,暫穩(wěn)態(tài)時(shí)間由數(shù)字電位器控制,延時(shí)輸出后送入OSD芯片中進(jìn)行十字線的同步疊加,由UPD6453串行輸出具有相對(duì)同步延時(shí)的視頻脈沖疊加控制信號(hào),觸發(fā)開(kāi)啟模擬開(kāi)關(guān)74HC4053來(lái)切換視頻信號(hào)與白電平信號(hào),屏幕上就會(huì)在視頻信號(hào)中疊加出現(xiàn)可移動(dòng)瞄準(zhǔn)十字線圖形。

2.1 行場(chǎng)同步分離單元

在電視系統(tǒng)中，為了能正確地重現(xiàn)圖像，要求收端（監(jiān)視器）與發(fā)端（攝像頭）同步掃描，因此，在視頻疊加過(guò)程中需要把同步信號(hào)分離出來(lái)實(shí)現(xiàn)同步疊加。在本系統(tǒng)中，選擇專用芯片LM1881將行、場(chǎng)同步脈沖分離出來(lái)。LM1881是正極性圖像信號(hào)輸入、TTL電平輸出芯片，從而簡(jiǎn)化了電路。圖2是LM1881的連接圖以及工作波形示意圖。

2.2 十字線移動(dòng)控制模塊

電子束焊機(jī)電視監(jiān)視系統(tǒng)與一般視頻監(jiān)視系統(tǒng)的區(qū)別就是疊加十字光標(biāo)，并對(duì)手動(dòng)可控二維滿屏定位,使十字線在水平和垂直方向移動(dòng)。根據(jù)上面介紹的視頻疊加原理,各種圖像疊加的位置是以場(chǎng)同步信號(hào)和每場(chǎng)第一行同步信號(hào)為基準(zhǔn)的,即初始位置的偏移將導(dǎo)致整個(gè)圖像的移位，如圖3所示。

利用這種關(guān)系，系統(tǒng)十字光標(biāo)位置調(diào)節(jié)電路由兩個(gè)單穩(wěn)態(tài)電路組成，一個(gè)控制場(chǎng)同步信號(hào)為低電平的時(shí)段，另外一個(gè)控制復(fù)合同步信號(hào)為低電平的時(shí)段，從而決定了被疊加的十字光標(biāo)在顯示器上顯示的位置。單穩(wěn)態(tài)電路暫穩(wěn)態(tài)的時(shí)間寬度tw由RC電路充/放電時(shí)間決定,考慮到十字線在屏幕上的疊加主要出現(xiàn)在中間區(qū)域,需要預(yù)先定位在此區(qū)域中,然后再進(jìn)行細(xì)分移位,所以在電位器之前串聯(lián)了預(yù)定位電阻Rb。以水平方向移動(dòng)為例,標(biāo)準(zhǔn)視頻行同步時(shí)間為 5 μs,行正程掃描時(shí)間為 52 μs,由行同步低電平觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)電路的暫穩(wěn)延時(shí)tw(單位為μs)需滿足 5≤tw≤57,根據(jù)單穩(wěn)態(tài)芯片 CD4538手冊(cè)[4]提供的參數(shù)可計(jì)算出：

式中Ri為數(shù)字電位器可調(diào)節(jié)最小步進(jìn)值，使用擁有4個(gè)可調(diào)電阻,每個(gè)阻值為50 kΩ的數(shù)字電位器X9241AUP,每個(gè)電位器分64級(jí)抽頭。

從式(3)可以看出,隨著n取值的不同,可實(shí)現(xiàn)對(duì)行同步信號(hào)上升沿出現(xiàn)時(shí)間的控制。每按鍵一次,觸發(fā)數(shù)字電位器調(diào)節(jié)一個(gè)最小步進(jìn)值,為了提高十字線的移動(dòng)分辨率，將X9241AUP中的電位器按圖4所示電路接法,采用軟硬件結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)4 096抽頭的25 K電阻（Ri=0.00614 kΩ），即:

假設(shè)按照密位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算,每次最小移動(dòng)量占顯示器一行的m%,則可計(jì)算出固定電容C的值為:

進(jìn)一步假設(shè)疊加的分劃線顯示在顯示屏最左端的位置為屏幕的w%處,則可計(jì)算出預(yù)定電阻Rb為:

2.3 十字線產(chǎn)生及疊加模塊

該模塊主要通過(guò)PIC16C73單片機(jī)和視頻疊加芯片UPD6453實(shí)現(xiàn)字符信號(hào)與視頻信號(hào)的疊加,如圖1所示。PIC16C73單片機(jī)擁有精簡(jiǎn)的指令集 (RISC)和獨(dú)特的哈佛(Harvard)結(jié)構(gòu),同時(shí)可運(yùn)用兩極流水線指令進(jìn)行取數(shù)和執(zhí)行,運(yùn)行速度比一般單片機(jī)如ATMEL89C51快4倍,擁有I2C總線可方便控制數(shù)字電位器X9241,采用PIC16C73作為主控機(jī)更加符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。有關(guān)單片機(jī)的應(yīng)用詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)[2]。

UPD6453是日本NEC公司推出的專用字符疊加芯片,該芯片顯示編輯功能強(qiáng),可以在屏幕上顯示12行24列的字符,每個(gè)字符為12×18點(diǎn)陣。UPD6453芯片為用戶提供了英文、數(shù)字及日文等240個(gè)字符的字模,同時(shí)為用戶提供了未定義的16個(gè)字符RAM空間，可以自定義漢字和進(jìn)行瞄準(zhǔn)具拼接。

PIC16C73單片機(jī)通過(guò)I/O口與UPD6453進(jìn)行偽SPI串行數(shù)據(jù)發(fā)送,經(jīng)其內(nèi)部處理后,在上一場(chǎng)消隱時(shí)間內(nèi)把疊加分劃線矩陣點(diǎn)放入視頻RAM中,在下一場(chǎng)掃描時(shí)間內(nèi)將RAM中的數(shù)據(jù)并串轉(zhuǎn)換后按其內(nèi)部時(shí)鐘節(jié)拍輸出。由于本設(shè)計(jì)是針對(duì)黑白視頻圖像的,故只需要選用VCB通道作為輸出。輸出的序列疊加信號(hào)直接接到模擬開(kāi)關(guān)的選通邏輯控制端。視頻輸入信號(hào)和視頻白電平信號(hào)分別接入74HC4053的兩路通道，通過(guò)切換通道的方法，在現(xiàn)場(chǎng)視頻信號(hào)和疊加圖形（十字線）信號(hào)之間切換，從而實(shí)現(xiàn)視頻信號(hào)的十字線疊加。十字線信號(hào)可以為視頻黑電平和白電平。在焊接室環(huán)境下，白電平視覺(jué)效果更明顯，因此選擇疊加白電平。白電平產(chǎn)生電路實(shí)際上是一個(gè)電壓可調(diào)的分壓電路。

2.4 串行通信模塊

單片機(jī)與PLC采用無(wú)協(xié)議傳輸通訊的全雙工模式，波特率選擇標(biāo)準(zhǔn)為9 600 b/s。微處理器的RX和TX端與MAX232或MAX485芯片的ROUT和TIN端口相連接。具有完善的串行通信接口SCI,利用RX和TX兩個(gè)引腳作為通信線的二線制串行通信接口,將其定義為全雙工異步方式。外接一片MAX232或MAX485芯片將TTL電平轉(zhuǎn)化為RS232或RS485標(biāo)準(zhǔn)電平,可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸與上位機(jī)PLC通信,由上位機(jī)下傳瞄準(zhǔn)符號(hào)點(diǎn)陣數(shù)據(jù)和當(dāng)前時(shí)間數(shù)據(jù),可實(shí)現(xiàn)瞄準(zhǔn)點(diǎn)陣數(shù)據(jù)的更新并可下傳當(dāng)前時(shí)間數(shù)據(jù)及其他相關(guān)實(shí)時(shí)焊接數(shù)據(jù),使焊接人員能方便地從屏幕上獲取焊接相關(guān)參數(shù)，對(duì)工件進(jìn)行實(shí)時(shí)焊接操作。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件包括PIC16C73單片機(jī)對(duì)UPD6453控制命令的操作及手控鍵盤完成十字線的二維移動(dòng)、疊加圖形的大小及形狀控制等功能的實(shí)現(xiàn)，以及與PLC通訊的實(shí)現(xiàn)。UPD6453的串行接口采用了非標(biāo)準(zhǔn)的4線接口，將PIC16C73的端口 RA0～RA3接至 UPD6453的4條串行線上，然后用軟件模擬UPD6453時(shí)序，把每個(gè)12×18點(diǎn)陣數(shù)據(jù)寫進(jìn)UPD6453視頻RAM中進(jìn)行十字線拼接,最后對(duì)十字線數(shù)據(jù)按字符進(jìn)行定位和顯示控制。有關(guān)UPD6453的控制命令及控制時(shí)序詳見(jiàn)NEC公司的數(shù)據(jù)手冊(cè)[3]。其中數(shù)字電位器 X9241是 I2C通訊模式,其 SCL和 SDA端口分別與PIC16C73的I2C功能口RC3（SCL）和 RC4（SDA）連接，外接 10 kΩ上拉電阻,可實(shí)現(xiàn)I2C串行讀寫操作，其中數(shù)字電位器X9241按高分辨率數(shù)字電位器的軟件設(shè)計(jì)，有關(guān)X9241讀寫操作詳見(jiàn)INTERSIL公司數(shù)據(jù)手冊(cè)[5]。PIC16C73具有完善的串行通訊接口SCI,將其定義為全雙工異步方式，與PLC實(shí)現(xiàn)無(wú)協(xié)議通訊，有關(guān)PIC16C73的串行通訊控制詳見(jiàn)參考文獻(xiàn) [3]。為使系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單,設(shè)計(jì)了兩個(gè)鍵盤,其中一個(gè)鍵盤有4個(gè)分鍵,作為十字線位置控制鍵，分別為UP、DOWN、LEFT和 RIGHT鍵,可以實(shí)現(xiàn)十字線的滿屏控制。另外一個(gè)鍵盤用于瞄準(zhǔn)具圖形的轉(zhuǎn)換鍵和其他功能設(shè)定鍵。根據(jù)功能要求可得到系統(tǒng)軟件流程圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)軟件總體流程圖

基于電視行場(chǎng)掃描的原理和電子束焊機(jī)電視監(jiān)視系統(tǒng)的特點(diǎn),本系統(tǒng)采用UPD6453專用視頻疊加芯片,利用軟硬件結(jié)合的方式，配上所選的各種硬件，大大減少了硬件電路,同時(shí)提高了系統(tǒng)的靈活性，實(shí)現(xiàn)了參考標(biāo)記的1/4 096高分辨率精確定位，已成功應(yīng)用于THDW系列電子束焊機(jī)中。該系統(tǒng)能完成工件的實(shí)時(shí)監(jiān)視，疊加的十字線能精確地將下束點(diǎn)瞄準(zhǔn)工件待焊點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了精確高質(zhì)量電子束焊。同時(shí)該系統(tǒng)還可方便地顯示其他如高壓、焊接束流、聚焦電流等實(shí)時(shí)信息，并可以對(duì)瞄準(zhǔn)信號(hào)線進(jìn)行編輯。實(shí)踐表明，該系統(tǒng)具有操作方便、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、可靠性高、實(shí)用性好等優(yōu)點(diǎn)，提高了焊接效率和焊接質(zhì)量。

[1]茹海燕，顧子天.通用工業(yè)視頻圖像疊加的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2000,26(2):13-16.

[2]竇振中.PIC系列單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)與實(shí)例[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,1999.

[3]NEC electronic device Co Ltd.CMOS LSI for 12 lines×24 columns character display on screen data sheet[DB/OL].http://www.21icsearch.com/searchpdf/default.asp.admin,1990.

[4]FAIRCHILD semiconductor Co Ltd.74HC4538 double precision monostable user’s guide[DB/OL].http://www.21icsearch.com/searchpdf/default.asp.admin,1987.

[5]INTERSIL DATA SHEET-Low Power/2-Wire Serial Bus X9241A,2005(9).