焊点检测控制及分析系统开发报告

焊点检测控制及分析系统开发报告(项目名称)2015年07月21日目录零件级设计硬件平台搭建分析软件设计软件调试系统级设计硬件平台搭建分析软件设计软件调试零件级设计——硬件平台搭建一、硬件设计需求分析

白车身焊点检测项目的硬件部分设计旨在开发一套能够运用于五菱车型焊点在线超声检测的超声检测设备，设备设计的要求主要有：高频，高采样率，高传输率，高超声检测分辨率以及便携的USB总线与上位机连接。焊点检测设备主要包括超声发射接收装置和超声数据采集传输装置，以及上位机。

上位机直接采用笔记本电脑，仅涉及上位机软件的设计，硬件部分主要进行超声发射接收卡和数据采集传输卡的设计与选型，以及下位机软件的设计。零件级设计——硬件平台搭建二、硬件总体设计说明

硬件系统采用模块化设计方案，主要包括超声发射接收装置和超声数据采集传输装置两部分。超声发射接收卡则包括高压DC-DC电路，探头激励电路（信号发射电路），信号调理电路，主控芯片FPGA最小系统。零件级设计——硬件平台搭建二、硬件总体设计说明1）超声波探头3）高频数字采集卡2）超声波发射接收板4）上位机零件级设计——硬件平台搭建三、超声发射接收板设计1）FPGA最小系统电路3）探头激励电路4）回波信号调理电路2）DC-DC高压电路零件级设计——硬件平台搭建三、超声发射接收板设计1）FPGA最小系统电路3）探头激励电路4）回波信号调理电路2）DC-DC高压电路1）电源电路1）DC-DC高压模块1）触发脉冲产生电路1）限幅保护电路2）时钟电路3）复位电路2）高压电源控制电路2）信号隔离电路3）高压脉冲产生电路2）前置放大电路3）程控放大电路4）配置电路4）带通滤波电路5）下载电路零件级设计——硬件平台搭建四、采集卡选型

传统的数字化超声检测设备的A/D采样频率较低(通常只有10MHz左右),多采用检波电路把射频信号变换为视频信号后再进行数据采集。检波虽然能降低超声检测系统对模数转换频率的要求，但它会把超声缺陷回波的细节部分滤除，不完整的回波信号会给缺陷的识别和进一步分析计算带来很大困难，难以提高仪器性能。因此，利用高性能的A/D芯片直接采集原始的射频信号对于在计算机中进一步分析信号，可以更轻易地提取缺陷特征信息。零件级设计——硬件平台搭建四、采集卡选型最大采样率100Msps单台通道数并行4CH采集ADC分辨率14Bits，系统精度:≤±0.3%存储容量每通道最大1Msa/CH量程±1V、±10V（共分2挡）输入方式BNC单端双极性电压输入输入阻抗1MΩ；输入电容≤25pF输入信号带宽0Hz～18MHz通道间相位差≤0.05°(正弦波1KHz)带内波动≤±0.1dB(0Hz～300KHz)时基范围100M耦合方式DC触发模式正常、自动、单次触发边沿上升、下降触发模式正常、自动、单次触发通道CHA、CHB、CHC、CHD、EXT通道间隔离度≥80dB尺寸142mm×112mm重量0.2Kg功耗5V*800mA典型值

根据信息论中Nyquist采样定理，采样频率大于等于信号最高频谱成分的两倍即可保存信号所包涵的信息。但由于噪声等干扰，实际应用中通常采用的采样频率为信号最高频率的五倍到十倍。GE公司的焊点检测用超声探头为20MHz，意味着A/D采样频率需大于100MHz。

基于项目整体设计要求与设备的便携性考虑，选用USB总线。项目上位机的开发采用的工具是Labview，因而数据采集卡需支持Labview二次开发。基于以上要求，选用的数据采集卡USB4814主要性能指标如左侧表格所示。零件级设计——分析软件设计1.需求分析数据采集：通讯、反馈、传输速率数据处理：去噪、数据量、特征提取数据评价：算法实现、评价标准建立用户界面：面向使用者、简洁、方便零件级设计——分析软件设计2.功能定义上位机软件功能模块定义表功能模块子模块是否有下级模块输入输出含义类型初始值maxmin单位控件含义类型初始值maxmin单位控件初始化软件初始化否主界面所有控件初始化（复位显示）

主界面所有控件初始化（复位显示）

硬件检测标志否

工作模式标志，1为有硬件；0为无硬件，离线检测布尔010

布尔参数设置通道使能否通道使能标志HEX0x00000x11110x0000无

各通道使能标志4个布尔010无布尔通道板材参数否上层板厚度数值1.43.0>0mm数值输入控件上层板厚度数值1.43.0>0mm数值显示控件中间板厚度数值1.43.0>0mm数值输入控件中间板厚度数值1.43.0>0mm数值显示控件下层板厚度数值0.03.00.0mm数值输入控件下层板厚度数值0.03.00.0mm数值显示控件采集卡参数否采样量程数值

mv

采样频率数值

MHz

采样长度数值

ns

触发模式数值

触发源数值

数据采集控制命令否开始布尔010

布尔1：开始布尔010

布尔暂停/运行布尔010

布尔1：运行，0：暂停布尔010

布尔停止布尔010

布尔1：停止布尔010

布尔回放布尔010

布尔1：回放布尔010

布尔数据处理通道标志否1为使能，0为禁止4个布尔0x00000x11110x0000无布尔

通道板材参数否上层板厚度数值1.43.0>0mm数值输入控件

中间板厚度数值1.43.0>0mm数值输入控件

下层板厚度数值0.03.00.0mm数值输入控件

阀值计算否原始数据二维数组X0

检测有效标志，1为有效，0为无效布尔010

布尔阀值1数值0.0

mv

阀值2数值0.0

mv

曲线绘制否原始数据二维数组X0

曲线绘制

图形显示特征值提取否原始数据二维数组X0

底面回波个数N1数值0

1个数值显示阀值1数值0.0

mv

中间回波个数N2数值0

0个数值显示阀值2数值0.0

mv

底面回波间距S数值0.0

>1mm数值显示

焊点厚度数值

mm数值显示评价通道标志否低位到高位依次表示通道使能标志，1为使能，0为禁止4个布尔0x00000x11110x0000无布尔

通道板材参数上层板厚度上层板厚度数值1.43.0>0mm数值输入控件

中间板厚度中间板厚度数值1.43.0>0mm数值输入控件

下层板厚度下层板厚度数值0.03.00.0mm数值输入控件

评价计算否底面回波个数N1数值0

1个数值输入1个合格，7个缺陷（脱焊，虚焊，过烧，压痕过深，压痕过浅，薄焊核，小焊核）8个布尔010无8个布尔中间回波个数N1数值0

0个数值输入底面回波间距S数值0

>0mm数值输入数据存储数据与波形存储

存储路径选择

评价结果字符串

文本文件文件I/O

特征值3个数值

图形文件文件I/O

波形图图形

所有参数

数据回放数据回放

存储路径选择文件I/O

字符串路径输入时间，参数

存储文件及图形文件I/O

数据处理评价结果

零件级设计——分析软件设计3.主程序设计主程序底层采用While循环嵌套事件结构；在线/离线检测在线检测模块主要是采用While循环结构嵌套平铺式顺序结构。在线检测模式？在线检测模式离线检测模式初始化子程序弹出初始化成功对话框初始化成功？参数设置子程序设置成功？弹出设置成功对话框弹出重新设置对话框布尔选择按钮数据采集子程序开始采集？初始化？参数设置？YYNYYNYYYNY流程图中，加粗字体表示布尔类控件数据预处理子程序输出焊点波形//峰值信息波形有效标志值β计算子程序β>0.8?特征值提取子程序特征值显示数据评价子程序输出焊点质量类型停止检测？调用停止子程序退出程序YNYYN循环采集暂停/继续？调用停止子程序Y保存？输出波形图片、特征值、数据源文件数据保存子程序YN采集状态=T?Y串口停止子程序串口启动子程序Y文件读取子程序数据预处理子程序特征提取子程序数据评价子程序开始？停止检测？退出特征值显示输出焊点质量类型输出焊点波形峰值信息YNY采集卡状态置F开始采集N串口分析子程序延时510ms弹出初始化失败对话框登录界面主界面实时检测离线检测退出实时检测界面离线检测界面退出主界面YYY零件级设计——分析软件设计4.子模块设计初始化子模块1）数据采集卡初始化：采集卡编号13282）软件初始化：字符串控件置空、数值类置0、图片清空、布尔类置F主程序调用初始化函数初始化？控件初始化采集卡初始化返回硬件编号SN弹出初始化成功对话框布尔控件赋值F；数值控件赋值0；字符串控件赋值“空字符”图形控件属性节点赋值“重新初始化为默认值”返回NY零件级设计——分析软件设计4.子模块设计参数设置子模块1）参数设置：采样率、触发模式、量程等2）用户参数设置：通道状态、探头、板材参数等主程序采集卡参数设置调用USB4814_VBSetHardWare函数通道量程采样率100M触发边沿（上升沿）触发模式-自动触发电平±0.01%采样长度通道参数设置CH0CH1CH2CH3弹出未选择通道参数对话框4个布尔量或运算==1？弹出选择相应的通道参数对话框修改通道参数？未选择的通道对应的参数控件禁用已选择的通道对应的参数控件可调设置已选择通道的参数延时15s参数设置成功？返回参数设置？YNYYYY板材厚度探头直径探头频率零件级设计——分析软件设计4.子模块设计数据采集子模块：采集卡启动模块调用数据采集卡启动库函数，启动采集卡，并置采集状态为T，为数据采集做准备。主程序开始采集调用USB4814_Acq函数即启动函数采集状态==T采集状态==T?调用采集函数USB4814_PackDataStatus==1?？输出原始数据YYYN返回N

N零件级设计——分析软件设计4.子模块设计数据处理子模块：对信号进行平移、滤波及峰值查找等处理。1）平移：软件消除信号漂移2）滤波：过滤掉高斯白噪声及材料结构引起的噪声信号3）峰值提取：多尺度小波变换，以上表面回波的15%，20%作为阀值主程序查找原始数据最大值小波滤波底面回波阀值计算（max*0.15）中间回波阀值计算（max*0.1）小波类型小波层次过阀值的峰值波峰个数波峰位置波峰幅值波峰查找波峰阈值标记峰值的信号图形化原始数据输入波峰/波谷零件级设计——分析软件设计4.子模块设计特征提取子模块：在初步确定的峰值数组中剔除掉不适合的点，确定准确的底面及中间面回波坐标主程序波峰个数N波峰位置(X0/X1/X2/X3/X4/X5….)波峰幅值(Y0/Y1/Y2/Y3/Y4/Y5…..)输入量S1>0.8？S1=（X1-X0）*5980*1E-5*0.5α=（Y1-Y2）/[(x2-x1)*5980*1E-5*0.5]N1=N-1N2=0底面回波间距SS1>0.4？S=(X2-X0)*5980*1E-5*0.5N2=(N-1)/2--向下取整N1=N-N2α=(Y1-Y3)/[(X3-X1)*5980*1E-5*0.5]N2=(N-2)/2---向下取整N1=N-N2α=(Y3-Y5)/[(X5-X3)*5980*1E-5*0.5]S2>0.8?α=（Y2-Y3）/[(x3-x2)*5980*1E-5*0.5]N1=N-2N2=0S=S2S=（X3-X0）*5980*1E-5*0.5S2=(X2-X0)*5980*1E-5*0.5S=S1中间回波个数N2底面回波个数N1衰减率αYNNYNY返回输出量零件级设计——分析软件设计4.子模块设计数据评价子模块：据焊点质量评价标准进行数据评价。主程序底面回波间隔S中间回波个数N2底面回波个数N1衰减率α输入量S>5.4?压痕过浅S<2.8?压痕过深过烧N2==0?YN1<=2?Y合格S>1.8&S<2.2?α>3&α<=30?YYNYN输出量零件级设计——分析软件设计4.子模块设计数据保存子模块：保存的内容主要包含暂停采集信号状态下的实时信号及信号转化后的一维原始数组，及该通道名称，通道参数如板材参数、探头参数等，检测输出后的特征值等。并通过提取当前时间作为每通道需要的内容文件夹的名称。主程序保存？通道参数原始数据波形图特征值评价结果基路径.txt文件图片文件返回YN零件级设计——分析软件设计4.子模块设计采集停止子模块：采用条件结构，以退出程序状态作为判断条件，T时，停止采集卡，并退出在线检测模块，并返回主界面，F时，不执行任何操作。主程序调用USB4814_Idlec函数采集状态置F停止采集？返回YN零件级设计——分析软件设计4.子模块设计串口启动子模块：采集开始时，设置串口参数，包含串口名称、波特率、数据比特、奇偶位、读前延时事件等；随后清空缓冲区域，写入机器人命令字符串，延时500ms后读取缓冲区；关闭串口。主程序开始采集？串口写入字符串“1”配置串口时间延时500ms串口读取关闭串口返回YN零件级设计——分析软件设计4.子模块设计串口分析子模块：读取串口字符主程序串口分析子程序弹出其他状况对话框读取区字符串==1？N读取区字符串==0？读取区字符串==2？NN弹出通讯异常对话框弹出机器人异常对话框弹出机器人正常对话框YYY返回零件级设计——分析软件设计4.子模块设计串口停止子模块：停止采集时，串口停止。主程序停止采集？串口写入字符串“0配置串口时间延时500ms串口读取关闭串口返回YN零件级设计——分析软件设计5.界面设计在线检测特征显示离线检测主界面调试前调试后零件级设计——软件调试1.离线调试问题：特征提取子程序，利用While循环计算后续峰值分析的循环次数，程序进入死循环。解决：将While循环更替为for循环，以超声波一次来回的时间长度对采样点进行分段，分段数作为for循环的循环次数。原始信号回波信号零件级设计——软件调试2.在线调试问题1：采集信号动态变化，难以捕捉稳定的回波信号解决：以经过限幅的发射电路激励信号作为采集卡的触发信号（信号触发模式设为正常触发，触发电平设置为1V),确保有效信号进入采样范围,保证回波信号在X轴的相对稳定，后经截取采集中间部分的回波信号。前面板程序更改零件级设计——软件调试2.在线调试问题2：分析处理峰值信息时，处理后的数组出现无预期的0，造成后续处理的偏差原因分析：事件结构假分支状态中，假分支为默认值时，输出0解决方案：增加循环搜索一维数组元素0环节，即利用移位寄存器，对数组循环删除元素0。曲线拟合方法局部处理方法零件级设计——软件调试2.在线调试问题3：在某些数据情况下，曲线拟合剔除不合格峰值点的方法易失效原因分析：峰值点必须大于等于3，过烧缺陷可能存在2个峰值解决方案：以采样点为变量，局部处理峰值信息。离线调试效果在线调试效果零件级设计——软件调试3.调试效果离线调试效果在线调试效果系统级设计——硬件平台搭建一、系统级硬件平台设计数据采集卡数字I/O卡超声波发射板工业控制计算机控制操作柜检测机器人（含超声探头）系统级设计——硬件平台搭建二、超声发射板设计

针对用于汽车焊点检测的高频超声波探头设计超声发射接收板卡，使之能够有效激励高达20MHz的超声波探头，并对超声回波信号进行限幅、放大、滤波等处理，满足超声数据采集传输卡的输入信号要求，数据采集卡将超声回波信号数字化后传输至上位机进行信号处理。系统级设计——硬件平台搭建二、超声发射板设计复位电路时钟电路配置电路电源电路下载电路最小系统电路设计：系统级设计——硬件平台搭建二、超声发射板设计其他外围电路设计：DC-DC高压电源控制电路高压脉冲产生电路带通滤波电路程控放大电路系统级设计——硬件平台搭建三、工控机匹配设计选型相比较普通PC机，工控机可以在差距很大的温度和湿度条件下操作，具有防尘结构和磁盘保护装置，并且有极佳防震和防电击的外壳。

供电装置受到避免外在噪声和电压、频率波动的保护。早期的工控机就是一个质量更好的PC。但是随着时间的推移，工控机架构有了本质上的变化，根据用户使用环境的变化，演变成了现在流行的底板加插卡的架构。

由于取消母板架构，而把核心的CPU处理单元做在一张插卡上，其它的扩展界面则做在底板上，底板是由一些连接器和无源器件组成的。这种结构使得系统更新和修复简单而且停机时间最少。这种架构主要的优点有：

最短的维护时间和极佳的插槽扩展性，以及优秀的散热特性。系统级设计——硬件平台搭建四、采集卡选型设计

根据信息论中Nyquist采样定理，采样频率大于等于信号最高频谱成分的两倍即可保存信号所包涵的信息。但由于噪声等干扰，实际应用中通常采用的采样频率为信号最高频率的五倍到十倍。GE公司的焊点检测用超声探头为20MHz，意味着A/D采样频率需大于100MHz。为满足超声波检测信号采集要求，选用采集频率高达150M的PCI8552型号采集卡。为满足系统级装备制作，采集卡选用PCI总线，可以集成到工控机机箱内部。PCI8552卡是一种基于总线的PCI采集卡，可直接插在IBM-PC/AT或与之兼容的计算机内的任一PCI插槽中，其系统采样频率最高达150MHz，转换精度达到12位（bit），并支持软件VC/LabVIEW二次开发，接口为SMB接口。PCI8552型数据采集卡系统级设计——硬件平台搭建五、机器人控制设计项目采用日本安川公司生产的NX100系列机器人，机器人共有24组通用申输入/输出接口，由于日系机器人I/O多为NPN方式，即输入为ON时意味将其输入端接地形成回路；输出为ON时意味将外接装置接地形成回路。该逻辑与通常数字逻辑相反，为避免在控制部分硬件与软件程序作过多修改，采用添加继电器的方式实现机器人信号转换，完成机器人与控制I/O卡连接。NX100机器人通用I/O口系统级设计——硬件平台搭建五、机器人控制设计

PCI2307是通用光电隔离型开关量输入和继电器输出板。具有16路开关量隔离输入和16路继电器输出，主要用于实验室和工业自动化领域，其隔离电压可达3750V；输入电压范围在5~24V之间，可以满足控制板普通I/O信号和机器人I/O信号传输与格力；接口类型为62针D型头。PCI2307型I/O板卡62芯D型头管脚定义系统级设计——分析软件设计1.需求分析数据采集：更换采集卡，单通道数据采集（在线、手动两种采集模式）机器人通讯：I/O卡通讯数据处理：去噪、数据量、特征提取数据评价：评价标准算法实现，包括实验标准与仿真标准数据保存：原始数据、检测数据、波形图片、焊点质量报表数据分析：单个数据、单个报表、多个报表用户界面：面向使用者、简洁、方便机器人在线检测信号采集卡手动检测2.主程序设计主程序底层采用While循环嵌套事件结构；数据采集/离线数据分析模块采用While循环结构嵌套顺序结构、事件结构。YYYNYNYYY数据回放模式选项卡控件退出检测=T？退出程序开始数据采集模式开始采集=T？数据采集子程序初始化子程序数据预处理子程序数据采集触发条件满足？采集卡、IO卡初始化子程序波形有效？停止采集=T？焊点质量评价子程序特征提取子程序1.采集卡初始化OK2.触发状态OK3.DI2ON导入文件=T？离线数据读取子程序序退出回放=T？DO3ON，机器人回到第二原点退出程序若是从运行中的“数据采集”模式进入“数据回放”模式，则退出主程序同时DO3ON，机器人回到第二原点IO卡读取输出子程序上表面回波峰值大于预设阀值采集卡、IO卡停止调用子程序N可响应事件:参数设置保存当前生成报告Online特征退出检测可响应事件:offline特征退出回放事件结构循环DO1ON，机器人开始运动YNNNNNYY参数设置值改变？参数设置子程序信号冻结：达到检测位置后信号稳定，DI2OFF开始Y保存当前值改变？数据保存子程序Y生成报告值改变？报表生成子程序YOnline特征值改变？Online特征显示子程序Yoffline特征显示子程序弹出EXCEL报告退出检测值改变？退出回放值改变？退出程序YNNoffline特征值改变？事件结构循环系统级设计——分析软件设计3.子模块设计初始化子模块1）数据采集卡初始化：采集卡PCI85222）软件初始化：字符串控件置空、数值类置0、图片清空、布尔类置F主程序初始化布尔控件赋值F；数值控件赋值0；字符串控件赋值“空字符”图形控件属性节点赋值“重新初始化为默认值”返回系统级设计——分析软件设计系统级设计——分析软件设计3.子模块设计参数设置子模块1）制造信息设置：车型、材料信息、焊接工艺参数等2）检测参数设置：焊点板材、探头参数等主程序弹出参数设置子程序前面板制造信息输入焊点板层确定？关闭参数设置面板返回主程序参数设置布尔控件值变化检测参数输入两层板三层板中层板厚零件名称供应商车型零件号材料电极端直径电极压力焊接电流焊接时间下层板厚探头频率上层板厚焊点ID探头直径检测员循环检测系统级设计——分析软件设计3.子模块设计机器人通讯（I/O卡）模块：机器人检测模式下，通过I/O卡与机器人通讯，实现机器人的运动控制。主程序开始采集==T?调用I/O卡并初始化I/O卡与机器人通讯YY返回主程序N手动检测机器人检测？N释放I/O卡停止采集=T？YN退出检测=Tor退出分析=T?Y退出释放I/O卡系统级设计——分析软件设计3.子模块设计数据采集子模块：点击“开始采集”，初始化采集卡，调用数据采集卡启动库函数启动采集卡，置触发状态为T，为数据采集做准备。主程序初始化采集卡，启动采集卡，触发状态==T触发状态==T?调用采集函数，读取数据输出原始数据YY返回NN开始采集？系统级设计——分析软件设计3.子模块设计数据处理与特征值提取子模块：沿用零件级中的方法，对信号进行平移、滤波、峰值查找，最后提取特征值。主程序查找原始数据最大值小波滤波底面回波阀值计算中间回波阀值计算小波类型小波层次过阀值的峰值波峰个数波峰位置波峰幅值波峰查找波峰阈值标记峰值的信号图形化有效原始数据输入波峰/波谷特征值提取子程序底面回波间距S中间回波个数N2底面回波个数N1衰减率α返回系统级设计——分析软件设计3.子模块设计质量评价子模块：包括五种厚度的焊点质量实验评价标注及焊点厚度t作为变量的仿真评价标准。特征值实验评价标准仿真评价标准主程序焊点质量类型返回系统级设计——分析软件设计3.子模块设计特征显示子模块：包括在线特征值显示与离线特征值子模块。主程序返回Online特征显示子程序焊点特征值检测参数Online特征=