平行縫焊機控制系統的研制

摘要：論述了系統的組成原理和實(shí)現方法。充分利用上、下位機的性能特點(diǎn)，定制合理的通信協(xié)議，實(shí)現了PC機與單片機之間的串行通信。主要論述了下位機各功能模塊的組成和編程方法。

平行縫焊機用于封裝集成電路芯片。目前我國使用的封裝集成電路芯片的設備基本來(lái)自于美國和日本等國家，價(jià)格昂貴，因此使其變得國產(chǎn)化、價(jià)位低具有深遠的意義。

1 系統的主要組成與功能

系統由上位機（PC機）和下位機（單片機）兩部分組成，硬件結構如圖1所示。

上位機（PC機）軟件采用可視化編程語(yǔ)言VB6.0開(kāi)發(fā)，使用Mscomm控件完成PC機與單片機的數據通信，傳送控制信息、狀態(tài)信息和焊接參數；并利用VB6.0具有的對各種數據庫的操作能力實(shí)現焊接的人性化。下位機（單片機）通過(guò)串行接口接收PC機發(fā)送的命令，啟動(dòng)工作程序，控制6個(gè)步進(jìn)電機（其中x軸兩個(gè)、y軸1個(gè)、z軸兩個(gè)，旋轉θ軸1個(gè)），通過(guò)絲杠將電機的角位移轉換為線(xiàn)位移，帶動(dòng)焊接電極按設計的軌跡運行，并實(shí)時(shí)向PC機傳送當前的運行狀態(tài)。系統的主要功能有：

①上位機實(shí)時(shí)監視下位機的工作狀態(tài)，控制下位機的工作過(guò)程；設置下位機的工作參數，接收和發(fā)送數據信息、控制信息和狀態(tài)信息；記錄歷史芯片的焊接參數。系統在重新上電時(shí)，將最新的焊接參數作為本次焊接參數的默認值；進(jìn)行數據處理并顯示數據和工作狀態(tài)，指導操作過(guò)程；

②下位機控制6個(gè)步進(jìn)電機的轉動(dòng)，最終控制焊接電極的移動(dòng)；控制焊接功率的大小并實(shí)現間歇控制；實(shí)現焊接電極的微調。

③系統的各焊接軸方向精度不得低于0.1mm。

圖1 系統硬件結構框圖

2 系統資源利用及通信機理

2.1 系統資源的利用

為充分利用PC機強大的數據處理能力、海量的存儲空間，有效地發(fā)揮單片機數據存儲器的作用，必須合理地分配系統資源。具體做法之一是PC機在發(fā)送焊接數據時(shí)，將其以浮點(diǎn)數存儲的焊接參數根據步進(jìn)電機的步角和絲杠比轉換為脈沖數發(fā)送給單片機；二是當脈沖數占用的位數略大于單字節整數倍N位時(shí)，在滿(mǎn)足精度要求的前提下有：發(fā)送的數據=原數據/2n，這時(shí)對發(fā)送數據取整，單片機接收到該整數數據后，左移N位便可恢復真實(shí)數據。這樣既提高了通信效率，又減小了對單片機RAM的占用。

2.2 系統通信協(xié)議

波特率設置為4800bps；數據幀結構設置為：起始位1bit，數據位8bit，停止位1bit。

PC機向單片機發(fā)送的信息包包括數據信息包和控制信息包。數據信息包括結構為：以“S”字符開(kāi)頭，其后為22字節的16進(jìn)制數。發(fā)送時(shí)按ASCII碼格式（文本格式）發(fā)送，實(shí)際發(fā)送44個(gè)ASCII碼。下位機正確收到后，向PC機發(fā)“K”作為確認應答信號。若在規定的時(shí)間內，PC機未收到“K”信號，則重發(fā)。若三次未成功，則在屏幕上給出顯示信息。PC機必須保證44個(gè)ASCII碼的包長(cháng)度，以免系統誤動(dòng)�？刂菩畔�包結構為：以大寫(xiě)“O”開(kāi)始，其后為單字節16進(jìn)制數的控制字，實(shí)際發(fā)送兩個(gè)字節ASCII碼，也是以“K”作為應答信號，采用等比碼3/8。發(fā)送時(shí)高位在前，低位在后。

PC機從單片機接收的信息包括結構的主要內容為數據信息和狀態(tài)信號，且數據信息和狀態(tài)信息被同時(shí)發(fā)送。該信息以“S”開(kāi)關(guān)，其后為32個(gè)1位16進(jìn)制數的ASCII碼，以“K”作為結束信號。若PC機收到單片機發(fā)來(lái)的完整信息包，則有屏幕提示，指示用戶(hù)進(jìn)行操作。

以上的信息由雙字節數、單字節數混合構成，信息包的頭與尾均采用非十六進(jìn)制的ASCII碼字符，以示區分。接收方則按照協(xié)議雙方規定的算法進(jìn)行解包，發(fā)送方按照雙方規定的數據結構組包。

3 下位機的主要組成模塊及設計思想

3.1 模信模塊

通信模塊的硬件組成由于令使用了一片MAX232完成電平的轉換功能而變得較為簡(jiǎn)單，免去了一般芯片使用±12V～15V電壓帶來(lái)的麻煩，而且與PC機的連接方式是最為簡(jiǎn)單的，不需要進(jìn)行硬握手，大量的工作都由軟件完成。

其主要程序設計方法如下：

①下位機接收PC機發(fā)送的數據包，以中斷方式（且設置為高級中斷）來(lái)接收，以滿(mǎn)足通信的實(shí)時(shí)性要求。這里僅是觸發(fā)接收中斷服務(wù)程序的執行并且接收首字節，一旦進(jìn)入該中斷程序后，就用程序查詢(xún)的方法來(lái)接收剩余的字節。接收標志RI是硬件置位、軟件復位的，數據后，接協(xié)議規定對數據進(jìn)行解碼和驗證，并向PC機返回驗證信息。②下位機向PC機發(fā)送運行狀態(tài)信息的子程序是根據程序工作過(guò)程的需要而調用的。在調用過(guò)程中為保證程序邏輯清晰性，使CPU關(guān)中斷，利用程序查詢(xún)發(fā)送標志TI（TI的使用同RI相似），按協(xié)議要求進(jìn)行數據變換并發(fā)送完整個(gè)信息包，再使CPU開(kāi)中斷，整個(gè)程序執行完畢。

3.2 步進(jìn)電機控制模塊

步進(jìn)電機是機電一體化產(chǎn)品中重要的執行元件之一。對于三相反應式步進(jìn)電機，其工作方式分為兩種。本系統選用三相單、雙六拍通電方式，這種方式不容易失步，在轉子平衡位置附近不易產(chǎn)生振蕩，運行的穩定性較好，而且控制的精度也提高了一倍，為使步進(jìn)電機的運行更平穩，控制精度更高，系統采用了具有細分的步進(jìn)電機驅動(dòng)器來(lái)控制。步進(jìn)電機的轉速取決于步進(jìn)脈沖序列的頻率。其硬件接口電路如圖2所示。圖中只是X軸左側步進(jìn)電機的連接示意圖，其余電機的連接方式與圖中相似，但使用8155A其它的引腳。步進(jìn)電機驅動(dòng)器的CP 和CP-是步進(jìn)脈沖輸入端，U/D 和U/D-是方向控制輸入端，PD 和PD-為脫機控制輸入端（本系統未使用），且各具有光電隔離電路，有利于實(shí)現系統工作的安全性和可靠性，連線(xiàn)采用共陽(yáng)極接法是因為邏輯電路的灌電流負載能力通常大于拉電流負載能力；DC和GND為電源接線(xiàn)端，

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