??? 摘 要：PE管道熱熔對(duì)接焊的工藝參數(shù)隨管道尺度和環(huán)境條件的不同而不同，同時(shí)還受人為因素的影響，對(duì)焊接機(jī)自動(dòng)化程度要求很高。介紹了基于ARM嵌入式熱熔焊接機(jī)智能控制器的硬件和軟件的設(shè)計(jì)方案。此方案符合焊接各個(gè)階段工藝參數(shù)指標(biāo)，并具有操作糾錯(cuò)及錯(cuò)誤信息管理功能，最大程度地消除了人為因素的影響，提高焊接質(zhì)量，并具備焊接數(shù)據(jù)的可追溯性，便于管理人員對(duì)焊接工程的管理。
??? 關(guān)鍵詞：PE管道；熱熔對(duì)接焊；ARM7；μC/OS-Ⅱ
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??? 熱熔對(duì)接[1]焊技術(shù)是聚乙烯(PE)塑料管道戶外最常用的連接技術(shù)，在同樣密封和工作壓力下有良好的經(jīng)濟(jì)性。熱熔對(duì)接焊是采用熱熔對(duì)焊接機(jī)來(lái)加熱管道端面，使其熔化，迅速將其粘合，并保持一定的壓力，經(jīng)過(guò)冷卻達(dá)到熔接的目的。焊接過(guò)程中，多余的熔融塑料被擠出，形成了焊接接頭(焊口)。焊接接頭的大小和形狀直接影響管道焊接質(zhì)量。目前國(guó)內(nèi)熱熔焊接機(jī)的控制器多使用多CPU的工作方式，而且多數(shù)以8位CPU為主，每個(gè)CPU分擔(dān)不同的任務(wù)。8位單片機(jī)自身的資源相當(dāng)有限，無(wú)論是I/O口、RAM、ROM、總線接口等都無(wú)法滿足復(fù)雜系統(tǒng)的要求，因此必須要外擴(kuò)I/O口擴(kuò)展器件、大容量的存儲(chǔ)器件、總線接口器件。這樣，一方面加大了PCB設(shè)計(jì)的難度，另一方面由于外擴(kuò)大量的器件，導(dǎo)致了系統(tǒng)可靠性下降。在數(shù)據(jù)分析和處理方面，由于處理速度慢，在焊口質(zhì)量跟蹤方面，目前國(guó)內(nèi)所使用的熱熔焊接機(jī)功能上還是很簡(jiǎn)單的。隨著32位ARM的普及，市面上的ARM[2]芯片價(jià)格越來(lái)越低。片內(nèi)集成了大容量的Flash與SRAM，還有多種常用的總線接口，并且時(shí)鐘速率一般在40?MHz以上，這樣為進(jìn)一步提高熱熔焊接機(jī)的自動(dòng)化程度和熱熔焊接機(jī)焊口質(zhì)量跟蹤的功能提供了可靠的平臺(tái)。
1 ARM智能控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
??? 飛利浦公司的LPC2138處理器[3]是一款支持實(shí)時(shí)仿真和嵌入式跟蹤的16/32位ARM7TDMI-STMCPU的微控制器，功耗低，性價(jià)比高，內(nèi)置有32kB的靜態(tài)RAM和512kB的Flash，2個(gè)8路10位ADC、10位DAC和多個(gè)32位定時(shí)器。綜合考慮了熱熔焊接機(jī)控制器的復(fù)雜性和32位ARM的優(yōu)勢(shì)。提出用ARM7作為主控制器的CPU。基于ARM的熱熔焊接機(jī)具有強(qiáng)大的功能，實(shí)現(xiàn)了熱熔焊接全自動(dòng)化，具有操作糾錯(cuò)及錯(cuò)誤信息管理功能，以及焊接數(shù)據(jù)的可追溯性。
1.1 主控制器結(jié)構(gòu)
??? 圖1給出了嵌入式熱熔焊接機(jī)控制器中主控制器的結(jié)構(gòu)框圖。
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??? 從圖1中可以看出，嵌入式熱熔焊接機(jī)控制器具有以下特點(diǎn)：
??? (1) LCD和鍵盤接口。實(shí)現(xiàn)豐富的人機(jī)交互界面，主要功能是顯示、設(shè)置工藝參數(shù)，顯示焊接曲線和設(shè)備狀態(tài)。LCD采用240×64點(diǎn)陣、內(nèi)置T6963C控制芯片的液晶模塊。
??? (2) A/D轉(zhuǎn)換。熱熔焊接機(jī)有4路傳感器，2路溫度傳感器，1路檢測(cè)環(huán)境溫度，1路檢測(cè)加熱板溫度。其中1路壓力傳感器檢測(cè)液壓系統(tǒng)的壓力；另一路位移傳感器檢測(cè)動(dòng)卡套的行程。
??? (3)JTAG接口是調(diào)試接口。JTAG調(diào)試接口實(shí)現(xiàn)代碼層的調(diào)試，可以設(shè)置斷點(diǎn)、單點(diǎn)調(diào)試。
??? (4)RS-232接口是個(gè)復(fù)用端口。由于ARM7擁有2個(gè)異步串口UART0和UART1。一方面調(diào)試程序時(shí)，通過(guò)UART0連接ISP接口，另一方面通過(guò)UART1連接微型打印機(jī)。
??? (5)聲光報(bào)警。主要是為了提醒操作者焊接機(jī)的狀態(tài)和PE管材的焊接情況。
??? (6)D/A轉(zhuǎn)換。D/A轉(zhuǎn)換主要通過(guò)調(diào)節(jié)輸出電壓來(lái)調(diào)節(jié)比例放大板控制器輸出電流的脈寬以及比例調(diào)壓閥，從而達(dá)到調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)的壓力。
??? (7)DO接口。主要是控制電磁單向閥、電磁換向閥、銑刀電機(jī)、泵電機(jī)和加熱板。
??? (8)USB接口。USB部分主要功能是轉(zhuǎn)存焊接數(shù)據(jù)到U盤。USB接口控制芯片使用了賽普拉斯的SL811HS，SL811HS是一個(gè)嵌入式的主/從設(shè)備控制器，可以全速或低速與USB設(shè)備通信，可以直接接到多種總線上，例如：ISA、PCMCIA等。SL811HS主機(jī)控制器遵從USB1.1協(xié)議，支持運(yùn)轉(zhuǎn)在USB 12?Mb/s的全速模式下，或者在1.5?Mb/s的低速模式下，內(nèi)部包含1個(gè)256B用于控制寄存器和數(shù)據(jù)緩沖的隨機(jī)存儲(chǔ)器，性價(jià)比高，完全能滿足系統(tǒng)的要求。
??? (9)FRAM。FRAM采用無(wú)限次讀寫的FM25L256芯片，它可以滿足焊接過(guò)程中經(jīng)常性的讀寫存儲(chǔ)器的要求。采用SPI總線，在總線上懸掛了2片F(xiàn)M25L256。其中1片主要是把焊接的工藝參數(shù)保存在存儲(chǔ)器中，另一片是存放中文字庫(kù)。
??? (10)實(shí)時(shí)時(shí)鐘。LPC2138的內(nèi)部時(shí)鐘存在計(jì)時(shí)不準(zhǔn)的情況，故選用了DS1302作為外部時(shí)鐘。
1.2 傳感器變送電路
1.2.1 溫度傳感器變送電路
??? 溫度傳感器采用PT100。PT100的電阻—溫度曲線是一條平滑的凸曲線。通過(guò)電路如圖2的電壓—電阻曲線是一條與之相對(duì)應(yīng)的凹曲線。從而達(dá)到線性化的目的。
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??? 圖2中的VR1是調(diào)零電阻，VR2的是調(diào)幅電阻。不同溫度范圍可以通過(guò)調(diào)整R11的阻值來(lái)達(dá)到要求。
1.2.2 壓力和位移傳感器變送電路
??? 壓力傳感器和位移傳感器都是4?MA～20?MA的電流信號(hào)。圖3為簡(jiǎn)單實(shí)用的采用雙光耦隔離傳輸模擬量的線性電路。
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??? 兩個(gè)光耦的發(fā)光元件通過(guò)相同的激勵(lì)電流I1，假設(shè)OP1的電流非線性傳輸函數(shù)為g(I1)，OP2的電流非線性傳輸函數(shù)為g(I2), 則：I2=g1(I1) ；I3=g2(I1)；
??? 只要保證OP1和OP2為同一批次的封裝在一起的2個(gè)光耦，如TLP521-2，則可以認(rèn)為它們的特性一致，即：g1(I1)=g2(I1) ；I2=I3；???????????
??? A1和A2為運(yùn)算放大器，根據(jù)運(yùn)放的特性有：UI=UA=I2?×R2；UO=UB=I3×R4；
??? 可得：UO/UI=（I3×R4）/（I2×R2）=R4/R2=K(常數(shù))
??? 即UO和UI的關(guān)系是線性的，可以根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整R2和R4的大小，以產(chǎn)生滿足CPU采集要求的UO的變化范圍。
2 軟件設(shè)計(jì)
??? 由于硬件設(shè)計(jì)上提供了豐富的資源，以及上層應(yīng)用軟件比較復(fù)雜，因此在軟件設(shè)計(jì)時(shí)可以采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。本系統(tǒng)嵌入的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是μC/OS-Ⅱ[4]，要實(shí)現(xiàn)的主要有焊接控制程序、USB模塊、圖形用戶界面和焊接數(shù)據(jù)的管理系統(tǒng)，其基本框圖如圖4所示。
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??? 各個(gè)功能模塊以任務(wù)方式和焊接控制程序交互或者以函數(shù)調(diào)用的方式供焊接機(jī)控制程序使用。
2.1 嵌入式操作系統(tǒng)μ?C/OS-Ⅱ的移植
μC/OS-Ⅱ[5]是一種免費(fèi)公開源代碼、結(jié)構(gòu)小巧、具有可剝奪實(shí)時(shí)內(nèi)核的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。其優(yōu)越性體現(xiàn)在源碼公開、易于移植、占先式實(shí)時(shí)內(nèi)核、多任務(wù)等。
??? 移植μC/OS-Ⅱ到LPC2138所需要做的工作有3步：
??? (1)設(shè)置includes.h中與處理器和編譯器相關(guān)的代碼；
??? (2)用C語(yǔ)言編寫6個(gè)與操作系統(tǒng)相關(guān)的函數(shù)(OS_CPU_C.C)；
??? (3)用匯編語(yǔ)言編寫4個(gè)與處理器相關(guān)的函數(shù)(OS_CPU_A..S）。
??? 完成上述工作之后，μC/OS-Ⅱ就可以正常運(yùn)行在ARM處理器上了。
2.2 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的編寫
??? 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序主要是針對(duì)熱熔焊接機(jī)智能控制器用到的外圍設(shè)備來(lái)編寫，包括LCD驅(qū)動(dòng)、SPI驅(qū)動(dòng)、USB驅(qū)動(dòng)、主控鍵盤、打印機(jī)等。
2.3 熱熔焊接機(jī)應(yīng)用程序的實(shí)現(xiàn)
??? 應(yīng)用程序包含LCD圖形界面顯示程序、USB數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存程序、鍵盤掃描程序、4路A/D數(shù)據(jù)采集程序、自動(dòng)控制程序。根據(jù)系統(tǒng)的要求，創(chuàng)建了4個(gè)任務(wù)。其中總的任務(wù)關(guān)聯(lián)圖如圖5所示；分別是LCD顯示和鍵盤任務(wù)，自動(dòng)焊接任務(wù)，USB數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存任務(wù)，4路A/D數(shù)據(jù)采集和聲光報(bào)警任務(wù)。LCD顯示和鍵盤任務(wù)由主函數(shù)創(chuàng)建，周期性地運(yùn)行。其他3個(gè)任務(wù)在LCD顯示和鍵盤任務(wù)中創(chuàng)建。自動(dòng)焊接任務(wù)和USB數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存任務(wù)為事件觸發(fā)任務(wù)。觸發(fā)任務(wù)采用消息郵箱通信。
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??? 其系統(tǒng)的主程序流程圖如圖6所示；通過(guò)在LCD任務(wù)中對(duì)鍵盤的掃描得到焊接鍵盤信息，然后通知正在等待的自動(dòng)焊接任務(wù)，自動(dòng)焊接任務(wù)收到郵箱消息進(jìn)行任務(wù)的切換，進(jìn)入焊接時(shí)序。
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??? 隨著嵌入式技術(shù)的不斷發(fā)展和普及，ARM的性價(jià)比不斷提升，本文提出了一種基于32位處理器的智能工業(yè)控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該方案在μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)的支持下，實(shí)現(xiàn)了熱熔對(duì)接的全自動(dòng)化，以及焊接數(shù)據(jù)的管理和可追溯性。最大程度地消除了人為因素的干擾，提高了焊接質(zhì)量。
參考文獻(xiàn)
[1]?陽(yáng)代軍，霍立興. 塑料壓力管道熱熔對(duì)接自動(dòng)焊機(jī)的控制系統(tǒng)[J]. 焊接學(xué)報(bào)， 2002, 23(3)：41.
[2]?周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社, 2005.
[3]?周立功. 深入淺出ARM7[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社, 2006.
[4]?JEAN J.LABROSSE. mC/OS-Ⅱ——源碼公開的實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)[M]。邵貝貝譯.北京：中國(guó)電力出版社，2001.
[5]?周航慈，吳光文. 基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)技術(shù)[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.