（材料加工工程专业论文）基于dspic30f6011a的焊接电流电压采集存储系统.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 传统的焊机没有电流电压的实时采集存储系统，焊后不能对焊接电流电压进行分 析，以改进焊接工艺参数，提高和保证焊接质量。当前，有以工控机为核心的焊接电 流电压采集存储系统在使用，但其体积大，成本高，在焊接工位使用时稳定性差，难 以满足采集存储系统小型化和低成本的要求。焊接生产和研究迫切需要一种可实现焊 接电压、电流的采集、存储和显示功能的廉价的，稳定的系统。 本课题采用d s p i c 3 0 f 6 0 1 1 a 单片机为控制芯片，以s a - 7 触摸屏为操作界面，用霍 尔传感器对焊接电流电压采样，并通过文件管理控制芯片c h 3 7 6 存储采样数据。主要 内容如下： ( 1 ) 焊接电流电压采样存储系统的应用现状综述，了解单片机在焊接监控系统中的应 用。 ( 2 ) 基于d s p i c 3 0 f 6 0 1 1 a 焊接电流电压采集存储系统。系统以d s p i c 3 0 f 6 0 1 1 a 单片机 为控制核心，触摸屏s a - 7 作为控制采样存储过程的操作界面。系统硬件电路设 计有如下部分：单片机和触摸屏连接的电平转换部分、单片机部分、时钟芯片部 分、数据存储到u 盘部分。 ( 3 ) 系统的软件设计程序有：基于m o d b u s 协议的触摸屏s a 一7 与d s p i c 3 0 f 6 0 1 1 a 单 片之间的u a r t 通讯、a d 采样程序设计、单片机与时钟芯片s d 2 4 0 3 之间i i c 通信 程讯设计、单片机与c h 3 7 6 芯片的s p i 接口通讯程序设计。使用m i c r o c h i p 公司 的集成开发环境m p l a b - i d e 软件，使用汇编语言编写软件程序。 ( 4 ) 调试系统的软硬件。经过调试表明，本课题的电流电压采集存储系统基本达到了 设计的要求：实现了触摸屏s a 一7 与d s p i c 3 0 f 6 0 1 1 a 单片机的有效通讯，实现了 单片机与时钟芯片s d 2 4 0 3 有效通讯，实现了单片机与c h 3 7 6 的有效通讯。 关键词：焊接工艺参数采集存储；触摸屏：m o d b u s 协议；u a r t 串行通信；s p i 通信 a b s t r a c t t h et r a d i t i o n a lw e l d e rh a v en or e a l t i m es y s t e mt oa c q u i s i t i o na n ds t o r a g ec u r r e n ta n d v o r a g e c a r l tb e t t e rt oa n a l y z et h ew e l d i n gc m r r c n ta n dv o l t a g e ，i no r d e rt oi m p r o v et h e w e l d i n gp r o c e s sp a r a m e t e r s ，i m p r o v ea n de n s u r et h eq u a l i t yo f w e l d i n g n o w ，t h ei n d u s t r i a l c o n t r o lc o m p u t e ra st h ec o r eo ft h ew e l d i n gt oa c q u i s i t i o na n ds t o r a g ec u r r e n ta n dv o l t a g e ， b u ti t sl a r g ev o l u m e ，h i g hc o s t ，p o o rs t a b i l i t yi nt h ew e l d i n gp o s i t i o n ，i t sd i f f i c u l tt om e e t t h e w e l d i n gr e q u i r e m e n t so f m i n i a t u r i z a t i o na n dl o wp o s t t h e r en e e da nu r g e n ts y s t e mt h a ti s c h e a pa n ds t a b l ei nt h ew e l d i n gp r o d u c t i o na n dr e s e a r c ht or e a l i z et h ew e l d i n gv o l t a g e ， c u r r e n ta c q u i s i t i o n ，s t o r a g ea n dd i s p l a yf u n c t i o n s t h es u b j e c tu s et h ed s p i c 3 0 f 6 011aa st h ec o n t r o lc h i p ，w i t h s a - 7 t o u c hs c r e e n i n t e r f a c e ，t h r o u g ht h eud i s ka n ds dc a r df i l em a n a g e m e n tc o n t r o lc h i pc h 3 7 6s t o r e st h e s a m p l e dd a t a s p e c i f i ct o p i c si n c l u d et h ef o l l o w i n g s e c t i o n s ： ( 1 ) w em u s tu n d e r s t a n dt h ew e l d i n g c u r r e n ta n dv o l t a g eo fs a m p l i n ga n ds t o r a g e s y s t e m sp r e s e n ta p p l i c a t i o ns i t u a t i o n ，u n d e r s t a n d i n gt h es c m i nw e l d i n gm a c h i n ec o n t r o l s y s t e ma n di t sa p p l i c a t i o n ( 2 ) w e l d i n gc u r r e n ta n dv o l t a g ea c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e d o nd s p i c 3 0 f 6 0 11 a s y s t e m t od s p i c 3 0 f 6 011ad i g i t a ls i g n a lc o n t r o l l e ra st h ec o r c ，w i t hs h e n z h e nd i s p l a yc o n t r o l a u t o m a t i o no ft h ec o m p a n y ss a t o u c hs c r e e nf o ri n t e r f a c e t h eo v e r a l ls y s t e mh a r d w a r e c i r c u i ti n c l u d i n g ：s i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e rc o n t r o lp a r t s ，c o n n e c t i n gw i t ht h et o u c hs c r e e n r s 2 3 2i n t e r f a c ec i r c u i tp a r t , c l o c kc h i p ，d a t ai ss t o r e di nu d i s c ( 3 ) t h ep r o g r a md e s i g n t o u c hs c r e e na n dd s p i c 3 0 f 6 0 11ab e t w e e nu s a r ts e r i a l c o m m u n i c a t i o nm o d u l ep r o g r a m m i n gb a s e do nt h em o d b u sa g r e e m e n t , a dp r o g r a m m m g , s 锄p i i n gc l o c kc h i ps d 2 4 0 3a n ds c m c o m m u n i c a t i o np r o g r a md e s i g nb e t w e e ns c ma n d i i c ，ud i s k 锄ds dc a r df i l em a n a g e m e n tc o n t r o lc h i p c h 3 7 6p r o g r a m m i n g t h e p r o g r a m m i n g u s ea s s e m b l yp r o g r a m m i n gl a n g u a g e ，s u p p o r t i n gb y m i c r o c h i p c o m p a n y sm p l a b i d es o f t w a r e ( 4 ) t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fs y s t e md e b u g g i n g c o m m i s s i o n i n gs h o wt h a t t h e c o n n 0 ls v s t 锄h a sb a s i c a l l yr e a c h e dt h ee x p e c t e dr e q u i r e m e n t so ft h ed e s i g n ：a c h i e v i n g e 行酬v ec o m m u n i c a t i o i ib e t w e e nt h et o u c hs c r e e na n dc o n t r o ls y s t e m ，a c h i e v i n g e f f e c t i v e c o m m u n i c a t i o nb 咖咖as i n g l ec h i pa n dc l o c kc h i ps d 2 4 0 3 ，a n da c h i e v et h ee f f e c t i v e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e ns c ma n dc h 3 7 6 k e y w o r d s ：w e l d i n gp a r a m e t e r sa c q u i s i t i o na n ds t o r a g e ；t o u c hs c r e e n ；m o d b u sa g r e e m e n t ； u a r ts e r i a lc o m m u n i c a t i o n ；s p lc o m m u n i c a t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第一章绪论弟一早珀。t 匕 1 1 研究背景 在焊接过程中，通过分析焊接过程中短路时间、焊接电压、焊接电流等电参数， 可以研究与电参数直接有关的焊接工艺性能，如熔池深度、飞溅大小、过渡形式等【i 】。 传统的焊机没有电流电压的实时采集系统，无法存储焊接电流电压参数，焊后不 能对焊接电流电压进行分析，改进工艺参数。即使能采集电流电压，能对其实时控制 采样的都是工控机之类系统，但其体积大，成本高，不能满足采集存储系统小型化和 低成本的要求。焊接行业迫切需要一种体积小，成本低，可实现焊接参数采集、存储、 显示功能的系统。 单片机在工业控领域中应用广泛，单片机与触摸屏配合使用，可以实现良好的人 机交互功能。通过触摸屏界面我们可以直接观察系统的运行状态和运行参数的变化情 况，而且可以通过操作触摸屏界面对系统运行参数进行修改。单片机和触摸屏通信需 要使用触摸屏的通信协议标准，本课题中触摸屏使用的是m o d b u s 协议，单片机要按照 m o d b u s 协议来编写两者通信的软件程序。m o d b u s 协议是m o d i c o n 公司在1 9 7 9 年发明 的，它是一种可以有效的支持控制器互相之间，控制器经由网络和其它设备之间所进 行有效通信的协议。 u 盘具有的便携性、轻巧性、速度快、通用性强等特点使其在个人计算机领域得 到了十分广泛的应用，为我们的学习和工作带来了极大的便利，但在自动控制系统中如 焊接电流电压采集存储等系统中的潜力还有待深入的开发。本课题的控制系统通过 d s p i c 3 0 f 6 0 1 1 a 单片机控$ 1 j c h 3 7 6 读写u 盘，采集的电流电压数据以文件方式( 例如t x t 文档方式) 存储到u 盘中，能有效提高传输数据的速度和稳定性。特别适合于时间跨度 长、传输速度高、数据量大的数据采集场合，方便和电脑等进行数据的相互交换，从而 可以把现场采集的数据放在室内进行分析心1 。由于可以灵活选择不同容量的u 盘，这就 使系统的通用性得到了极大的提高，降低了使用成本。 单片机在采集焊接电流电压过程中注意不要引入过多的干扰，焊机的地回路应与 单片机的地回路隔离，防止焊机中产生的各种干扰影响采样数据，霍尔电流传感器和 霍尔电压传感器可通过非接触的方式检测电流电压，具有体积小、精度高、成本低、 响应速度快、线性度好等特点，下面一节将对霍尔器件进行详细介绍。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2 霍尔器件介绍 霍尔效应是由美国物理学家e h 霍尔在1 8 7 9 发现的，它定义了感应电压和磁场之 间的关系，此后，在工业控制领域中霍尔技术得到了越来越多的应用。二十世纪八十 年代以来，霍尔传感器产业飞速发展，种类日趋丰富，技术含量日益提高，成功研制 的闭环霍尔电流电压传感器的在很大程度上拓展了霍尔传感器的应用范围。 1 2 1 霍尔器件工作原理 霍尔电势发生器，也称为霍尔器件，它是利用半导体材料的霍尔效应实现磁信号 转换为电信号的器件。如图i - i 所示，控制电流i c 纵向通过霍尔元件h ( 半导体材料 制成的薄片) ，加上垂直于h 强度为b 的磁场，在洛伦兹力的作用下h 中的载流子将 向h 的横向两侧聚集，产生一个电势差v 。，就是霍尔电压1 。 v h = k d i c b ( 1 一1 ) 式i - i 中，v 。为霍尔电压，k h 为半导体材料h 的霍尔系数，d 为半导体材料h 的厚 度。 1 2 2 开环霍尔电流传感器 图1 1 霍尔电势发生器 霍尔传感器有开环式和闭环式两种工作方式，图1 - 2 为开环式霍尔电流传感器的工 作示意图。 图1 2 开环霍尔传感器 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 圆环形的软磁材料间隙内有一片半导体材料制成的霍尔器件，当有电流在导线上 传输通过磁环时，霍尔器件感应到磁场，产生霍尔电压v 。，霍尔电压v 。与磁场有良好 的线性度，可以表征电流的大小。霍尔电压v 。经运放放大后，输出电流或者电压信号， 开环电流传感器可测量直流电，交流电等。开环电流传感器尺寸小、功耗低，重量轻， 成本低，适合精度要求不高的一般工业场合。 1 2 3 闭环霍尔电流传感器 在开环霍尔电流传感器的基础上，研制了闭环霍尔电流传感器，工作原理是霍尔 磁补偿式( 霍尔磁平衡式) ，它有补偿电路，使得传感器的性能得到较大提高h 1 。闭环 霍尔电流传感器在响应时间和精度上要好于开环霍尔电流传感器，图1 - 3 为闭环霍尔 传感器。 图1 - 3 闭环霍尔传感器 大电流i ，穿过磁环，产生磁场，霍尔元件感应到磁场产生电压，经过运放等电路， 从电源获得补偿电流i 。，补偿电流流经缠绕在磁环上的导线，产生的磁场与大电流i r 生成磁场方向相反，补偿了原磁场，使霍尔传感器一直保持在零磁通状态。当i ，产生 的磁场与i 。产生的磁场在磁体中相互平衡时有： n ，i p = n i s ( 卜2 ) 式1 - 2 中：n ，为主电流线圈匝数，n 。为补偿电流线圈匝数。闭环霍尔电流传感器与 回路隔绝，能检测交直流等，线性度和测量精度好，测量区间宽，频带宽，响应速度 快，在宽频带和高精度工业场合应用广泛。 1 3 信号采集与处理 在单片机用于信号采集过程中，通过传感器采集被控的模拟量，并由单片机自带 的a d 转换器把模拟量变成数字量，完成模拟信号的采集。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 - - - ! i 1 采样过程 把连续信号转换成离散的数字信号的过程就称为采样过程。采样就是利用周期性 采样脉冲序列p ( t ) ，在连续模拟信号中抽取出一连串的离散值，得到采样信号即离散 的时间信号。把采样器看成是一个电子开关，如图1 - 4 所示。每隔t 秒将开关关闭一 次，理想状态开关的闭合时间应为无穷短，对实际采样开关的闭合时间为秒，使输入 信号得以采样，得到离散的输出信号。在单片机控制系统中，离散信号可以看作是一 数字表示采样信号幅值的脉冲序列，如图卜5 所示。 、 9 ) x 膏( f ) 图1 4 采样器原理图1 - 5 连续时间采样信号 2 采样定理 信号作为传递信息的函数，表示信号的具体内容。根据载体的不同，可把信号分 为声音信号、电信号、磁信号、热信号、机械信号等各种信号。对于焊接采样存储系 统有焊接电压、焊接电流等信号。 通过采样器可以把一个连续变化的模拟量变成一系列的离散量。若要保证被采样 的连续信号特征能被一系列离散信号准确地描述，就必须满足采样定理： ( 1 ) 被采样的连续信号所包含的全部谐波频率均在一定的频带之内： 1 ( 2 ) 采样周期t ，其中f o 为信号中所含谐波的最高频率。 z g o 3 选择采样周期 依据采样定理理论，要想把原信号完整可靠的提取出来，则采样频率( 厂= 素) 要 等于或者大于被采样信号所包含的最高频率厶的两倍。 由于信号较复杂，可控性较差，因此采样信号时采样周期时间越小越好，但由于 单片机存储容量和采样速度的限制，采样周期也不能过短。本课题焊接电流电压，基 本上是缓变信号，不需要特别高的采样频率，频率太高，数据量太大，u 盘存储容量 有限，会发生存储困难。从理论上来计算采样周期是比较困难的，一般是根据经验数 据来选择，并通过实际的试验加以调整。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 1 3 研究意义 相对于工控机等系统，采用基于d s p i c 3 0 f 6 0 1 1 a 的单片机焊接电流电压采样存储 系统可以大大减小采样存储系统的体积和成本，它能通过单片机d s p i c 3 0 f 6 0 11 a 进行 数据采样处理，触摸屏控制和显示，u 盘存储，能最大限度的实现系统的小体积，低成 本和便携性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第二章系统设计概述 弟一早承z 兀阪丌僦逊 2 1 系统设计目标 针对焊接电流电压实时采样存储要求的不断提高，设计了基于d s p i c 3 0 f 6 0 1 i a 焊 接电流电压采样存储系统，此系统主要实现以下目标功能： 一、通过m o d b u s 通讯协议实现d s p i c 3 0 f 6 0 1i a 单片机与s a 7 触摸屏之间的u a r t 通信。通过操作s a 7 触摸屏界面可以灵活的设置采样参数，控制采样存储过程。 二、实现d s p i c 3 0 f 6 0 11 a 单片机对焊接电流电压进行a d 采样转换。 三、采用模拟i i c 通讯协议实现p i c 单片机与时钟芯片s d 2 4 0 3 之间通信。s d 2 4 0 3 为采样数据提供精确时间。 四、采用s p i 通讯协议实现p i c 单片机与u s b 控制芯片c h 3 7 6 之间通信，采样数 据通过c h 3 7 6 存储在u 盘中。 2 2 总体方案设计 控制系统总体方案如图2 - 1 所示，系统以d s p i c 3 0 f 6 0 1 1 a 单片机为控制核心，通 过操作触摸屏s a - 7 来控制采样和存储的过程。经过霍尔电流传感器和霍尔电压传感器 转换焊接电流和电压，单片机对霍尔传感器转换后的电流电压进行a d 采样转换。单片 机把电流电压数据和时钟时间处理整合后经u s b 芯片c h 3 7 6 传到u 盘存储。 图2 - 1 控制系统总体方案 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第三章系统硬件设计 3 1 控制系统硬件设计原则 设计的焊接电流电压采样存储系统需要在工厂等电磁环境复杂的场合下正常运行， 对硬件电路抗干扰能力要求高。要求设计的控制系统具有精度高、集成化高、功耗低、 抗干扰能力强等特点。综上所述，本课题在设计采样存储系统的硬件电路过程中应考 虑以下内容： ( 1 ) 考虑到电流电压采样存储系统运行的可靠稳定，尽量选用集成度高，成熟的 电子器件。 ( 2 ) 系统多采用贴片式、集成度高的芯片，设计出来的电路板面积较小，注意电 路板上芯片的散热问题。我们应尽量选发热量小，稳定性好的元器件。 ( 3 ) 为了减小阻抗和便于元器件的焊接，电路板上的铜线应尽量加粗。 ( 4 ) 在选择单片机时，要选择运算能力强、采样精度高和稳定性好的单片机。 ( 5 ) 系统多采用i c 块，在电路板布线时应按照数据手册来安排电子元件，电路 布局应充分考虑稳定性。 本课题的核心是控制系统硬件设计以及实现焊接电流电压采样存储过程中的软件 设计。接下来介绍控制系统硬件部分，包括单片机，触摸屏，u s b 控制芯片，时钟管理 芯片等。 3 2 硬件选型 3 2 1 单片机的选择 单片机又称为单片微型控制计算机，是现代集成电子技术发展的结晶。单片机具 有小体积、高性能、快速度、低价格、稳定可靠、应用广泛等特点饰1 。单片机的选择应 该考虑多种因素，可以考虑单片机传输信息的模式、驱动能力，外设功能，信号中断 机制以及编译软件的性能等因素。在选择采样存储系统的单片机时首先考虑单片机系 统的稳定性和可靠性；其次考虑单片机的功能模块和运算能力：最后考虑单片机编译 软件的简单实用。最终选择了m i c r o c h i p 公司生产的d s p i c 3 0 f 6 0 1 1 a 芯片。芯片如下 图3 - 1 所示 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 r g l s 1 2 a b ，r c l t 3 c 利1 r c 2 8 c k 2 屹奈1 8 j r g 6 s d l 2 ，：n g , r g 7 搴d 0 2 ，c n l o j r g 8 m c l r 萄豇汜n 1i , r g 9 v s b v o d 1 m , 4 5 i c 6 ，c n 7 ，f 旧5 a n 4 i c t c 卜幅平t b 4 a n 3 ，c n 57 r b 3 n 2 鹰s 1 几v d l m c n 4 平t b 2 a n l r e f ，c n 3 吊u 3 - 田 r e f + 尼n 2 ，r b o 蓁萋量篓霎霎蓁霎莹星蓁蓁重蓁蓁萋 茎罩兵茜墨 图3 - 1d s p i c 3 0 f 6 0 1 l a 芯片的引脚排列图 日m u c l ，s o s c o ，r 1c k ，c n 0 ，r c l 4 曰u d l ，s o s c m c ，c n l ，r c l 3 日m uc 2 ，o c l 柏o i c 4 1 h t 可r d ” l c 3 ，i n t 3 ，r d lo i c 2 门h t 到r d 0 i c ，i n t l ，r d 8 v s 曩 o s c 2 ，c ：l k o 腮c 5 o s c l ，c ：l u v d d s c l ，r g 2 s d a 恨g 3 日u c 3 ，s c k l ，小盯d 艉f 6 u ! r x ? s 翻1 ；r f 2 曰u d 3 ，u1 t x 6 d o ，r f ：3 d s p i c 3 0 f 6 0 1 1 a 是1 6 位单片机，具有高性能改进型精简指令集c p u 和丰富外围 模块，同时它还具有较强的d s p 引擎支持，通过使用h a r v a r db u s 、r i s c 结构、流水 线取指模式，具有指令集少、速度快、耗能低、抗干扰性强等特点。具有1 2 位高精度 模数转换器( 2 0 0 k s s ) 、输入捕捉( i c ) 、输出比较( o c ) 、e e p r o m 存储器、1 2 c 和 s p i 模块、c a n 总线和u a r t 端口、f l a s hr o m 的r w 等强大内核控制功能。其主要 性能如下f 争7 】： ( 1 ) 改进的高性能精简指令集c p u ；改进的哈佛结构：灵活的寻址模式；8 4 条 基本指令；4 k b 的e e p r o m ：最多4 8 k b 的指令字；8 k b 的片上数据r a m ；1 6 1 6 位的工作寄存器阵列；可输入0 至4 0 m h z 时钟频率：多达4 1 个中断源，4 个处理器陷 阱，5 个外部中断源，8 个优先级。 ( 2 ) d s p 功能：双数据取操作；位反转寻址和模寻址模式：累加器a 和b 宽达 4 0 位，饱和逻辑1 7 位1 7 位单周期的硬件整数和小数乘法器可供选择：单周期的 d s p 指令；乘法累加( m a c ) 运算【8 】。内置d s p 功能可执行“累加器到累加器” 操作，不需要添加其它数据。单片机乘法和移位指令通过d s p 运算得到结果【9 】。 ( 3 ) 外设功能：输入输出端口具有高灌拉电流：2 5m a 2 5m a ；5 个1 6 位计数器 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 定时器，3 2 位的定时器模块可由两个1 6 位的定时器配对组成；1 6 位比较和脉宽调制 输出功能；1 6 位捕捉输入功能：可支持常见的音频编解码器协议的d c i 数据转换器接 口，包括1 2 s 和a c 9 7 ：具有s p i 通讯接口模块；i i c 通讯模块可支持多主器件和从 模式：具有1 0 位和7 位寻址：两个u a r t 通讯模块，备具先进先出缓冲器和可寻址功 能。 ( 4 ) 模拟功能：1 2 位高精度a d c ，具有：2 0 0k s p s 转换速率，最多1 6 个a d c 输入通道，具有可编程欠压检测和复位产生，具有p l v d 1 0 】。 ( 5 ) 特殊单片机功能：数据e e p r o m 存储器：在工业级温度范围，至少擦写l o 万次，典型擦写1 0 0 万次。增强型f l a s h 程序存储器：在工业级温度范围内，最少擦 写为1 万次，典型擦写为1 0 万次。通过软件，可自行再编程上电延时定时器p w r t 、 上电复位p o r 以及看门狗定时器w d t ，片内带有r c 振荡器。故障保护时钟监控器： 检测时钟故障，可切换至r c 振荡器，在线串行编程i c s p t m ，功耗管理模式有：空闲、 各用和休眠时钟模式【1 1 1 。 ( 6 ) c m o s 技术：高速低功耗f l a s h 技术，工作电压范围宽广( 2 5 v m 5 5 v ) ，在 业级温度范围内功耗低。 ( 7 ) 友好的软件开发平台 m i c r 0 出p 公司不但为研发人员提供了型号众多，功能强大的单片机芯片，还为其 开发了性能优秀的集成开发环境m p l a b i d e 。m p l a b i d e 为一站式开发工具支持汇 编语言和c 语言编写，支持软件程序指令模拟调试，支持硬件在线仿真和调试，用户 使用m p l a b i d e 软件开发平台可以缩短产品开发时间，提高软件编写效率，降低开 发成本( 1 2 】。 本课题d s p i c 3 0 f 6 0 11 a 单片机选用的晶振频率为2 4 m h z ，经计算得到单片机机器 周期为0 0 4 1 6 7 u s ，四个机器周期时间等于一个指令周期时间，由此得到一个指令周期 为0 1 6 7 u s ，即在单片机中执行一条指令用时为o 1 6 7u s 。 3 2 2 霍尔电流电压传感器的选择 霍尔电流传感器和霍尔电压传感器可通过非接触的方式检测电流电压，具有体积 小、精度高、成本低、响应速度快、线性度好等特点。在选择霍尔电流电压传感器时 要注意以下原则： 1 满足一般焊接电流电压的测量范围，具有线性度好，精度高等特点。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 2 霍尔电流电压传感器输出端直接进入d s p i c 3 0 f 6 0 1 1 a 单片机，因此电流范围必 须小于此款单片机的额定电流2 5 m a ，电压应小于单片机额定电压5 v 。 综合考虑选择北京森社电子生产的霍尔电流传感器c h y - 5 0 0 a g a o ，霍尔电压传感 器c h y 一4 0 0 v s a o 。 c h y 一5 0 0 a g a o 额定电流5 0 0 a ，测量范围o - 一6 0 0 a ，输出额定值o - 2 0 m a ( d c ) ，对应 原边被测额定电流o 一- i n ，外接2 5 0 欧电阻，输出o 5 v 电压到单片机。原边电流和霍尔 电压的换算，假定原边最大输入电流5 0 0 a ，则对应于霍尔电压5 v ，现在原边输入i o o a 电 流，则霍尔电压= 5 v 5 0 0 a x l 0 0 a = 1 v 。 c h y 一4 0 0 v s a 0 额定电压4 0 0 v ，测量范围0 一- 4 8 0 v ，输出额定值o - - 2 0 m a ( d c ) ，对 应原边被测额定电压o i n ，外接2 5 0 欧电阻，输出o - 、一5 v 电压到单片机。原边电压和 霍尔电压的换算，假定原边最大输入电流4 0 0 v ，则对应于霍尔电压5 v ，在原边输入l o o v 电压，则霍尔电压= 5 v 4 0 0 a x l o o a = 1 2 v 。图3 - 2 为霍尔电流电压传感器与单片机电气 连接图。 图3 2 霍尔电流电压传感器与单片机电气连接图 3 2 3 触摸屏s a 一7 1 触摸屏s a - 7 概述 本课题选用深圳市显控自动化技术有限公司s a m k o o ns a 系列的s a 一7 型触摸屏， s a - 7 在此作为控制焊接电流电压采样存储的人机操作界面。s a 一7 型触摸屏作为一款性 能优良的人机界面产品，具有高亮度、高分辨率，高清晰、通讯快速、触摸反应灵敏、 软件运行稳定等特点。s a - 7 型内部集成了c p u 单元、内存、显示屏以及输入输出单元 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 等模块。s a 一7 型触摸屏是开放性的人机界面产品，提供了标准的串行接口与其它设备 相连。支持的通讯方式是串行通讯，课题中使用单片机u a r t 硬件执行m o d b u s 协议。 s a 一7 型触摸屏采用2 4 v 直流电作为供电电源。通过使用隔离电源输入技术，能有 效屏蔽电源产生的干扰，大大增强触摸屏的抗干扰能力。 根据课题所要执行的动作来设计触摸屏的操作界面，使用与s a m k o o ns a 系列触摸 屏匹配的s a m d r a w 组态软件来设计触摸屏的操作界面。s a m d r a w 组态软件的操作界面设 计功能完备，包含了基本形状绘图、系统图库、位图状态变化、文本绘制等功能n 羽。 设计者根据控制系统的功能和要求，制定合理的组态和设计方案，可以达到理想的效 果。 2 基于r s - 2 3 2 的触摸屏与单片机的通讯接口电路 由于d s p i c 3 0 f 6 0 1 i a 单片机输出输入的电平是t t l 电平。触摸屏s a 一7 是r s - 2 3 2 电平，要实现单片机与触摸屏s a - 7 的正常通讯，单片机需要扩展一片m a x 2 3 2 ，实现 d s p i c 3 0 f 6 0 1i a 单片机的t t l 电平和触摸屏s a - 7 的r s - 2 3 2 电平的相互转换。 2 1 r s - 2 3 2 标准 r s - 2 3 2 是由e i a 在1 9 6 2 年制定的二进制数据交换接口，这种串行接口广泛应用于 通信工业和p c 机中。r s - 2 3 2 单端标准是为了有效增加信息在低速率串行通信中的通信 距离。r s - 2 3 2 的传输方式为非平衡传输，接收端和发送端的数据信号相对于信号地， 如本课题中s a - 7 触摸屏作为发送端使用d b - 9 连接器发出数据时是引脚3 ( 发送数据) 与引脚7 ( 信号地) 的电平相对羽。 r s - 2 3 2 信号的典型形式是在正电平和负电平之间摆动，在数据发送时，发送端输 出正电平的范围为+ s v + l s v ，负电平的范围为- s v - - 一- l s v 。当没有数据在线上传输时， 线上为t t l 电平，传送数据开始到结束，线上电平先从t t l 电平转换为r s - 2 3 2 电平， 然后再从r s - 2 3 2 电平回到t t l 电平n 钔。接收器在一3 v 一1 2 v 与+ 3 v + 1 2 v 电平范围内 工作，其最大传输距离为1 5 m ，最高传输速率为2 0 k b i t s n 钔。+ 3v + 1 5v 范围内的任 和电平为逻辑“o 电平，在一3v 一1 5v 范围内的电平为逻辑“l 电平。 根据r s - 2 3 2 信号传输的不同方式，可以采用以下三种通讯方式完成r s - 2 3 2 信号 传输： 第一种是单工方式，用一根数据线单向传输数据：第二种是半双工方式，一根数 据线，合理转换时序可对数据进行双向传输；第三种全双工方式，具有两根数据线， 根据数据和时钟格式，同时接收和发送数据。木课题选用伞双t 通信方式传输r s - 2 3 2 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 信号。全双工的通讯方式可以做到收发数据同步，传输数据速度较高。 d b 2 5 、d b l 5 、d b 9 是与r s 一2 3 2 接口标准相匹配的连接器，目前常用的端口引线 接e l 方式有两种，如图3 3 是9 ( d b 9 ) 针的接口：图3 - 4 是2 5 ( d b 2 5 ) 针的接口。 p i nn o 1d c d 2r x d 3t x d 4d t r 5g n d 6d s r 7r t s 8c t s 9r l 8d c d 3r x d 2t x o 2 0d t r 7g n d 6d s r 4r t s 5cts 2 2 r i d e s i g n a t i o nd e s c r i p t i o n i n p u t o u 肇u t j 、二= 一一 d a t ac a 州e rd e t e c t l n p u t r e c e i v ed a t a in p u t t r a n s m i td a t ao u t p u t d a t at e r m i n a lr e a d yo u t p u t g r o u n d d a t as e tr e a d y i n p u t r e q u e s tt os e n d0 u t p u t c l e a rt os e n d i n p u t i n c o m i n gc a l li n p u t 图3 - 3r s - 2 3 2 端口引脚d b 9 i i ：h m i g n a t i o nd e s c r i p t i o n d 日t ac s r r l 。o fd o t o c t r e c e l v ed a t a tr a n s n i td a t a d a t at e r m l n a lr a d y g r o u n d d a t as e tr o a d y r e a u e s tt os e n d c l e a rt ob e n d i n c o m i n gc a l l h p u t ，o u t p u t 。 i n p u t i n d u t o u t p u t o u t p u t 图3 4r s 一2 3 2 端口引脚d b 2 5 本课题选用9 ( d b 9 ) 针接口方式。采用全双工通讯方式，连接端口线时需连接接 收数据线r x d 、发送数据线t x d 和地线g n d 三根线。 2 2m a x 2 3 2 芯片 m a x 2 3 2 芯片是t i 公司根据电脑的r s 一2 3 2 标准串口设计的电平转换芯片，该 器件包含一个电压发生器电路、2 个驱动器和2 个接收器。m a x 2 3 2 具有以下特点： 4 个容量为1 o u f 充电泵电容，单5 v 电源供电；低工作电流；2 0 0 0 v 的e s d 保护； 有商业级以及工业级的型号选择。m a x 2 3 2 的电路原理图如图3 - 5 所示，从图中可已 经看出，引脚1 0 和引脚1 1 是两路t t l c m o s 输入端，通过内部的电平转换电路可把引 脚1 0 和引脚l1 输入的t t l c m o s 电平转换为标准的r s 一2 3 2 信号，引脚7 和引脚1 4 输mr s 一2 3 2 标准电平信号。引脚8 和引脚13 是两路r s 一2 3 2 信号输入端，接收来 t m 叭m m p 川p p m o 价h 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 自r s - 2 3 2 信号传输线的信号电平，通过内部的电平转换电路可把输入的r s - 2 3 2 电平信号转换为t t l c m o s 电平信号，引脚9 和引脚1 2 输出t t l c h o s 电平信号 给计算机或者单片机。 岱祟 。，。卅l l 1 。5 y _ c 1 0 v “一 匿 ：v 孔t 蚯c ：u 3 l e r 上 匪 ：2 + + 1 “t ：o v v 6 3 ：2 、r ：l t g r 王el n v 萨t 日鼍 - - 1 5 、玉 d 岫乏 l 1 1m 亍r 、一 ”o l t1 一 + 5 v 旷 一 一1 0产辜卜协。 7 - 一l 一，一 一- ，j 2r j o m 一1 一 r 1 慨1 3j 一 n 砉如 一 一9r 2 们 一1 亨眨 b n 圭蛐 g n c7 图3 5m a x 2 3 2 电路原理图 图3 - 6m a x 2 3 2 与单片机和触摸屏的连接图，触摸屏通过d b 9 与单片机相连接。本 课题硬件电路中t 1 i n ( 引脚1 1 ) 接单片机的引脚u 1 t x ；选择r i o u t ( 引脚1 2 ) 接单 片机的引脚u 1 r x 。选择t i o u t ( 引脚1 4 ) 与d b 9 的引脚3 相连接，选择r 1 i n ( 引脚 1 3 ) 与d b 9 的引脚2 相连接。m a x 2 3 2 与单片机和触摸屏的连接图如下图3 - 6 d s p i c 3 0 f 6 0 1l a 7 ：1 1 ：1 2 1 0 8 9 c lc 2 帅 o n d i 丛丝兰兰 v-v+ c l + c l - c 2 + t 2 0 u t c 2 n 玳黜烈 r l o u t t 2 i nt 1 0 u t 1 e i i n e v c c r 2 0 t r r 5 1 3r 1 m d b 9 r s 2 3 2 信号 ! 璺卫q 亚 摹：c 图3 - 6m a x 2 3 2 与单片机和触摸屏的连接图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 3 2 4u 盘和s d 卡文件管理控制芯片c h 3 7 6 1 c h 3 7 6 概述 c h 3 7 6 是由南京沁恒生产的文件管理芯片，是单片机系统读写s d 卡或者u 盘 中文件的理想芯片。c h 3 7 6 芯片支持u s b 主机和设备两种控制方式，c h 3 7 6 内置了丰 富的固件：s d 卡通讯接口固件，u s b 通讯协议的基本固件，f a t l 2 和f a t l 6 以及 f a t 3 2f a t 文件系统管理固件【1 6 1 。支持常用的u s b 存储设备( 包括u s b 读卡器u 盘) 和s d 卡、h c s d 卡、t f 卡和m m c 卡。c h 3 7 6 芯片支持s p i 接口、8 位并口和异 步串口通讯，单片机等控制器件可以采用上述三种中任意一种通讯方式控制c h 3 7 6 芯 片，与计算机通讯或者存取s d 卡或者u 盘中的文件。图3 7 为c h 3 7 6 芯片的应用框 图。 本地端 控制器 晕片机 d s p o u p u 等 厣磊司 矗usb耐-i)vc e 卜叫 i 竖竺! ! l 网 i s p ih o s ti i j 二一i 脯总杖一 二一璺p i 接口一一 计祝或 u s 8 设备 例如： 嘲闪存盘 u 盘凄卡薯 u s 8 打e 口机 u s b 键盘 惦8 鼠标 s t ) 卡以及 协议蒹窖卡 倒如： 岫屺卡 - i n l - s i ) 卡 t f 卡 图3 7c h 3 7 6 芯片应用框图 2 特点 ( 1 ) c h 3 7 6 芯片兼容u s b2 0 ，支持1 2 m b p s 全速和1 5 m b p s 低速的u s b 通讯， 外围元器件只需要1 2 m h z 的晶体和一些电容。 ( 2 ) c h 3 7 6 芯片支持u s b 从机设备接口以及u s b 主机接口，能以动态方式切换 设备和主机。 ( 3 ) 支持u s b 器件的批量、中断和控制传输方式。自动检测功能，检测u s b 设