??? 摘 要：PE管道熱熔對接焊的工藝參數(shù)隨管道尺度和環(huán)境條件的不同而不同，同時還受人為因素的影響，對焊接機自動化程度要求很高。介紹了基于ARM嵌入式熱熔焊接機智能控制器的硬件和軟件的設(shè)計方案。此方案符合焊接各個階段工藝參數(shù)指標，并具有操作糾錯及錯誤信息管理功能，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，便于管理人員對焊接工程的管理。
??? 關(guān)鍵詞：PE管道；熱熔對接焊；ARM7；μC/OS-Ⅱ
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??? 熱熔對接[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)濟性。熱熔對接焊是采用熱熔對焊接機來加熱管道端面，使其熔化，迅速將其粘合，并保持一定的壓力，經(jīng)過冷卻達到熔接的目的。焊接過程中，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。目前國內(nèi)熱熔焊接機的控制器多使用多CPU的工作方式，而且多數(shù)以8位CPU為主，每個CPU分擔不同的任務(wù)。8位單片機自身的資源相當有限，無論是I/O口、RAM、ROM、總線接口等都無法滿足復雜系統(tǒng)的要求，因此必須要外擴I/O口擴展器件、大容量的存儲器件、總線接口器件。這樣，一方面加大了PCB設(shè)計的難度，另一方面由于外擴大量的器件，導致了系統(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，目前國內(nèi)所使用的熱熔焊接機功能上還是很簡單的。隨著32位ARM的普及，市面上的ARM[2]芯片價格越來越低。片內(nèi)集成了大容量的Flash與SRAM，還有多種常用的總線接口，并且時鐘速率一般在40?MHz以上，這樣為進一步提高熱熔焊接機的自動化程度和熱熔焊接機焊口質(zhì)量跟蹤的功能提供了可靠的平臺。
1 ARM智能控制系統(tǒng)硬件設(shè)計
??? 飛利浦公司的LPC2138處理器[3]是一款支持實時仿真和嵌入式跟蹤的16/32位ARM7TDMI-STMCPU的微控制器，功耗低，性價比高，內(nèi)置有32kB的靜態(tài)RAM和512kB的Flash，2個8路10位ADC、10位DAC和多個32位定時器。綜合考慮了熱熔焊接機控制器的復雜性和32位ARM的優(yōu)勢。提出用ARM7作為主控制器的CPU。基于ARM的熱熔焊接機具有強大的功能，實現(xiàn)了熱熔焊接全自動化，具有操作糾錯及錯誤信息管理功能，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，嵌入式熱熔焊接機控制器具有以下特點：
??? (1) LCD和鍵盤接口。實現(xiàn)豐富的人機交互界面，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。熱熔焊接機有4路傳感器，2路溫度傳感器，1路檢測環(huán)境溫度，1路檢測加熱板溫度。其中1路壓力傳感器檢測液壓系統(tǒng)的壓力；另一路位移傳感器檢測動卡套的行程。
??? (3)JTAG接口是調(diào)試接口。JTAG調(diào)試接口實現(xiàn)代碼層的調(diào)試，可以設(shè)置斷點、單點調(diào)試。
??? (4)RS-232接口是個復用端口。由于ARM7擁有2個異步串口UART0和UART1。一方面調(diào)試程序時，通過UART0連接ISP接口，另一方面通過UART1連接微型打印機。
??? (5)聲光報警。主要是為了提醒操作者焊接機的狀態(tài)和PE管材的焊接情況。
??? (6)D/A轉(zhuǎn)換。D/A轉(zhuǎn)換主要通過調(diào)節(jié)輸出電壓來調(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、泵電機和加熱板。
??? (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主機控制器遵從USB1.1協(xié)議，支持運轉(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256B用于控制寄存器和數(shù)據(jù)緩沖的隨機存儲器，性價比高，完全能滿足系統(tǒng)的要求。
??? (9)FRAM。FRAM采用無限次讀寫的FM25L256芯片，它可以滿足焊接過程中經(jīng)常性的讀寫存儲器的要求。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)保存在存儲器中，另一片是存放中文字庫。
??? (10)實時時鐘。LPC2138的內(nèi)部時鐘存在計時不準的情況，故選用了DS1302作為外部時鐘。
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。通過電路如圖2的電壓—電阻曲線是一條與之相對應(yīng)的凹曲線。從而達到線性化的目的。
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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調(diào)整R11的阻值來達到要求。
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。圖3為簡單實用的采用雙光耦隔離傳輸模擬量的線性電路。
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??? 兩個光耦的發(fā)光元件通過相同的激勵電流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個光耦，如TLP521-2，則可以認為它們的特性一致，即：g1(I1)=g2(I1) ；I2=I3；???????????
??? A1和A2為運算放大器，根據(jù)運放的特性有：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
??? 由于硬件設(shè)計上提供了豐富的資源，以及上層應(yīng)用軟件比較復雜，因此在軟件設(shè)計時可以采用嵌入式實時操作系統(tǒng)。本系統(tǒng)嵌入的實時操作系統(tǒng)是μC/OS-Ⅱ[4]，要實現(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]是一種免費公開源代碼、結(jié)構(gòu)小巧、具有可剝奪實時內(nèi)核的嵌入式實時操作系統(tǒng)。其優(yōu)越性體現(xiàn)在源碼公開、易于移植、占先式實時內(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語言編寫6個與操作系統(tǒng)相關(guān)的函數(shù)(OS_CPU_C.C)；
??? (3)用匯編語言編寫4個與處理器相關(guān)的函數(shù)(OS_CPU_A..S）。
??? 完成上述工作之后，μC/OS-Ⅱ就可以正常運行在ARM處理器上了。
2.2 設(shè)備驅(qū)動程序的編寫
??? 設(shè)備驅(qū)動程序主要是針對熱熔焊接機智能控制器用到的外圍設(shè)備來編寫，包括LCD驅(qū)動、SPI驅(qū)動、USB驅(qū)動、主控鍵盤、打印機等。
2.3 熱熔焊接機應(yīng)用程序的實現(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、自動控制程序。根據(jù)系統(tǒng)的要求，創(chuàng)建了4個任務(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，周期性地運行。其他3個任務(wù)在LCD顯示和鍵盤任務(wù)中創(chuàng)建。自動焊接任務(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；通過在LCD任務(wù)中對鍵盤的掃描得到焊接鍵盤信息，然后通知正在等待的自動焊接任務(wù)，自動焊接任務(wù)收到郵箱消息進行任務(wù)的切換，進入焊接時序。
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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)計方案。該方案在μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)的支持下，實現(xiàn)了熱熔對接的全自動化，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
[1]?陽代軍，霍立興. 塑料壓力管道熱熔對接自動焊機的控制系統(tǒng)[J]. 焊接學報， 2002, 23(3)：41.
[2]?周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程[M]. 北京：北京航空航天大學出版社, 2005.
[3]?周立功. 深入淺出ARM7[M]. 北京：北京航空航天大學出版社, 2006.
[4]?JEAN J.LABROSSE. mC/OS-Ⅱ——源碼公開的實時嵌入式操作系統(tǒng)[M]。邵貝貝譯.北京：中國電力出版社，2001.
[5]?周航慈，吳光文. 基于嵌入式實時操作系統(tǒng)的程序設(shè)計技術(shù)[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，2006.