四通道焊接電弧動(dòng)態(tài)小波分析儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

高理文 ，薛家祥 ，陳 輝 ，林志慧 ，梁泳全

(1.廣州中醫(yī)藥大學(xué) 醫(yī)學(xué)信息工程學(xué)院，廣東 廣州 510006；2.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，廣東 廣州 510640)

0 前言

隨著焊接電弧物理、焊接過(guò)程測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，人們認(rèn)識(shí)到焊接電壓、電流一方面可以作為焊接過(guò)程的可控變量，另一方面它們也是各種信息的豐富載體[1-3]。對(duì)電信號(hào)進(jìn)行測(cè)量與分析是實(shí)現(xiàn)弧焊過(guò)程檢測(cè)的有效途徑之一。

初期，對(duì)電信號(hào)的測(cè)試方式局限于采用指針式儀表。由于指針式儀表具有很大的慣性，很難測(cè)試到快速變化的焊接電壓、電流的波形。隨著測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，人們開(kāi)始使用示波器測(cè)試焊接電壓、電流。然而采用示波器僅僅能在現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)焊接波形，不利于數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和分析。為了更好地觀測(cè)和分析電弧電壓和焊接電流，研究焊接過(guò)程中的復(fù)雜物理現(xiàn)象，在20世紀(jì)80年代前，人們研制電子線路裝置來(lái)記錄焊接電信號(hào)波形。這類(lèi)裝置由于硬件電路不易改變，功能單一，故一套裝置只能測(cè)試和記錄相應(yīng)的某些參數(shù)，不具備通用性。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的深入發(fā)展，計(jì)算機(jī)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制中。在焊接領(lǐng)域，相繼出現(xiàn)了一類(lèi)以計(jì)算機(jī)為核心的弧焊測(cè)試系統(tǒng)。如美國(guó)Honeywell公司制造的弧焊分析儀，英國(guó)、西德也生產(chǎn)了類(lèi)似的儀器。其中，德國(guó)漢諾威大學(xué)的漢諾威弧焊分析儀經(jīng)過(guò)十多年的發(fā)展，已具備采樣速度快、精度高、數(shù)據(jù)處理方法科學(xué)等優(yōu)點(diǎn)，代表了國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品的發(fā)展水平。但該分析儀的數(shù)據(jù)采集軟件和分析軟件分離，使用起來(lái)不方便。此外，該分析儀也沒(méi)有對(duì)焊接過(guò)程的高頻干擾信號(hào)進(jìn)行軟件濾波處理，因此在采集的電流電壓波形上存在大量噪聲信號(hào)，不利于信號(hào)的特征提取。而關(guān)鍵問(wèn)題是，該分析儀也僅僅是解決了電信號(hào)采集的問(wèn)題，并沒(méi)有能夠很好地提取電信號(hào)中反映焊接質(zhì)量的特征信息并進(jìn)行機(jī)器判定。而國(guó)內(nèi)也有一些單位研制此類(lèi)分析儀，較具有代表性的有：周開(kāi)慶等人在Windows環(huán)境下，應(yīng)用程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言Visual C++研究開(kāi)發(fā)了一個(gè)弧焊機(jī)和電弧參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)[4]。該系統(tǒng)主要由賽揚(yáng)333微型計(jì)算機(jī)、傳感器電路、金屬屏蔽信號(hào)傳輸電纜、12位的A／D數(shù)據(jù)采集卡組成。其傳感器由電壓和電流傳感器組成，并根據(jù)初級(jí)和次級(jí)、交流和直流的不同，分別選擇不同型號(hào)的傳感器。為了采集到焊接過(guò)程中電壓、電流的變化，該系統(tǒng)采用的是AC1820數(shù)據(jù)采集卡。AC1820提供16路單端輸入12位A/D轉(zhuǎn)換。

該系統(tǒng)之后相繼出現(xiàn)了許多類(lèi)似的測(cè)試系統(tǒng)。其中較有代表性的有張勇等研究實(shí)現(xiàn)的基于LabView虛擬儀器的CO2焊接參數(shù)采集分析系統(tǒng)[5]。其特點(diǎn)在于基于LabView平臺(tái)，對(duì)焊接電壓、電流信號(hào)的分析更為詳細(xì)。

焊接測(cè)試系統(tǒng)的研究不斷開(kāi)展，在眾多相近的測(cè)試系統(tǒng)中，值得一提的是朱六妹等人研究實(shí)現(xiàn)的基于USB2.0總線的焊接過(guò)程瞬態(tài)信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)[6]。該系統(tǒng)由傳感器(電壓傳感器、霍爾電流傳感器)接收電路、信號(hào)調(diào)理電路、A／D轉(zhuǎn)換電路、DSP控制器和USB接口組成。USB2.0協(xié)議由USB接口芯片完成。

隨著焊接技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)各焊接研究所和廠家開(kāi)展雙絲焊機(jī)的研制工作。然而，現(xiàn)有的電弧電信號(hào)采集分析系統(tǒng)，往往只能采集1路電壓信號(hào)和1路電流信號(hào)，無(wú)法滿(mǎn)足雙絲焊接的四路信號(hào)采集要求。

為了支持雙絲焊機(jī)的開(kāi)發(fā)研究，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了四通道焊接電弧動(dòng)態(tài)小波分析儀?？刹杉p絲、單絲電弧焊焊接過(guò)程中的電壓電流信號(hào)，并進(jìn)行波形顯示和分析，適用于雙絲、單絲焊機(jī)電源的性能測(cè)試與評(píng)定。它具有如下特點(diǎn)：

（1）實(shí)現(xiàn)了雙絲焊機(jī)輸出兩組電壓電流信號(hào)四通道的采集、顯示和分析。

（2）實(shí)現(xiàn)了交流極性焊機(jī)輸出電壓電流信號(hào)采集、顯示和分析。

（3）電壓和電流的采集量程可選，擴(kuò)大了采集輸入的適應(yīng)范圍。

（4）電壓和電流縮放比例可調(diào)，有效校準(zhǔn)最終的電壓電流數(shù)值，提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

（5）支持ISA總線接口的PCL1800數(shù)據(jù)采集卡，以及PCI總線接口的PCI1718HDU數(shù)據(jù)采集卡。

四通道焊接電弧動(dòng)態(tài)小波分析儀，簡(jiǎn)稱(chēng)四通道小波分析儀。它利用精度高的霍爾傳感器采集弧焊過(guò)程的電流信號(hào)，利用精度高的電壓傳感器采集過(guò)程的電壓信號(hào)；將傳感器采集的信號(hào)利用高分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器件轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。然后利用VC++編寫(xiě)的軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。在此將對(duì)四通道小波分析儀的軟硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行詳細(xì)的闡述。

1 四通道小波分析儀硬件系統(tǒng)

四通道小波分析儀硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是在計(jì)算機(jī)總線上插上一塊數(shù)據(jù)采集卡，經(jīng)專(zhuān)用電纜與機(jī)內(nèi)適配器連接，適配器由微機(jī)電源供電來(lái)完成數(shù)據(jù)的采集。其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)主要由工控機(jī)、保護(hù)電路、高速數(shù)據(jù)采集卡（PCL1800或PCI1718HDU）、帶分壓的低通濾波器LPF、LEM電流傳感器組成。數(shù)據(jù)的傳輸均是通過(guò)帶屏蔽的同軸電纜傳輸，可有效地防止傳送過(guò)程的電磁干擾，保證所采集數(shù)據(jù)的可靠性。其中，電流傳感器為有源霍爾效應(yīng)電流傳感器，特點(diǎn)是測(cè)量范圍大（0～1000A），與電纜無(wú)直接的電氣聯(lián)系，減小了焊接電流對(duì)微機(jī)系統(tǒng)的干擾；兩根同軸電纜不僅有效地屏蔽了干擾，而且使測(cè)試分析系統(tǒng)遠(yuǎn)離焊接現(xiàn)場(chǎng)，減小或消除了電弧的電磁干擾對(duì)微機(jī)系統(tǒng)的影響。

本系統(tǒng)兼容兩種數(shù)據(jù)采集卡——PCL1800和PCI1718HDU。

圖1 分析系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Configuration block diagram for measure and analysis system

PCL1800是一種基于ISA總線插口的采集卡，具有信號(hào)調(diào)理、隔離、量程調(diào)整、A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)比較，并具有數(shù)字量I/O輸出功能。其主要特性為：

12位A/D轉(zhuǎn)換：A/D轉(zhuǎn)換的時(shí)間為3 μs，A/D轉(zhuǎn)換總誤差＜0.25%。采用FIFO方式，最高采樣頻率可達(dá)330 kHz。開(kāi)關(guān)選擇：?jiǎn)味?6通道模擬輸入或差動(dòng)8通道模擬輸入。

ISA總線只具有16位數(shù)據(jù)寬度，最高工作頻率為8 MHz，所以數(shù)據(jù)傳輸速率只能達(dá)到16 MB/s。ISA總線插口的缺點(diǎn)是采集速度較慢，而優(yōu)點(diǎn)是具有較高的穩(wěn)定性。

自計(jì)算機(jī)采用PCI總線后，數(shù)據(jù)寬度升級(jí)到64位，總線工作頻率為33.3 MHz，數(shù)據(jù)傳輸率（帶寬）可達(dá)266 MB/s。所以采用PCI總線解決了數(shù)據(jù)的I/O瓶頸，使計(jì)算機(jī)更好地發(fā)揮性能。因此，現(xiàn)在的主板開(kāi)始逐漸淘汰ISA插槽。

為了能夠保證四通道小波分析儀的持續(xù)推廣使用，在原有支持ISA總線數(shù)據(jù)采集卡PCL1800的基礎(chǔ)上，兼容了PCI總線數(shù)據(jù)采集卡PCI1718HDU。

PCI1718HDU是一款PCI總線多功能數(shù)據(jù)采集卡。它提供以下五種測(cè)量和控制功能：12位A/D轉(zhuǎn)換（100 KHz采樣速率）、D/A轉(zhuǎn)換、數(shù)字量輸入、數(shù)字量輸出及計(jì)數(shù)器/定時(shí)器功能。16路單端或8路差分模擬量輸入。12位A/D轉(zhuǎn)換器，每個(gè)輸入通道的增益可編程自動(dòng)通道/增益掃描。1路12位模擬量輸出，16路數(shù)字量輸入及16路數(shù)字量輸出PCI總線數(shù)據(jù)傳輸。通用PCI總線（支持3.3 V或5 V PCI總線信號(hào)）。選擇該型號(hào)數(shù)據(jù)采集卡是綜合考慮應(yīng)用要求和成本因素的結(jié)果。

2 四通道小波分析儀軟件系統(tǒng)

2.1 軟件主界面

軟件主界面如圖2所示。在主界面中，打開(kāi)顯示的是一個(gè)雙絲焊接過(guò)程的電壓電流波形，左上方顯示的是原始的電壓電流波形，左下方則是小波濾波后的波形?？蓪?duì)局部進(jìn)行放大顯示。也可選擇顯示或隱藏任意一個(gè)通道的波形。

圖2 軟件主界面Fig.2 Software main interface

右邊分別布局了“開(kāi)始采集”“小波分析”“U-I圖”“輸入能量”“動(dòng)態(tài)電阻”“統(tǒng)計(jì)分析”等功能按鈕。由于篇幅關(guān)系，不一一進(jìn)行介紹。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

焊接電弧動(dòng)態(tài)小波分析儀主要實(shí)現(xiàn)弧焊過(guò)程電壓電流信號(hào)的采集和分析顯示。上面已對(duì)其分析顯示功能進(jìn)行了介紹。而它最基礎(chǔ)最核心的模塊仍然是數(shù)據(jù)采集。該模塊的功能就是焊接電流和電弧電壓的模擬信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換卡，快速轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能存儲(chǔ)和分析的數(shù)字信號(hào)。其詳細(xì)過(guò)程的流程圖如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集流程Fig.3 Flow chart of data acquisition

（1）用戶(hù)設(shè)置采集參數(shù)。用戶(hù)可設(shè)置的主要參數(shù)有：采集時(shí)間、采集卡型號(hào)、縮放比率、采集通道等。其中，采集時(shí)間的單位為ms。采集卡型號(hào)可選PCL1800和PCI1718HDU?？s放比率是指真實(shí)量值與采集卡所采集到的電壓值之比?；『高^(guò)程的最高電壓可達(dá)幾十伏或上百伏。數(shù)據(jù)采集卡無(wú)法承受這樣巨大的電壓值。因此，如圖1所示，在采集卡和弧焊電源的電壓采集點(diǎn)之間，加一個(gè)帶分壓的低通濾波器LPF。那么，采集卡所采集到的，就是真實(shí)的電壓按一定比值縮小后的值。這個(gè)比率就稱(chēng)為電壓縮放比率。而電流無(wú)法直接被采集卡測(cè)量。先通過(guò)電流傳感器，把電流值按一定的比率轉(zhuǎn)換為電壓值，再被采集卡所獲取。那么，這個(gè)比率就是電流的縮放比率。由于采集卡可支持多種量程，為了用戶(hù)應(yīng)用方便，也允許選擇量程。特別是對(duì)雙極性弧焊電源的測(cè)量，必須選擇帶有負(fù)值范圍的量程。本分析儀支持單通道、雙通道、四通道采集模式。單通道模式下只采集一路電壓或電流信號(hào)。雙通道模式下同時(shí)采集一路焊接電壓信號(hào)和一路焊接電流信號(hào)。四通道模式，是軟件的主要工作模式，可同時(shí)采集兩個(gè)電弧的電壓電流信號(hào)，滿(mǎn)足雙絲焊四路電信號(hào)采集的需求。

（2）用戶(hù)鼠標(biāo)點(diǎn)擊采集按鈕。當(dāng)用戶(hù)設(shè)置好參數(shù)后，回到軟件的主界面。按下“采集”按鈕，便啟動(dòng)采集操作。

（3）程序打開(kāi)采集卡設(shè)備。

通過(guò)“DRV_DeviceOpen”函數(shù)，輸入設(shè)備在設(shè)備列表中的編號(hào)為參數(shù)，打開(kāi)相應(yīng)序號(hào)采集卡設(shè)備。這里所支持的PCL1800和PCI1718HDU都是研華數(shù)據(jù)采集卡。在這一系列的采集卡使用之前，先要安裝驅(qū)動(dòng)和設(shè)備管理軟件。而它們就會(huì)幫助管理所有研華的數(shù)據(jù)采集卡，把每一張插入在主機(jī)的該系列的卡找到，并以列表形式順序登記。程序員在編程應(yīng)用時(shí)，只需通過(guò)輸入設(shè)備在該列表中的序號(hào)來(lái)指定對(duì)應(yīng)的采集卡，如圖4所示。

圖4 采集參數(shù)設(shè)置Fig.4 Acquisition parameters setting

（4）獲取增益碼列表。

通過(guò)函數(shù)“DRV_DeviceGetFeatures”完成。函數(shù)返回一個(gè)數(shù)組glGainList。數(shù)組的下標(biāo)就是增益碼，用于指定采集的量程。而特定增益碼對(duì)應(yīng)的數(shù)組元素的值是一個(gè)二進(jìn)制數(shù)，輸入到采集卡，使得它采集某個(gè)范圍的電壓值。PCL1800和PCI1718HDU的增益碼如表1所示。

表1 PCL1800和PCI1718HDU的增益碼Tab.1 Gain codes of PCL1800 and PCI1718HDU

（5）向設(shè)備寫(xiě)入對(duì)應(yīng)通道的增益碼。先判斷當(dāng)前是單通道、雙通道、還是四通道的采集模式。然后根據(jù)每一種情況，分別對(duì)0通道、0和1通道、0至3通道的增益碼進(jìn)行設(shè)置。增益碼的值根據(jù)用戶(hù)設(shè)定的量程范圍來(lái)確定。

（6）記錄采集開(kāi)始時(shí)間。通過(guò)“GetTickCount”函數(shù)，讀取系統(tǒng)當(dāng)前時(shí)間。登記作為初始時(shí)間。

（7）采集一組電信號(hào)數(shù)據(jù)。根據(jù)采集模式，分別采集當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)上，0通道、0和1通道、或0～3通道的數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)于1、2或4個(gè)數(shù)組的相應(yīng)位置。

（8）獲取當(dāng)前時(shí)間。

（9）判斷是否已達(dá)到總采樣時(shí)間。用當(dāng)前時(shí)間減去開(kāi)始時(shí)間，再與總采樣時(shí)間比較大小。若是，轉(zhuǎn)到（10），否則轉(zhuǎn)到（7）。

（10）通過(guò)函數(shù)“DRV_DeviceClose”關(guān)閉采集卡設(shè)備。

3 結(jié)論

（1）闡述了四通道焊接電弧動(dòng)態(tài)小波分析儀硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。除支持ISA總線數(shù)據(jù)采集卡PCL1800之外，還可使用PCI總線數(shù)據(jù)采集卡PCI1718HDU。

（2）介紹了四通道焊接電弧動(dòng)態(tài)小波分析儀軟件系統(tǒng)的主界面、功能等。數(shù)據(jù)采集模塊包含了“獲取增益碼列表”“向設(shè)備寫(xiě)入對(duì)應(yīng)通道的增益碼”等多個(gè)重要的步驟。

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