摘 要： 以USB型單片機(jī)C8051F320為采集系統(tǒng)硬件控制核心，構(gòu)筑兼容USB2.0總線協(xié)議的焊接參數(shù)實(shí)時高速采集虛擬檢測分析系統(tǒng)，為焊接生產(chǎn)、試驗(yàn)提供一套評價焊接工藝、預(yù)測焊接質(zhì)量的高效虛擬檢測分析系統(tǒng)，并可與數(shù)字化焊機(jī)結(jié)合實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)字化。
關(guān)鍵詞： USB； 單片機(jī)； PC機(jī)； 電弧焊； LabView
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弧焊過程是一種受多種參數(shù)制約，而且又受許多隨機(jī)干擾因素影響的復(fù)雜的工藝過程。要實(shí)現(xiàn)弧焊過程所有質(zhì)量的實(shí)時傳感與控制是很復(fù)雜的問題。至今，人們也還無法對焊接過程在線實(shí)時地直接檢測和控制直接焊接質(zhì)量，而只是利用焊接人員的感官或現(xiàn)有的傳感技術(shù)，對一些與直接焊接質(zhì)量有關(guān)的間接焊接質(zhì)量，在焊接過程中進(jìn)行在線和實(shí)時地檢測和控制。這種間接焊接質(zhì)量雖然不能直接說明焊接接頭的使用性能，但它們卻在一定程度上決定著某些直接焊接質(zhì)量或者與直接焊接質(zhì)量存在著定量關(guān)系[1]。由電弧理論和對飛濺問題的研究分析可知，CO2短路過渡焊接過程的電弧電壓和焊接電流信號中蘊(yùn)藏了豐富的電弧信息，飛濺的產(chǎn)生和其他與焊接質(zhì)量有關(guān)的信息就蘊(yùn)藏在電弧電壓和焊接電流的波動中。建立基于計(jì)算機(jī)的在線檢測及分析系統(tǒng)后，通過實(shí)時采集焊接過程的電流、電壓信號并經(jīng)過一定的信號處理和相關(guān)的分析，可以客觀地監(jiān)控焊接過程的狀態(tài)和行為，及時地檢測出焊接過程中的干擾或誤差信號，實(shí)現(xiàn)對焊接質(zhì)量的檢測和評估，并為全面評價焊接過程工藝，分析缺陷產(chǎn)生的原因提供重要的客觀依據(jù)。
1 基于USB總線的系統(tǒng)建立
1.1 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)
目前國內(nèi)外應(yīng)用于焊接過程信號檢測的測試系統(tǒng)均為插入板卡式[2]，尚無將USB總線技術(shù)應(yīng)用于焊接過程信號檢測數(shù)據(jù)通信的公開報(bào)道。而USB總線技術(shù)是未來測控領(lǐng)域發(fā)展的方向，其與高性能單片機(jī)技術(shù)的結(jié)合可兼顧單片機(jī)的實(shí)時性、靈活性與PC機(jī)功能強(qiáng)大的優(yōu)點(diǎn)，從而完成在焊接過程信號檢測的大數(shù)據(jù)量采集和高速傳輸。故本系統(tǒng)采用基于USB總路線的基于LabView的弧焊電參數(shù)虛擬檢測的分析系統(tǒng)。其系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
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該系統(tǒng)主要是以美國Cygnal公司的USB型單片機(jī)C8051F320為硬件控制核心，構(gòu)建弧焊電參數(shù)實(shí)時采集系統(tǒng)，結(jié)合USB總線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)USB型單片機(jī)與虛擬儀器開發(fā)平臺LabView的數(shù)據(jù)通信，在此基礎(chǔ)上開發(fā)虛擬儀器軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對弧焊過程焊接電流、電弧電壓信號的在線監(jiān)測和自動記錄，并重點(diǎn)對采集信號提取各種特征信息進(jìn)行分析，最終達(dá)到對弧焊品質(zhì)、電焊機(jī)性能、焊接材料等方面的評估。
1.2 基于USB型單片機(jī)C8051F320的固件程序的開發(fā)
USB設(shè)備的固件程序設(shè)計(jì)主要完成兩個基本功能：數(shù)據(jù)采集功能和滿足USB傳輸協(xié)議的功能[3]。
主程序流程圖如圖2所示，主要完成對時鐘、數(shù)字交叉開關(guān)、USB控制器、定時器、A/D轉(zhuǎn)換模塊的初始化設(shè)置，以及調(diào)用事件處理子程序。采用中斷方式，基于定時器2的溢出中斷頻率對兩路模擬信號進(jìn)行采集，采樣頻率設(shè)置為20kHz，以滿足采樣定理要求。通過設(shè)置特殊功能寄存器P2MDIN(端口2輸入方式寄存器)，配置P2.4、P2.5為模擬輸入模式；通過設(shè)置特殊功能寄存器P2SKIP(端口2跳過寄存器)，使P2.2、P2.3、P2.4、P2.5被數(shù)字交叉開關(guān)編碼器跳過，避免與被使用的其他數(shù)字資源沖突。
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中斷采集基于定時器2的溢出頻率，當(dāng)定時器2產(chǎn)生溢出中斷時，C8051F320芯片內(nèi)部對某一端口輸入的模擬信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。當(dāng)轉(zhuǎn)換任務(wù)完成，同樣會產(chǎn)生一個中斷，即A/D轉(zhuǎn)換完成中斷，在該中斷服務(wù)子程序中進(jìn)行端口的替換，以及A/D轉(zhuǎn)換后放在A/D轉(zhuǎn)換模塊特殊功能寄存器ADC0H和ADC0L中的數(shù)據(jù)向單片機(jī)數(shù)據(jù)存儲器RAM的傳輸。
1.3 USB驅(qū)動程序設(shè)計(jì)
USB設(shè)備驅(qū)動程序的作用是使計(jì)算機(jī)能夠識別出自行設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)系統(tǒng)，并訪問設(shè)備的接口[4]。它包含了.inf和.sys兩個文件設(shè)計(jì)。.inf文件的作用是在計(jì)算機(jī)發(fā)現(xiàn)一個新的USB系統(tǒng)時，通過它尋找相應(yīng)的驅(qū)動程序(.sys)加以加載。設(shè)備驅(qū)動程序（.sys）通常在計(jì)算機(jī)內(nèi)核運(yùn)行，可以使應(yīng)用程序通過它來訪問硬件設(shè)備。外部數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)只需通過單片機(jī)ROM存儲的特定的VID/PID（廠商ID/產(chǎn)品ID）來與驅(qū)動程序相關(guān)聯(lián)。
本文采用NI公司提供的VISA(Virtual Instrument Software Architecture)軟件包來生成USB驅(qū)動程序，實(shí)現(xiàn)對USB設(shè)備的控制。VISA是一個用來與各種儀器總線進(jìn)行通信的高級應(yīng)用編程接口(API)，它不受平臺、總線和環(huán)境的限制。換言之，與USB設(shè)備進(jìn)行通信的程序，無論是在運(yùn)行Windows2000的機(jī)器上用LabView開發(fā)出來的，還是在運(yùn)行Mac OS X的機(jī)器上用C語言編寫的，都可以使用同一個API。
2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要功能
本軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能有數(shù)據(jù)采集、回放、存儲及打印輸出，同時還具有時域分析、頻域分析、統(tǒng)計(jì)分析等模塊。系統(tǒng)的軟件整體架構(gòu)框圖如圖3所示。本文重點(diǎn)介紹小波分析和弧焊質(zhì)量評估兩上模塊。
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2.1 弧焊過程電信號的小波消噪與奇異性提取
小波分析是目前信號分析中一種十分有用的時頻局部化分析方法[5-6]。小波（Wavelet）即小區(qū)域的波，是一種特殊的長度有限、平均值為0的波形。小波具有以下三個性質(zhì)：
??? (1) 對稱性。從視覺的角度而言，人們對不對稱的誤差比對稱性的誤差更敏感。
?? ?(2) 正交性。正交性能有效地去除信號的相關(guān)性。
?? ?(3) 緊支撐。在實(shí)際的應(yīng)用中，希望獲得有限長濾波器，因?yàn)橛邢揲L濾波器便于計(jì)算與實(shí)現(xiàn)，并且可以避免無限長濾波器因截?cái)喽鴰淼南到y(tǒng)誤差，這就要求濾波是緊支撐的。
??? 傅里葉分析是將信號分解成一系列不同頻率的正弦波的疊加，而小波分析是將信號分解成一系列小波函數(shù)的疊加，而這些小波函數(shù)都是由一個母小波函數(shù)經(jīng)過平移與尺度伸縮得來的?，F(xiàn)有小波理論與實(shí)踐證明，用不規(guī)則的小波函數(shù)來逼近尖銳變化的信號要比光滑的正弦曲線要好，信號局部的奇異性用小波函數(shù)來逼近顯然要比用光滑的正弦函數(shù)來逼近要好。
小波分析的重要應(yīng)用之一就是用于信號消噪。焊接過程信號消噪，就是要除去信號中的高頻干擾部分，保留低頻部分，而且又不丟失有用的高頻特征信息。
信號和噪聲具有不同的奇異性[7]，對于信號的奇異性，往往用Lipschitz a指數(shù)來衡量。對于連續(xù)的函數(shù)，其Lipschitz為正，滿足0
基數(shù)B——樣條雙正交小波Bior2.4，Bior2.4小波重構(gòu)尺度、小波函數(shù)有2階消失矩，分解尺度、小波函數(shù)有4階消失矩，它們是緊支撐的且有明確的解析表達(dá)式，焊接電流及其在尺度24、25、26時的小波變換細(xì)節(jié)部分如圖5所示。如圖中小波變換細(xì)節(jié)部分dn5波形中方框所示，與信號奇異點(diǎn)相應(yīng)的小波函數(shù)支撐域中最大的模極大值較好地檢測了信號的局部奇異性，并且可以作為信號的特征提取出來。至此可以得到如下結(jié)論：對于熔滴短路過渡CO2氣體保護(hù)焊的電流信號，應(yīng)用雙正交小波Bior2.4在尺度25時，可以由細(xì)節(jié)部分的模極大值較好地檢測信號的局部奇異性，并可將其作為信號的信息特征提取出來。
2.2 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評定弧焊質(zhì)量
??? 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)ANN(Artificial Neural Networks)，是基于模仿人類生物大腦的結(jié)構(gòu)和功能而構(gòu)成的一種信息處理系統(tǒng)，由大量高度互聯(lián)的簡單處理單元組成[8]。這種簡單的處理單元稱為神經(jīng)元。焊接過程是一個高度非線性、多變量耦合作用，同時具有大量隨機(jī)不確定因素的復(fù)雜過程。這種復(fù)雜性決定了其數(shù)學(xué)模型建立的困難性，而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)則可在不做任何假設(shè)的情況下對過程建模及控制[9]。針對CO2短路過渡焊，利用MATLAB提供的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱，采用BP網(wǎng)絡(luò)建立焊接過程統(tǒng)計(jì)參數(shù)和質(zhì)量等級參數(shù)L之間的關(guān)系模型，即用6個評價參數(shù)P1、P2、P3、P4、P5、P6為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層，以質(zhì)量等級參數(shù)L為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出層，構(gòu)造一個三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。若用一定試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本，對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，然后把待評估的焊接試驗(yàn)樣本輸入訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)，就可得到網(wǎng)絡(luò)估測的焊接質(zhì)量參數(shù)L。輸出的質(zhì)量參數(shù)L可以作為焊接質(zhì)量評估的指標(biāo)，對于實(shí)際生產(chǎn)有一定指導(dǎo)意義。
本文基于USB總線技術(shù)所開發(fā)的針對CO2焊接電參數(shù)檢測的C8051F320高速SOC虛擬儀器檢測分析系統(tǒng)，將USB總線技術(shù)成功應(yīng)用于焊接過程的信號檢測，實(shí)現(xiàn)了對焊接過程的大數(shù)據(jù)量采集和高速實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸通信，具有一定的開創(chuàng)性；成功實(shí)現(xiàn)了Cygnal公司的USB型單片機(jī)C8051F320與LabView軟件開發(fā)平臺的數(shù)據(jù)通信；開發(fā)的USB接口硬件采集設(shè)備可熱插拔、即插即用、使用便捷，大大方便了傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集卡；開發(fā)的客戶端高級應(yīng)用程序界面逼真于傳統(tǒng)硬件儀器界面，操作簡便，可滿足實(shí)際焊接生產(chǎn)中長時間、不間斷的實(shí)時監(jiān)測和記錄焊接工藝參數(shù)的需要；具備多種焊接數(shù)據(jù)分析功能：瞬時U-I圖、小波消噪、小波分析提取焊接過程特征信息、電弧電壓概率密度分布圖、焊接電流概率密度分布圖、短路時間頻數(shù)圖、燃弧時間頻數(shù)圖、特征參數(shù)統(tǒng)計(jì)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評定焊接質(zhì)量，可基本滿足對弧焊過程分析的需求，對焊接生產(chǎn)具有一定指導(dǎo)意義。
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