基于双处理器的点焊控制系统的硬件设计

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摘要：针对点焊的控制特点，设计了一种基于双处理器的点焊控制系统。在该系统中，DSP模块负责智能控制程序运算，MCU模块负责进行人机对话，而信号的输入输出则由独立的AD&IO模块负责。模拟试验表明，该硬件系统满足工作要求。

    关键词：点焊控制 双处理器 硬件设计

点焊是将焊件装配成搭接接头，并压紧在两电极之间，利用电流通过焊件时产生的电阻热熔化母材金属，冷却后形成焊点的一种电阻焊方法。其通电加热时间一般为几至几十周波（一周波为0.02s），而电流有效值一般为几至几十KA。javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>

点焊是一个高度非线性、存在多变量耦合作用和大量随机不确定因素的过程，其形核处于封闭状态，时间极短，特征信号提取困难，控制难度较大。

1 设计思想和总体方案

近年来，智能控制技术正被积极地引入点焊控制研究领域，但由于其算法高度复杂、计算密集，因此对系统的实时性要求越来越高。另一方面，DSP（数字信号处理器）技术的蓬勃发展，使得其在工业控制领域的应用越来越广泛。因此在本设计中，使用DSP作核心处理器，充分发挥其运算速度快的优势，并尝试利用多种智能控制算法对点焊进行质量控制，以提高焊点的质量和可靠性。

在实际工作中，点焊需要设置的参数较多，操作者不得不依赖于各种手册、说明书和/或专家编制的工艺文件来进行设备；而且在选定参数之后，往往还需要通过一系列的旋钮、按钮等开关进行设置，操作复杂，容易造成混乱。因此在本设计中，应用MCU（单片机）实现人机对话功能。通过键盘输入和液晶显示，既充分体现了数字化控制的优势，也有助于实现点焊专家系统。

由于点焊系统工作在大电流、强磁场的环境下，因此控制系统的抗干扰问题尤为重要，且DSP的工作频率高，所以将信号的输入、输出部分和DSP、MCU模块分开，设计独立的AD&IO模块。

系统的总体方案如图1所示。
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2 DSP模块的设计

本系统选用了DSK-TMS320VC5402芯片作控制核心。DSP是TI公司提供的一套标准的DSP开发平台，其目的是令使用者能较能地开发和应用基于DSP的系统，为最终的目标系统提供软、硬件设计参考模板。有关DSK的具体说明请参阅有关的技术资料。

DSK提供了存储器接口和外围设备接口两列扩展接口。根据“灰箱法”的设计思想，不用完全理解DSK的内部原理，只需在对其整体有一个基本了解的基础上，选择可能要用到的信号即可。因此专门设计了一块转接板，作为外围电路与DSP之间通讯的桥梁。从DSP中引出了26个信号，如表1所示。

表1 转接板信号

信号名	作      用
电源与地信号
+5V	由DSK取出，使整个系统同时上电
GND	从DSK发出，保持系统的地信号相同
用于A/D电路的信号
ADEN	用作TLV2544片选和使能信号
X_FSX0	发送同步帧，使A/D转换开始
X_DX0	发送MCBSP对TLV2544的控制指令
X_FSR0	接收X_FSX0信号，使DSK和TLV2544保持同步
X_CLKX0	发送时钟频率信号给TLV2544
X_CLKR0	接收X_CLKX0时钟，使DSK和TLV2544保持时钟同步
X_DR0	接收TLV2544转换好的数字数据
用于I/O电路的信号
INPUT	用作允许输入信号
OCLOCK	用作输出锁存信号
OUTPUT	用作允许输出信号
X_D[07]	接入数据总线，传输I/O数据
用于MPU模块的控制信号
X_D[07]	接入数据总线，传输DSP与MPU之间的通讯数据
INT1	MCU向DSP发出的通信请求信号
X_IACK	DSP向MCU发出的确认信号
X_XF	DSP向MCU发出的通讯请求信号
X_BIO3	MCU向DSP发出的确认信号

3 AD&IO模块的设计

该模块包括A/D转换、输入、输出三部分电路，它们分别负责模拟信号的输入和转换以及开关信号的输入和控制信号的输出。

3.1 A/D转换电路

A/D转换器的选取主要考虑所采集的模拟信号的数量、精度及与DSP的速度匹配等，综合考虑后，选用TI公司生产的12位4通道高速AD-TLV2544。javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>

本设计中A/D转换电路分为三部分：第一部分由5.1V的稳压二极管又滤波电容103组成，构成模拟输入部分；第二部分由TLV2544组成，完成A/D转换；第三部分由八相缓冲器74LS244组成，完成DSP与TLV2544之间的通讯，如图2所示。

A/D转换电路的工作是由DSP的多通道缓冲串口MCBSP来控制的。MCBSP通过其数据输出口DX0发送控制字到TLV2544的SDI口，该控制字为16位，前4位是指令位。如果TLV2544接收到的前四位是0XA，那么接下来的12位就会被当作控制字译码；相反，如果前4位接收到的是0XE，那么ADC将继续输出FIFO的内容到SDO中。其中，SDI和SDO分别是TLV2544的控制信号输入口和已转换好的数字信号输出口。当TLV2544按DSP发出的控制字转换到一定时候（如FIFO堆栈满）时，则发出INT信号通知DSP接收。DSP接收到INT信号后，经X_DR0口读入TLV2544已转换好的串行数据。

3.2 输入和输出电路

为了抵抗电气干扰和高压电击，在本设计中，输入和输出电路均采用光隔PC817传递逻辑信号，实现电气隔离。另外还使用反相器74HC14对传输信号进行整形，利用施密特特性消除毛刺干扰，提高信号传输的抗干扰能力。输入和输出电路与DSP的接口如图3所示。

在输入电路中使用了缓冲器74LS244，以增强线驱动能力，如图3所示。假设第二路输入为低电平，则光隔不导通，A2也为低电平。DSP要读取它的时候，先给输入一个低电平，然后用02H（即

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