弧焊過程監(jiān)測嵌入式分析系統(tǒng)王艷清;宋永倫【摘要】以焊接過程中的焊接電流、電弧電壓為信號源，設(shè)計了基于STM32的多通道高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過以太網(wǎng)總線實現(xiàn)了局域網(wǎng)內(nèi)焊接過程信息的實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)傳輸;設(shè)計了一套焊接過程信息數(shù)據(jù)分析軟件,用于研究焊接過程電信號表現(xiàn)形式與焊接質(zhì)量的關(guān)系，進而實現(xiàn)焊接質(zhì)量的定量評價，為當前自動化與機器人焊接的信息化提供了一種定量分析工具.【期刊名稱】《電焊機》【年(卷)，期】2015(045)009【總頁數(shù)】5頁(P10-14)【關(guān)鍵詞】孤焊;數(shù)據(jù)采集;分析;嵌入式【作者】王艷清;宋永倫【作者單位】北京工業(yè)大學(xué)機械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京100124;北京工業(yè)大學(xué)機械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京100124【正文語種】中文【中圖分類】TG409近年來，焊接自動化和信息化在我國已成為一種主要的生產(chǎn)方式并得到越來越多的應(yīng)用，與此同時，有力的促進了焊接在線監(jiān)測與定量分析技術(shù)的工程應(yīng)用。在弧焊生產(chǎn)中，焊接電流、電壓是兩個最基本的參數(shù)也是最直接、最方便獲取的信息源，一方面能反映焊接電源電能量輸出與控制的方式；另一方面表現(xiàn)為金屬過渡形式及焊縫成形的穩(wěn)定性［1-2］。此外，弧焊過程電弧能量在兩極的分配情況，焊接時各力場對熔滴、熔池的作用與效果等都可以從上述兩個特征信息中得到反映。隨著數(shù)據(jù)采集技術(shù)、嵌入式技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，給焊接自動化監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展開辟了新的途徑［3］。目前焊接監(jiān)測系統(tǒng)有兩種結(jié)構(gòu)形式，分別為基于PC和采集卡的焊接監(jiān)測系統(tǒng)和嵌入式焊接監(jiān)測系統(tǒng)。其中，嵌入式系統(tǒng)具有低成本、高可靠性、可裁剪性強、實時性好、低功耗等優(yōu)點，在制造信息化領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。本研究針對上述需求，開發(fā)了基于STM32的嵌入式焊接過程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過以太網(wǎng)總線實現(xiàn)了局域網(wǎng)內(nèi)焊接過程信息的實時監(jiān)測，并設(shè)計了一套焊接過程信息數(shù)據(jù)分析軟件，用于研究焊接過程電信號表現(xiàn)形式與焊接質(zhì)量的關(guān)系，進而實現(xiàn)焊接質(zhì)量的定量評價?；『高^程監(jiān)測分析系統(tǒng)由嵌入式數(shù)據(jù)采集器及上位機采集分析軟件兩部分組成。數(shù)據(jù)采集器通過同軸電纜與傳感器相連，主要實現(xiàn)對焊接電流和電弧電壓的采集。數(shù)據(jù)采集器具有兩種工作模式，分別為記錄儀模式和采集終端模式。在記錄儀模式下，數(shù)據(jù)采集器可以獨立的工作于工業(yè)現(xiàn)場，在液晶屏幕上以波形的形式實時顯示焊接過程的電流及電壓，并將焊接數(shù)據(jù)以文件的形式保存在SD卡中。通過本設(shè)備的文件瀏覽器可對保存的歷史數(shù)據(jù)進行瀏覽查看。采集終端模式下，數(shù)據(jù)采集器受PC端的采集分析軟件控制，采集的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)總線發(fā)送到采集分析軟件。采集分析軟件可實時繪制電壓電流波形，并可分析采集的數(shù)據(jù)。2.1數(shù)據(jù)采集器硬件結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)采集器硬件采用雙STM32的設(shè)計方案，STM32F103ZET6為主控芯片，STM32F103VET6作為協(xié)處理器芯片，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。主控芯片具有完整的FSMC總線接口，擴展了512K*16B的SRAM作為人機界面的緩存空間；使用SDIO總線作為SD卡的通信接口，實現(xiàn)SD卡存儲功能；使用SPI總線擴展了以太網(wǎng)硬件協(xié)議棧芯片W5500，實現(xiàn)以太網(wǎng)通信功能。協(xié)處理器芯片通過FSMC總線擴展了多通道同步采集ADC芯片AD7606，實現(xiàn)焊接過程的高速數(shù)據(jù)采集以及有效值、標準差實時計算。主控芯片與協(xié)處理器之間通過SPI總線傳輸采集的原始數(shù)據(jù)，通過UART串口傳輸控制命令。2.2數(shù)據(jù)采集功能為了獲得較好的采集精度，數(shù)據(jù)采集器選用16位同步采樣DAS芯片AD7606作為系統(tǒng)的ADC。AD7606具有8個模擬量通道，每個通道的最高采樣頻率均可達200kHz，可實現(xiàn)16位無失碼，在高噪聲電源條件下也能保持這一性能［4］。協(xié)處理器負責(zé)控制AD7606實現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換與采集，通過控制與AD7606的CONVERT相連的弓I腳脈沖頻率來控制ADC的采樣頻率。協(xié)處理器通過SPI總線將采集的原始數(shù)據(jù)發(fā)送給主控制芯片，實現(xiàn)芯片間的數(shù)據(jù)傳遞。為了降低主控芯片的CPU占有率，保證SPI總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪B續(xù)性，主控芯片采用DMA的方式接收來自于協(xié)處理器的數(shù)據(jù)。具體的配置方式如下：在主控芯片的SRAM中開辟32kB的緩存數(shù)組，將SPI接口配置為DMA接收模式；將DMA的模式設(shè)置為循環(huán)模式，傳輸基地址設(shè)置為緩存數(shù)組的起始地址，數(shù)據(jù)總線寬度配置為單字節(jié)模式，緩存大小配置為32768B；最后開啟DMA的傳輸半中斷DMA_IT_HT、傳輸結(jié)束中斷DMA_IT_TC。如果SPI總線收到數(shù)據(jù)，DMA控制器即可自動將數(shù)據(jù)依次存儲到緩存數(shù)組中。當接收的數(shù)據(jù)數(shù)量達到16kB時，即緩沖的前半段空間存儲滿，此時主控芯片會產(chǎn)生DMA_IT_HT中斷；當接收的數(shù)據(jù)達到32kB時，即緩存的后半段空間存滿，會產(chǎn)生DMA_IT_TC中斷，并且DMA會自動的從緩存的第一個字節(jié)重新開始存儲，如此循環(huán)重復(fù)。主控制芯片只需在產(chǎn)生DMA中斷時，將緩存中的前半段或后半段數(shù)據(jù)及時處理即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理的并行執(zhí)行。2.3數(shù)據(jù)存儲功能數(shù)據(jù)采集器采用SD卡作為存儲設(shè)備，SD卡有SPI和SDIO兩種通信接口。SPI通信接口比較簡單，總線速率最高18MHz，是串行通信總線；而SDIO通信接口與SPI通信接口相比，總線是4位的并行總線，并且總線速率為24MHz，通信速度遠遠高于SPI總線。STM32F1xx系列單片機內(nèi)置了SDIO控制器與SPI接口兩種通信接口。數(shù)據(jù)采集器的存儲速度要求至少達到400kB/s，SPI接口無法達到要求的存儲速度，而SDIO接口電路可以達到兆級別的寫入速度，所以存儲卡接口選用SDIO通信接口。采集的數(shù)據(jù)以文件形式保存在SD卡中，為了實現(xiàn)對文件的管理，在主控芯片上移植了FatFs文件系統(tǒng)。利用文件系統(tǒng)對存儲卡進行管理，可以方便的實現(xiàn)文件、文件夾操作與磁盤管理。為了提高數(shù)據(jù)的存儲速度，采集的原始數(shù)據(jù)以二進制的形式寫入到SD卡的文件中。具體的存儲流程如圖2所示，當數(shù)據(jù)采集器處于SD卡存儲模式時，DMA控制器負責(zé)數(shù)據(jù)的自動采集。當產(chǎn)生DMA_IT_HT中斷時，在中斷函數(shù)中將f_Buffer_A標志位置1，在主函數(shù)中將bufferA緩存寫入到文件中；當產(chǎn)生DMA_IT_TC中斷時，在中斷函數(shù)中將f_Buffer_B標志位置1，在主函數(shù)中將bufferB緩存寫入到文件中。2.4網(wǎng)絡(luò)通信功能數(shù)據(jù)采集器選用W5500硬件協(xié)議棧芯片實現(xiàn)以太網(wǎng)通信功能。由于采用了硬件協(xié)議棧芯片，在軟件中無需對TCP/IP協(xié)議的底層進行驅(qū)動程序編寫，并且Wiznet公司提供了W5500應(yīng)用庫，只需調(diào)用庫中的函數(shù)即可實現(xiàn)W5500應(yīng)用庫的移植工作。網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議選用TCP通信協(xié)議，采用C/S架構(gòu)設(shè)計，PC機軟件作為客戶端，數(shù)據(jù)采集器作為服務(wù)器端。數(shù)據(jù)采集器開機啟動后即進行等待連接狀態(tài)，當建立連接以后，根據(jù)上位機軟件的指令執(zhí)行程序。2.5嵌入式人機界面在主控制芯片上移植了EMWIN嵌入式GUI，采用基于窗口消息的模式設(shè)計了數(shù)據(jù)采集器的人機交互界面。波形顯示刷新頻率設(shè)定為1Hz，每次刷新都從采集的數(shù)據(jù)中提取并顯示該時段的統(tǒng)計結(jié)果。3.1軟件的整體結(jié)構(gòu)軟件的功能結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，主要包括網(wǎng)絡(luò)通信、波形瀏覽、數(shù)據(jù)處理三大功能模塊。網(wǎng)絡(luò)通信模塊用于遠程配置數(shù)據(jù)采集器的采樣率、采集模式等，并可以實現(xiàn)焊接數(shù)據(jù)的以太網(wǎng)傳輸。波形瀏覽模塊將二進制數(shù)據(jù)以波形的方式提供給用戶查看，可顯示實時的焊接波形或用于歷史數(shù)據(jù)的查閱。數(shù)據(jù)處理分析模塊是軟件的核心部分，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為不同的形式供用戶分析，為用戶對焊接過程的評估提供數(shù)據(jù)支持。3.2上位機的以太網(wǎng)通信數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的通信協(xié)議選用TCP/IP協(xié)議，采用Client/Server模式，上位機PC軟件為客戶端，數(shù)據(jù)采集器為服務(wù)端。TCP/IP協(xié)議棧的傳輸層有兩種通信協(xié)議：TCP、UDP。為了保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸，上位機軟件的數(shù)據(jù)采集采用TCP通信方式。軟件設(shè)計基于CAsyncSocket類設(shè)計，通過編寫該類對象的事件響應(yīng)函數(shù)來實現(xiàn)以太網(wǎng)通信。上位機軟件可以將從以太網(wǎng)SOCKET收到的數(shù)據(jù)保存到本地文件中，保存的格式與數(shù)據(jù)采集器保存的格式一致，同樣為short類型的二進制文件，使用CFile類來實現(xiàn)文件的存儲。當需要保存文件時，自動在設(shè)定的文件夾下生成文件，文件的后綴為".dat”，文件名為當前的存儲時間。3.3數(shù)據(jù)讀取與波形繪制焊接過程中由于采集時間較長，采集文件較大，有時甚至可以達到1G，但是計算機的存儲空間有限，不能夠?qū)⒋笪募x取到內(nèi)存中。為了節(jié)約軟件的內(nèi)存占用，提高軟件的執(zhí)行效率，本研究針對大文件采用動態(tài)文件抽取的讀取方式。動態(tài)讀取數(shù)據(jù)具體方法為：首次載入文件時，如果讀取的文件大小大于10MB時，設(shè)置曲線的buffer容量為10MB,從整個文件中等間隔抽取出10MB的數(shù)據(jù)。當進行波形放大時，再動態(tài)的從波形文件抽取新的10MB數(shù)據(jù)，直至放大的區(qū)間容量小于10MB時，此時讀取與區(qū)間數(shù)據(jù)容量一致的數(shù)據(jù)。當進行縮放時，抽取規(guī)則相同。如果區(qū)間容量大于10MB，便進行等間距抽取數(shù)據(jù)，如果區(qū)間容量小于10MB，則全部載入內(nèi)存。3.4焊接過程數(shù)據(jù)處理與分析提供時頻域分析、統(tǒng)計分析兩大功能。時頻域分析包括信號濾波、FFT。統(tǒng)計分析功能包括信號的有效值、標準差統(tǒng)計分析、概率密度圖、焊接過程熱輸入量計算、焊接過程U-I曲線。以高強鋁合金變極性脈沖TIG焊接過程的在線檢測為例，對本研究研發(fā)的嵌入式系統(tǒng)進行功能與效果的驗證。其中，在生產(chǎn)現(xiàn)場對焊接過程的數(shù)據(jù)采用網(wǎng)絡(luò)傳輸。4.1時域分析圖4為在常規(guī)變極性脈沖TIG焊的主電流EN時段耦合另一個頻率為20kHz電流脈沖的波形，以及脈沖前、后的波形對比。4.2頻域分析變極性耦合脈沖TIG焊工藝中是3種脈沖頻率的復(fù)合，分別是主電流變極性5Hz脈沖，交流時段的80Hz脈沖，以及主電流EN時段20kHz的脈沖。對波形采用FFT分析，可方便檢測各頻率實際產(chǎn)生的幅頻特征，如圖5所示。4.3統(tǒng)計分析對復(fù)合脈沖電弧過程的電壓、電流數(shù)據(jù)進行概率密度統(tǒng)計，如圖6所示，該統(tǒng)計分布表達了變極性電弧在EN、EP時段的能量分配特點，反映了多脈沖復(fù)合電弧的穩(wěn)定、協(xié)調(diào)的工作狀態(tài)。圖7為疊加20kHz電流脈沖前后的焊接過程U-1分布，對比可見，疊加20kHz電流脈沖后電弧電壓波動較小，電流幅值增加而電弧電壓低于疊加前，在電弧過零時段，電壓的相位均出現(xiàn)在〃負”向，反映了復(fù)合型脈沖TIG電弧的動態(tài)特征。針對弧焊過程設(shè)計了一套數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)，系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集終端和上位機分析軟件組成。數(shù)據(jù)采集終端基于雙STM32F103嵌入式微控制器設(shè)計，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、以太網(wǎng)通信、SD卡高速存儲和人機交互界面等功能。上位機軟件采用VisualStudio和MeasurementStudio聯(lián)合編程，實現(xiàn)了以太網(wǎng)實時數(shù)據(jù)采集、焊接過程在線監(jiān)控和焊接數(shù)據(jù)分析。在生產(chǎn)現(xiàn)場進行了焊接實驗，驗證了該系統(tǒng)具有較高的采樣精度和穩(wěn)定性，SD卡存儲速度與網(wǎng)絡(luò)通信速度滿足雙