CO2氣體保護焊電信號采集系統(tǒng)設(shè)計

郭險峰，郭宗光，吳春梅，董云峰，孫鵬翔

(大慶師范學(xué)院 物理與電氣信息工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163712)

0 引言

CO2氣體保護焊在管道、鍋爐、造船等方面得到了廣泛的應(yīng)用[1]?；『笝z測的方法包括高速攝影法、高速攝像法、X射線法、電弧音頻法、電信號法、光強法、光譜法等[2]。前三種方法由于成本高而多用于實驗室。音頻法、光強法由于信號的品質(zhì)差而不被重視。光譜法實用性方面發(fā)展較慢，限制了其大量應(yīng)用。電信號檢測法由于具有信號品質(zhì)較好、成本低廉、實時性和實用性好等優(yōu)點得到了重視和發(fā)展。一般情況下，通過傳感器采集電壓和電流的模擬信號并由單片機進行數(shù)模轉(zhuǎn)化后，由單片機串口將數(shù)據(jù)傳輸給主機，完成電信號采集的過程。近來隨著USB數(shù)據(jù)傳輸速度的提高，利用USB口進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞街饾u占據(jù)了主流地位。MSP430F5529芯片內(nèi)部集成了USB模塊，利用MSP430F5520作為電信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心芯片不但可以實現(xiàn)焊接電信號的數(shù)模自動轉(zhuǎn)換和自動保持，而且可以通過其USB模塊高速傳輸數(shù)據(jù)。深入了解MSP430F5529的硬件結(jié)構(gòu)后，結(jié)合MSP430單片機和Windows的API函數(shù)，利用VC++語言可以方便快捷地開發(fā)電信號采集的軟件[3-4]。

1 霍爾傳感器與MSP430

霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應(yīng)制作的一種磁場傳感器?；魻杺鞲衅髟诠ぷ鳒囟葏^(qū)間內(nèi)精度優(yōu)于1%，該精度適合于任何波形的電流和電壓，如直流、交流、脈沖波形測量，甚至瞬態(tài)峰值的測量?；魻杺鞲衅骶€性度優(yōu)于0.1%，動態(tài)性能好，響應(yīng)時間小于1μs，跟蹤速度di/dt高于50A/μs。霍爾傳感器具有很強的抗外磁場干擾能力，當(dāng)有很強的磁場干擾時，可采取加抗磁場干擾的金屬屏蔽罩來減輕干擾。用于測量的霍爾線性電路分為直測式霍爾傳感器和磁場平衡式霍爾傳感器。直測式霍爾傳感器的特點是無慣性，并具有良好的隔離作用，但在使用中應(yīng)采取措施防止外界的電磁干擾。磁場平衡式霍爾傳感器是主電流回路所產(chǎn)生的磁場，隨時通過一個二次繞組所產(chǎn)生的磁場進行補償，使霍爾期間始終處于檢測零磁通的條件下工作，所以磁場平衡式霍爾傳感器靈敏度高而且抗干擾能力強。CO2氣體保護焊機電壓范圍0～35V，電流范圍0～400A。在此選用北京世特美測控技術(shù)有限公司生產(chǎn)的SA1T50V25V6霍爾電壓傳感器和SP1T500C100V6霍爾閉環(huán)電流傳感器，兩種霍爾傳感器皆基于磁場平衡原理。

美國德州儀器公司生產(chǎn)的MSP430系列單片機具有內(nèi)部集成硬件乘法器、多個中斷源、系統(tǒng)工作穩(wěn)定、豐富的片上外圍模塊、方便高效的開發(fā)環(huán)境、價格低廉等特點。MSP430F5529芯片[5]為16位超低能耗微處理器，具有128KB閃存、8KB RAM、12位ADC等內(nèi)外資源，同時內(nèi)部集成USB模塊。MSP430F5529的ADC12模塊支持高速的12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換。該模塊包括一個12位的SAR內(nèi)核，模式選擇控制，REF模式和一個16字的轉(zhuǎn)化—控制緩沖器，在沒有CPU干預(yù)下，該緩沖器允許對16路獨立采集而來的ADC信號進行轉(zhuǎn)化和存儲。ADC12模塊的采樣—保持由采樣周期控制，采樣周期可通過設(shè)置軟件或定時器確定，同時可利用軟件選擇芯片內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓發(fā)生器，其擁有12路獨立可配置的外部輸入通道和可選的單通道模式，重復(fù)單通道模式，序列模式和重復(fù)序列等采集轉(zhuǎn)換模式，并有16位的轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲寄存器。MSP430F5529的USB模塊集成了12Mbps全速USB收發(fā)器；支持控制、中斷和塊傳輸；支持USB掛起、恢復(fù)和遠程喚醒。USB模塊的結(jié)構(gòu)如圖1所示，USB引擎將主機發(fā)送到USB設(shè)備的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)移到USB緩存，同時將有效的數(shù)據(jù)從緩存中傳送給主機。USB串行接口引擎管理USB總線上的數(shù)據(jù)收發(fā)協(xié)議。USB緩存管理器為USB串行接口引擎和USB端點緩存之間的連接提供邏輯控制。

2 硬件系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集的硬件系統(tǒng)由霍爾傳感器、MSP430F5529最小系統(tǒng)和主機組成，霍爾傳感器與MSP430F5529由雙絞線相連，而USB線連接主機和MSP430F5529，MSP430F5529的USB模塊供電電路如圖2所示。

圖1 USB模塊結(jié)構(gòu)

圖2 MSP430F5529的USB模塊供電電路

SA1T50V25V6霍爾電壓傳感器接線如圖3所示，由12V直流電源供電,傳感器輸出25mA，MSP430的ADC12外部接入電壓為2.2～3.6V，RL取值為88～144Ω。SP1T500C100V6霍爾閉環(huán)電流傳感器由±12V直流電源供電，傳感器輸出100mA，MSP430的ADC12外部接入電壓為2.2～3.6V，RL取值為22～36Ω。

圖3 SA1T50V25V6霍爾電壓傳感器接線

3 軟件系統(tǒng)

因為電信號采集設(shè)計對電流和電壓的一次采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換，所以采用MSP430F5529四種采樣轉(zhuǎn)換模式中的序列通道模式。ADC轉(zhuǎn)化的結(jié)果存儲到以ADC12MEMx為首的轉(zhuǎn)化寄存器中，當(dāng)檢測到通道中的ADC12EOS置位時，序列轉(zhuǎn)化將會終止。當(dāng)ADC12SC啟動了一個序列后，它會啟動相繼的序列。

MSP430F5529芯片的USB模塊支持主機與MSP430使用HID-Datapipe進行數(shù)據(jù)傳輸[6]。通過HID-Datapipe，可以傳輸任意大小數(shù)據(jù)，同時可以訪問MSP430緩存存儲空間的任意地址并傳送數(shù)據(jù)。選擇HID-Datapipe方案具有不需安裝驅(qū)動、函數(shù)簡單易于理解等優(yōu)勢。圖4為Windows的API(應(yīng)用軟件接口)和MSP430的API之間的聯(lián)系。在MSP430上，USB HID API棧特別提供了數(shù)據(jù)管道接口。

圖4 Windows和MSP430軟件棧

根據(jù)USB不同狀態(tài)，開發(fā)者調(diào)用MSP430的API函數(shù)來完成不同的操作，如在USB調(diào)用其他API之前初始化API，檢查主機VBUS掛接，連接主機，進行枚舉，處理掛起和恢復(fù)事件，遠程喚醒，處理枚舉失敗事件，與主機脫離等。對USB狀態(tài)的處理構(gòu)成了程序的主循環(huán)，在主循環(huán)中當(dāng)USB處于枚舉并運行狀態(tài)時可調(diào)用數(shù)據(jù)傳輸函數(shù)。HID-Datapipe模式下的數(shù)據(jù)發(fā)送與接收前都應(yīng)準(zhǔn)備數(shù)據(jù)源地址、發(fā)送數(shù)據(jù)的比特數(shù)和用于發(fā)送接收的接口，而數(shù)據(jù)源可以在MSP430存儲器任意位置，數(shù)據(jù)大小不受限制。USBHID_sendData()初始化發(fā)送數(shù)據(jù)操作，USBHID_receiveData()初始化接收數(shù)據(jù)操作。API將數(shù)據(jù)打包成塊復(fù)制到USB端點緩存，當(dāng)端點緩存中數(shù)據(jù)包處理后，將通知主機可以發(fā)送數(shù)據(jù)，在主機的支配下，主機從端點緩存讀取數(shù)據(jù)，當(dāng)所有數(shù)據(jù)讀取完成，發(fā)送操作即完成。以數(shù)據(jù)源作為數(shù)據(jù)容器來放置從主機發(fā)來的數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)到達接收接口的端點緩存，API將其復(fù)制到數(shù)據(jù)源位置，當(dāng)數(shù)據(jù)源裝滿后，接收操作結(jié)束。表1列出了開發(fā)MSP430軟件時，可以調(diào)用的函數(shù)。

表1 MSP430軟件可調(diào)用函數(shù)

相對于MSP430軟件設(shè)計所需函數(shù)，主機軟件設(shè)計所需函數(shù)要簡單得多[7]。程序由HID初始化函數(shù)HID_Init()開始，同時調(diào)用HID_GetSerNums()函數(shù)，將設(shè)備VID和PID作為參數(shù)輸入，返回一個“系列碼”，結(jié)合VID、PID和“系列碼”以及真實USB設(shè)備的HID接口索引，調(diào)用HID_Open()函數(shù)和真實USB設(shè)備的HID接口建立聯(lián)系。當(dāng)完成對設(shè)備的使用時，開發(fā)者可以調(diào)用HID_Close()函數(shù)，關(guān)閉打開的HID接口。通過HID_WriteFile()和HID_ReadFile()兩個函數(shù)發(fā)送和接收任意大小的數(shù)據(jù)塊，這些過程都自動完成。利用上述函數(shù)以及進行必要的配置后，開發(fā)的主機軟件界面如圖5所示。

圖5 主機軟件界面

4 結(jié)語

由傳感器和內(nèi)置USB模塊的MSP430單片機構(gòu)成CO2氣體保護焊電信號檢測分析系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)，USB模塊在MSP430F5529單片機內(nèi)部的集成簡化了電路，提高了系統(tǒng)的抗干擾性和穩(wěn)定性。利用MSP430F5529單片機USB模塊的HID-Datapipe，調(diào)用API函數(shù)可以直接開發(fā)主機軟件和MSP430 軟件，降低了系統(tǒng)開發(fā)難度的同時縮短了開發(fā)周期。如果能夠加深對MSP430F5529單片機USB模塊硬件結(jié)構(gòu)的認識和對函數(shù)的靈活運用，軟件的開發(fā)將更加方便，軟件的適用性也將更強，適用的范圍將更廣泛。

[參考文獻]

[1] 肖公海.CO2氣體保護焊的使用近況[J].現(xiàn)代焊接,2006,44(8): 40-49.

[2] 云紹輝，柳剛，韓國明.溶化極氣體保護焊溶滴過渡檢測方法現(xiàn)狀與展望[J].電焊機,1998(3):1-4.

[3] 胡大可.MSP430系列單片機C語言程序設(shè)計與開發(fā)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社, 2003.

[4] 李琳娜.Visual C++開發(fā)技術(shù)大全[M].北京:清華大學(xué)出版社, 2010.

[5] Texas Instruments.MSP430x5xx/MSP430x6xx Family User's Guide[EB/OL]. http://www.ti.com/lsds/ti/microcontroller/.

[6] Texas Instruments. Programmer’s Guide: MSP430 USB API Stack for CDC/HID/MSC[EB/OL]. http://www. ti.com/ lsds/ti /microcontroller/.

[7] Texas Instruments. MSP430TMUSB HID Windows API Programmer's Guide[EB/OL]. http://www.ti.com/lsds/ti /microcontroller/16-bit_msp430/.