基于藍(lán)牙通信的焊接電源數(shù)字化控制系統(tǒng)

涂志剛，馮曰海

（南京理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210094）

0 前言

隨著電子技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，焊接設(shè)備已朝著智能化、信息化、自動(dòng)化和網(wǎng)絡(luò)化方面發(fā)展[1]。對(duì)于焊接質(zhì)量而言，焊接工藝參數(shù)的準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)監(jiān)控在焊接過(guò)程中極為重要[2]。在以往的焊接通信領(lǐng)域中，已經(jīng)有RS485和CAN總線等有線通信技術(shù)方案[3-4]，但其布線繁瑣、不易安裝升級(jí)。而基于RF射頻技術(shù)和ZigBee技術(shù)[5]等無(wú)線通信又因抗干擾能力較弱、傳輸速度慢而限制了其應(yīng)用。

藍(lán)牙4.0技術(shù)是一種低功耗、低成本、高速率的雙向無(wú)線通信技術(shù)，采用分散式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及快速跳頻和短包技術(shù)，極大地提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目垢蓴_能力，并且具有3 ms低延遲、100 m以上超長(zhǎng)距離等諸多特色。數(shù)字信號(hào)處理器DSP的數(shù)字信號(hào)處理能力非常強(qiáng)大，大規(guī)模集成化和柔性化編程等優(yōu)點(diǎn)使其成為數(shù)字化焊接電源控制系統(tǒng)的最優(yōu)控制芯片[6]。本研究將以新型TMS320F28033 DSP芯片作為控制系統(tǒng)的核心，開展數(shù)字化焊接電源控制系統(tǒng)的研究，并進(jìn)行焊接過(guò)程的藍(lán)牙通信功能設(shè)計(jì)與測(cè)試。

1 系統(tǒng)工作原理

設(shè)計(jì)的基于藍(lán)牙通信的焊接電源數(shù)字化控制系統(tǒng)如圖1所示。焊接電源系統(tǒng)主要由主電路和控制電路兩部分組成，利用霍爾電壓、電流傳感器將主電路上采集到的電壓、電流信號(hào)輸入TMS320F28033 DSP芯片的A/D模塊，然后DSP內(nèi)部通過(guò)一定的算法輸出PWM波形控制IGBT全橋逆變電路，同時(shí)輸出另外一路PWM波形控制送絲系統(tǒng)，保證焊接過(guò)程中穩(wěn)定的送絲。在控制系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了過(guò)電流、過(guò)熱兩路保護(hù)電路，當(dāng)在焊接過(guò)程中檢測(cè)到過(guò)電流、過(guò)熱信號(hào)時(shí)，主控系統(tǒng)會(huì)采取相應(yīng)措施對(duì)焊機(jī)進(jìn)行保護(hù)。通過(guò)一套藍(lán)牙通信系統(tǒng)使焊機(jī)與PC機(jī)相連，從而實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

圖1 基于藍(lán)牙通信的焊接電源數(shù)字化控制系統(tǒng)Fig.1 Digitalized control system for welding power source based on bluetooth communication

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)控制電路

系統(tǒng)控制電路主要由采樣電路、驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路、送絲電路、人機(jī)交互系統(tǒng)電路以及其他外設(shè)電路組成。主控電路采用TI的TMS320F28033 DSP芯片作為系統(tǒng)的控制核心，該芯片是一款硬件和軟件資源十分豐富的32位DSP，多達(dá)45個(gè)具有輸入濾波功能的多路復(fù)用通用輸入輸出（GPIO）引腳，兩個(gè)8通道的12位A/D轉(zhuǎn)換器，最小轉(zhuǎn)換時(shí)間為216.67 ns。數(shù)字PWM控制采用了DSP的增強(qiáng)型脈寬調(diào)制器（ePWM）和高分辨率PWM（HRPWM）,從而進(jìn)一步提高了PWM的分辨率。這些特性都使得焊接過(guò)程中熔滴過(guò)渡的快速、精確、實(shí)時(shí)控制成為可能。

2.2 采樣信號(hào)濾波電路

焊接過(guò)程中，電弧電壓、焊接電流分別通過(guò)電壓霍爾傳感器和電流霍爾傳感器進(jìn)行采樣，然后將采樣到的電弧電壓、焊接電流信號(hào)通過(guò)如圖2所示的電路進(jìn)行二階低通濾波和限幅處理，再傳輸?shù)紻SP的A/D模塊，作為電壓、電流反饋信號(hào)。二階低通有源濾波電路相比一階而言，過(guò)渡帶更窄，衰減斜率更大，而且濾波特性不受負(fù)載的影響，可以很好地濾除采樣信號(hào)中的雜波。

為了保護(hù)DSP芯片避免因輸入信號(hào)過(guò)大而造成的損壞，在采樣信號(hào)輸入到DSP的I/O口之前采用VD5和VD6兩個(gè)二極管對(duì)信號(hào)進(jìn)行限幅處理，使其保持在0～3.3 V之間。還選用瞬變電壓抑制器NUP4201MR6用于抑制瞬變電壓，再一次對(duì)DSP進(jìn)行保護(hù)。因?yàn)槠涞腿葜担钥梢杂糜诒Ｗo(hù)高速數(shù)據(jù)線，適合應(yīng)用在焊接采樣電路中。

圖2 采樣信號(hào)濾波電路Fig.2 Sampling signal filter circuit

由于焊接中存在著電磁場(chǎng)和各種不同頻率的噪聲等干擾，為了提高采樣精度、減少干擾信號(hào)對(duì)采樣值的影響，所以對(duì)采樣值進(jìn)行數(shù)字濾波處理和多次采樣取平均值，從而盡可能地減小采樣誤差。

2.3 數(shù)字PWM信號(hào)放大電路

在焊接時(shí)，DSP主控芯片將反饋電路反饋的焊接參數(shù)與焊接前給定的參數(shù)相比較，內(nèi)部通過(guò)一定算法輸出PWM波形給驅(qū)動(dòng)電路，然后再去驅(qū)動(dòng)IGBT模塊，從而控制焊接過(guò)程。但由于從DSP輸出的PWM不足以驅(qū)動(dòng)MOSFET，因此在電路中增加了一路PWM信號(hào)放大電路，如圖3所示。芯片選用TC4427，該芯片是1.5A雙高速功率MOSFET驅(qū)動(dòng)器，峰值輸出電流高達(dá)1.5 A，能夠在30 ns之內(nèi)快速地對(duì)1 000 pF的門極電容進(jìn)行充、放電。

圖3 數(shù)字PWM信號(hào)放大電路Fig.3 Digital PWM signal amplifying circuit

2.4 CAN通信電路

隨著數(shù)字網(wǎng)絡(luò)化控制的發(fā)展，控制器局域網(wǎng)CAN在焊接中得到了廣泛的應(yīng)用。CAN總線是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串口通信網(wǎng)絡(luò)，它能夠很好地滿足系統(tǒng)對(duì)通信距離、通信速率和穩(wěn)定性等要求，目前已有部分焊機(jī)和機(jī)器人配備了CAN總線接口，為了實(shí)現(xiàn)和機(jī)器人的CAN通信，因此設(shè)計(jì)了一路CAN通信電路。采用TJA1041作為控制芯片，通信速度可達(dá)1 Mbaud，具有良好的EMC性能。電路如圖4所示，電阻R82、R83為兩個(gè)等值電阻，主要是使CANH和CANL信號(hào)對(duì)稱，進(jìn)一步降低電磁輻射，ACT45B為共模濾波器，起到濾除共模信號(hào)的作用，PESD1CAN用于保護(hù)CAN總線避免因靜電而造成的損壞。

2.5 焊接參數(shù)藍(lán)牙傳輸電路

圖4 CAN通信電路Fig.4 CAN communication circuit

通過(guò)藍(lán)牙無(wú)線技術(shù)實(shí)現(xiàn)焊機(jī)和PC機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信，從而可以在PC機(jī)上實(shí)時(shí)監(jiān)控焊接參數(shù)的變化，間接保證工件的焊接質(zhì)量。藍(lán)牙芯片CC2540是一款高性價(jià)比、低功耗的片上系統(tǒng)（SOC），即一個(gè)包含了出色的8051內(nèi)核的RF收發(fā)器，完全兼容藍(lán)牙4.0低功耗BLE協(xié)議。主節(jié)點(diǎn)通過(guò)USB接口與PC機(jī)進(jìn)行通信，從節(jié)點(diǎn)通過(guò)RS232與DSP主控系統(tǒng)進(jìn)行通信。

設(shè)計(jì)電路如圖5所示，XTAL2主要用于芯片的低功耗模式，由于該系統(tǒng)中用了一個(gè)非平衡天線收發(fā)信號(hào)，所以設(shè)計(jì)了一個(gè)由 C261、L261、C252和 L252組成的巴倫來(lái)實(shí)現(xiàn)射頻輸出端與天線之間的信號(hào)匹配，R301作為內(nèi)部偏置電阻使用。

圖5 焊接參數(shù)藍(lán)牙傳輸電路Fig.5 Bluetooth transmission circuit of welding parameter

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 無(wú)線通信協(xié)議

在進(jìn)行無(wú)線通信時(shí)，通信雙方必須符合一定的協(xié)議，使主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)按照事先約定的格式進(jìn)行各自的工作，這樣才能保證整個(gè)無(wú)線通信系統(tǒng)的順暢。主、從節(jié)點(diǎn)之間相互發(fā)送數(shù)據(jù)的頻率隨著工作狀態(tài)的變化動(dòng)態(tài)調(diào)整，當(dāng)焊機(jī)工作時(shí)，每1 s發(fā)送一次數(shù)據(jù)，而當(dāng)焊機(jī)待機(jī)時(shí)，則每5 s發(fā)送一次數(shù)據(jù)，這樣可以有效地減輕無(wú)線通信的壓力，無(wú)線通信協(xié)議采用如表1所示的幀格式。

表1 自定義數(shù)據(jù)通信格式Tab.1 Self-defined data communication format

當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，在幀頭增加標(biāo)志序列，接收端通過(guò)檢測(cè)該標(biāo)志序列來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步。幀地址表示信息來(lái)源地址，焊接狀態(tài)表示焊接處于啟動(dòng)或者停止?fàn)顟B(tài)，CRC校驗(yàn)碼用于判定數(shù)據(jù)包的有效性，避免錯(cuò)誤信號(hào)的干擾。主、從節(jié)點(diǎn)相互進(jìn)行通信時(shí)，首先對(duì)接收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行有效性判定，然后根據(jù)幀地址來(lái)判斷信號(hào)的來(lái)源，再將焊接狀態(tài)、電流值、電壓值和送絲速度等數(shù)據(jù)通過(guò)PC機(jī)顯示出來(lái)。

在進(jìn)行焊接無(wú)線數(shù)據(jù)通信時(shí)，將自定義的數(shù)據(jù)包封裝成msg，然后給OSAL系統(tǒng)設(shè)置一個(gè)任務(wù)，在輪循機(jī)制下執(zhí)行該任務(wù)，并將獲取的msg進(jìn)一步封裝成noti信息格式。為了使從節(jié)點(diǎn)能夠響應(yīng)來(lái)自服務(wù)器的noti信息，必須在初始化的時(shí)候調(diào)用函數(shù)GATT_RegisterForInd（）進(jìn)行注冊(cè)，當(dāng)有消息時(shí)，將生成一個(gè)SYS_EVENT_MSG任務(wù)并被添加到任務(wù)鏈表中，之后由OSAL系統(tǒng)獲取任務(wù)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解封，再傳送給DSP進(jìn)行焊接過(guò)程控制。

3.2 藍(lán)牙無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸

為了實(shí)現(xiàn)主、從節(jié)點(diǎn)之間的無(wú)線通信，在BLECC254x藍(lán)牙協(xié)議棧中對(duì)GAP層和GATT層進(jìn)行配置，然后調(diào)用API函數(shù)完成相應(yīng)操作。上電時(shí)Peripheral處于advertising狀態(tài)，然后Central通過(guò)按鍵開啟掃描功能，待掃描發(fā)現(xiàn)可連接的設(shè)備后，再通過(guò)按鍵選擇需要連接的設(shè)備，連接成功后就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。本研究中利用串口命令代替藍(lán)牙模塊的按鍵，功能如表2所示。

表2 串口命令功能Tab.2 Serial port command menu

具體工作如下：首先對(duì)SimpleBLEPeripheral工程中的advertising進(jìn)行設(shè)置，在SimpleBLEPeripheral_Init（uint8 task_id）函數(shù)中定義Peripheral上電后就使能advertising，然后調(diào)用GAPRole_SetParameter（）函數(shù)設(shè)置advertising狀態(tài)。

在SimpleBLECentral工程中，利用SimpleBLECentral_Init（uint8 task_id）函數(shù)對(duì)GAP和GATT進(jìn)行配置，用串口發(fā)送的字符代替按鍵，然后調(diào)用串口接收處理函數(shù)去實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。當(dāng)接收到字符1后，Central就調(diào)用GAPCentralRole_StartDiscovery（ ）函數(shù)使能掃描，發(fā)現(xiàn)設(shè)備后，選中需要連接的設(shè)備，再調(diào)用GAPCentralRole_EstablishLink（ ）函數(shù)建立連接，然后主、從節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

3.3 主程序

無(wú)線通信系統(tǒng)的程序流程首先是對(duì)CC2540及外圍芯片進(jìn)行系統(tǒng)初始化，打開事件中斷，然后進(jìn)入省電模式，等待事件的中斷。數(shù)據(jù)發(fā)送和接收均采用中斷方式實(shí)現(xiàn)，這樣不僅可以減輕CPU的負(fù)擔(dān)，而且實(shí)時(shí)性也較好。當(dāng)數(shù)據(jù)開始接收或者發(fā)送時(shí)便產(chǎn)生事件中斷去喚醒CPU，然后根據(jù)中斷事件調(diào)用相應(yīng)的中斷子程序進(jìn)行處理，主程序流程如圖6所示。通過(guò)PC機(jī)輸入焊接參數(shù)給主節(jié)點(diǎn)，然后無(wú)線發(fā)送給從節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)校驗(yàn)無(wú)誤后發(fā)送給DSP主控系統(tǒng)，控制焊接進(jìn)行。隨后DSP主控系統(tǒng)控制焊接參數(shù)采集，將數(shù)據(jù)傳輸給從節(jié)點(diǎn)，再利用藍(lán)牙回傳給主節(jié)點(diǎn)，主節(jié)點(diǎn)校驗(yàn)無(wú)誤后發(fā)送給PC機(jī)顯示，至此完成通信過(guò)程的一個(gè)工作循環(huán)。當(dāng)焊機(jī)出現(xiàn)異常情況時(shí)，如過(guò)熱、過(guò)電壓等，則PC機(jī)上會(huì)顯示報(bào)警信號(hào)。

圖6 主程序流程Fig.6 Main program flow chart

3.4 系統(tǒng)測(cè)試

在焊接過(guò)程中由于存在著電磁場(chǎng)和噪聲等干擾，主、從節(jié)點(diǎn)能否進(jìn)行正常的無(wú)線通信是實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程精確控制的關(guān)鍵。因此，安排主、從節(jié)點(diǎn)在不同距離下進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，通過(guò)驗(yàn)證丟包率與通信距離的關(guān)系來(lái)間接說(shuō)明干擾信號(hào)對(duì)藍(lán)牙通信的影響程度。主、從節(jié)點(diǎn)實(shí)物如圖7、圖8所示。

圖7 主節(jié)點(diǎn)實(shí)物Fig.7 Master

本測(cè)試中主節(jié)點(diǎn)向從節(jié)點(diǎn)發(fā)送1000個(gè)數(shù)據(jù)包，通信信道頻率2 405～2 480 MHz，測(cè)試地點(diǎn)在焊接實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，障礙物較少，測(cè)試結(jié)果如表3所示。

圖8 從節(jié)點(diǎn)實(shí)物Fig.8 Slaver

表3 丟包率與通信距離的關(guān)系Tab.3 Relationships between packet loss rate and communication distance

測(cè)試數(shù)據(jù)表明，當(dāng)通信距離在10 m之內(nèi)，由于周圍障礙物較少，丟包率也較小，在可接受范圍之內(nèi)，對(duì)于焊接控制不會(huì)有太大影響。當(dāng)通信距離在10～20 m之間時(shí)，由于中間有一堵墻相隔，影響了無(wú)線通信的傳輸，丟包率較大，不過(guò)可滿足一般的焊接通信要求。

PC機(jī)通過(guò)CC2540主節(jié)點(diǎn)將焊接參數(shù)發(fā)送給從節(jié)點(diǎn)，然后通過(guò)RS232傳輸給DSP主控系統(tǒng)，發(fā)送的數(shù)據(jù)如圖9所示。

從節(jié)點(diǎn)將接收到的焊接參數(shù)通過(guò)藍(lán)牙回傳給主節(jié)點(diǎn)，然后通過(guò)PC機(jī)顯示，接收的數(shù)據(jù)如圖10所示。

4 結(jié)論

（1）采用新型TMS320F28033數(shù)字信號(hào)處理器為控制核心，設(shè)計(jì)了焊接電流和電弧電壓采樣電路、脈寬調(diào)制信號(hào)放大電路、CAN通信等外圍電路，構(gòu)成了一套焊接電源數(shù)字化控制硬件系統(tǒng)。

（2）基于CC2540無(wú)線通信芯片，設(shè)計(jì)了采用藍(lán)牙4.0協(xié)議傳輸?shù)暮附舆^(guò)程信號(hào)無(wú)線通信模塊。

圖9 發(fā)送數(shù)據(jù)顯示界面Fig.9 Transmit data display interface

圖10 接收數(shù)據(jù)顯示界面Fig.10 Receive data display interface

（3）無(wú)線通信測(cè)試結(jié)果表明，DSP數(shù)字焊機(jī)控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程信號(hào)的遠(yuǎn)程無(wú)線傳輸功能，通信距離遠(yuǎn)，并且數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定。

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[1]林愷迪，皮佑國(guó).基于ARM9的嵌入式焊接網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)[J].焊接技術(shù)，2011，40（1）：43-46.

[2]蘇憲東.焊接數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控[J].電焊機(jī)，2011，41（3）：20-23.

[3]周好斌，龍 波，張驍勇，等.基于串口通信的多臺(tái)焊機(jī)集散控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].石油儀器，2004，18（2）：27-30.

[4]尉學(xué)森，張益民，成海暉，等.基于CAN總線技術(shù)的焊機(jī)聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電焊機(jī)，2006，36（1）：67-69.

[5]朱俊杰，楊成本，蔡 艷，等.基于ZigBee技術(shù)的焊接電源群組化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電焊機(jī)，2011，41（1）：24-27.

[6]陸曉明，熊敬清，李 晉，等.基于DSP的脈沖MIG焊數(shù)字化焊機(jī)的研制[J].電焊機(jī)，2009，39（2）：38-41.