基于USB 2.0接口的反重力鑄造充型過程測試系統(tǒng)

楊 輝，俞子榮，陳黎娟，蔡鵬翔

(南昌航空大學(xué)信息工程學(xué)院，江西 南昌 330063)

0 引言

近年來，國內(nèi)外航空航天、國防和汽車工業(yè)等行業(yè)對大型、精密、薄壁、復(fù)雜、優(yōu)質(zhì)高強度鋁合金鑄件的需求量增加，反重力鑄造作為能滿足上述生產(chǎn)需要的先進鑄造成型工藝，日益受到鑄造界的關(guān)注，在世界各國得到普遍應(yīng)用［1］。在反重力鑄造過程中，金屬液的充型過程對鑄件的質(zhì)量有著很關(guān)鍵的影響。目前國內(nèi)外有各種各樣的方法對鑄造充型過程進行研究，如水力模擬實驗法［3］、X 射線熒光顯示［3］、耐熱玻璃窗法［2］，這些方法可以對鑄造充型過程進行宏觀的顯示，但是由于測試條件或?qū)嶒灜h(huán)境與實際情況存在差異，造成實驗結(jié)果并不精確，而且這些方法無法對反重力鑄造充型過程中金屬液流場的壓力與溫度變化趨勢進行分析。本文基于上述原因，設(shè)計以USB 2.0為通信接口的反重力鑄造充型測試系統(tǒng)，本系統(tǒng)以USB 2.0通信芯片CY7C68013A作為主控制器，利用USB的高速傳輸，實現(xiàn)反重力鑄造中鑄件充型過程測試的實時性與精確性，具有很好的實用前景。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

反重力鑄造充型過程測試系統(tǒng)采用熱電偶測溫法來描述金屬液的充填順序，可以詳細記錄各測試點的溫度變化，得到金屬液在型腔中各點的充填順序。系統(tǒng)主要由邏輯控制模塊、信號采集模塊和上位機PC組成。其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。邏輯控制模塊為本系統(tǒng)的核心模塊，以支持USB 2.0高速傳輸?shù)腅ZUSB FX2系列器件CY7C68013A為核心芯片，控制A/D轉(zhuǎn)換和讀入A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，并控制FIFO的讀寫，與主機之間的通信和數(shù)據(jù)傳輸。Cypress公司的EZ－USB FX2是一款集成USB 2.0的微處理器，它的全速傳輸速率為12Mb/s，高速傳輸速率為480Mb/s，芯片結(jié)構(gòu)為包括增強型的8051處理器、USB 2.0收發(fā)器、串行接口引擎(SIE)、16kB的RAM、4kB的FIFO存儲器、可編程的外圍接口等豐富的資源。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

對USB芯片CY7C68013A的合理設(shè)計，充分利用芯片內(nèi)部的豐富資源，搭建外圍數(shù)據(jù)采集電路，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速采樣與快速傳輸。在系統(tǒng)中，USB設(shè)備與主機的數(shù)據(jù)傳輸方式采用塊傳輸(BULK Transfer)的方式。設(shè)計中EZ-USB FX2(CY7C68013A)的通信工作模式選用端口模式。充分利用EZ-USB FX2內(nèi)部資源，將其內(nèi)部FIFO存儲器作為數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，在數(shù)據(jù)存滿時，由芯片內(nèi)的USB引擎打包，將數(shù)據(jù)傳送至PC機，用戶應(yīng)用程序?qū)?shù)據(jù)進行存儲顯示并進一步處理。

1.2 外圍信號采集外圍電路

圖2 溫度采集電路

系統(tǒng)需要采集的信號有壓力和溫度。對溫度的采集，是對鑄造過程金屬液充型過程與凝固過程中的溫度變化進行測試，溫度檢測主要是通過溫度傳感器將溫度的變化轉(zhuǎn)化成電信號的變化，經(jīng)過信號采集電路處理得出精確的溫度變化。溫度傳感器選擇K型熱電偶(0～1300℃)作為輸入通道的最前端，將溫度信號轉(zhuǎn)換成電信號，再經(jīng)過運算放大器進行信號放大，送至經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器MAX197轉(zhuǎn)化處理，再由微處理器送至PC機上進行顯示。溫度采集電路如圖2所示。另外，根據(jù)K型熱電偶的測溫原理，冷端溫度不是標準參考零點，需進行冷端補償，通過測量冷端溫度，將數(shù)據(jù)送入PC采用軟件方法進行補償。

對上下氣罐壓力的測試是確定進行溫度采集的時間，當反重力鑄造系統(tǒng)上下鑄罐壓力達到一定壓差時，金屬液進入型腔，開始進行溫度數(shù)據(jù)的采集。壓力傳感器采用型號為JYB-K0-KAA的壓力傳感器，其壓力范圍0～1.0MPa，壓力類型為絕壓，輸出方式為4mA～20mA電流。由于壓力傳感器測得的是電流信號，壓力傳感器將壓力信號轉(zhuǎn)換為4mA～20mA電流信號輸入，因此在信號調(diào)理階段，需要將電流信號轉(zhuǎn)成電壓信號。采用美國RURR－BROWN公司生產(chǎn)的精密電流環(huán)接收器芯片RCV420，可將4mV～20mV輸入信號轉(zhuǎn)換成為0～5V輸出信號，然后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換送微處理器，由USB接口送 PC上進行顯示與分析。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件主要包括3個部分:USB設(shè)備端的主控制器的固件程序、PC端USB設(shè)備驅(qū)動程序和用戶應(yīng)用程序。

2.1 固件程序設(shè)計

固件是指運行在芯片CY7C68013A內(nèi)的程序，其主要功能是:初始化工作，完成設(shè)備的重新枚舉過程，各種USB標準請求的處理，以及實現(xiàn)主機與外設(shè)之間的通信和數(shù)據(jù)傳輸。在使用EZ-USB FX2芯片進行應(yīng)用開發(fā)時，可以采用Cypress公司提供的固件框架和固件函數(shù)庫，用戶可以很方便地對芯片進行使用，進一步加快USB外設(shè)固件程序的開發(fā)，提高用戶開發(fā)的效率［4］。

設(shè)計中采用現(xiàn)成的固件程序框架函數(shù)來編寫固件程序，根據(jù)所要完成的功能需求，在對應(yīng)的功能函數(shù)中編寫相應(yīng)的代碼，來達到特定的目的，其中基本的固件程序框架函數(shù)有:

在系統(tǒng)上電啟動后，系統(tǒng)會對用到的變量進行定義和初始化，即初始化狀態(tài)變量，然后調(diào)用用戶初始化函數(shù)TD_init()和打開中斷，主機在延時1秒的時間內(nèi)開始不斷地重新枚舉USB設(shè)備，一直到接收到setup令牌包，重枚舉結(jié)束，再進入循環(huán)語句，調(diào)用用戶函數(shù)TD_Poll()。固件程序流程如圖3所示。

圖3 固件程序流程圖

2.2 USB驅(qū)動程序設(shè)計

USB驅(qū)動程序?qū)賅DM(Windows Drives Mode)驅(qū)動程序模型，在USB通信中采用了分層驅(qū)動程序模型，每一層的驅(qū)動程序負責(zé)處理一部分的USB通信任務(wù)，USB驅(qū)動程序?qū)哟误w系結(jié)構(gòu)如圖4所示。USB系統(tǒng)驅(qū)動程序主要包括:USB設(shè)備驅(qū)動程序、USB主機控制器驅(qū)動程序(HCD)和USB總線驅(qū)動程序(USBD)。在上述的模塊中，Windows操作系統(tǒng)中提供了USB總線驅(qū)動和USB主控制器驅(qū)動程序，設(shè)計開發(fā)中重點對USB設(shè)備驅(qū)動程序進行編寫。USB設(shè)備的WDM驅(qū)動程序是通過創(chuàng)建URB(USB Request Block)，同時發(fā)送URB的IRP(I/O Request Packet)至USB總線驅(qū)動程序，這樣可以實現(xiàn)對USB設(shè)備信息的發(fā)送和接收。設(shè)計中使用了Cypress公司提供的通用驅(qū)動程序。

設(shè)備只要加載Cypress公司提供的通用驅(qū)動程序，就能正常運行。主機通過識別USB設(shè)備的VID和PID，能正確加載USB驅(qū)動程序，使設(shè)備驅(qū)動程序能夠正確運行［4］。

圖4 USB驅(qū)動程序體系結(jié)構(gòu)

2.3 用戶應(yīng)用程序

用戶應(yīng)用程序是系統(tǒng)軟件設(shè)計的重要部分，它主要完成以下幾個任務(wù):啟動設(shè)備、檢測設(shè)備是否連接、開始和結(jié)束數(shù)據(jù)采集、上傳采集數(shù)據(jù)包、存儲和顯示數(shù)據(jù)。應(yīng)用程序流程如圖5所示。

圖5 應(yīng)用程序流程圖

芯片CY7C68013A內(nèi)部含有FIFO存儲器，采集的數(shù)據(jù)放在FIFO中，當存儲器存滿后，將由USB引擎打包，并發(fā)送讀取數(shù)據(jù)消息，快速將數(shù)據(jù)包傳輸至上位機。另外，為了保證傳輸數(shù)據(jù)和顯示數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和精確性，避免死機現(xiàn)象，設(shè)計中采用了多線程技術(shù)。當系統(tǒng)啟動A/D模塊后，便會創(chuàng)建2個線程:采集線程和傳輸線程。當系統(tǒng)接收到開始采集的命令后，就會創(chuàng)建采集線程。采集線程主要完成系統(tǒng)初始化，將采集數(shù)據(jù)寫到內(nèi)存中;然后啟動傳輸線程，傳輸線程運行時，采集線程就一直等待，當讀操作完成時，傳輸線程就可以終止了;接著采集線程再運行，并發(fā)送一個請求來啟動顯示和存儲任務(wù)。當接收到采集線程發(fā)來的顯示和存儲任務(wù)后，便從寫有采集數(shù)據(jù)的內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)并顯示和存盤。

3 結(jié)束語

本文開發(fā)了基于USB 2.0的反重力鑄造充型過程測試系統(tǒng)，設(shè)計了系統(tǒng)的硬件電路，并編寫了相應(yīng)的軟件程序。將USB 2.0總線通信技術(shù)應(yīng)用到反重力鑄造充型過程測試系統(tǒng)中，使得數(shù)據(jù)的采集與傳輸具有了高速、準確的優(yōu)勢，相對于傳統(tǒng)的測試方法，本系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率快，實時性和精確性強，在鑄造測試領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。下一步的工作是測試鑄件的凝固過程中的鑄件溫度變化趨勢，對鑄件的冷卻凝固規(guī)律進行研究。

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