基于藍牙4.0的數字化焊機同步PC監控系統

李 賓，馮曰海，吳統立

（南京理工大學材料科學與工程學院，江蘇南京210094）

基于藍牙4.0的數字化焊機同步PC監控系統

李 賓，馮曰海，吳統立

（南京理工大學材料科學與工程學院，江蘇南京210094）

為促進焊接技術智能化、網絡化、信息化發展，以更加便捷的方式控制焊接過程并實時監測焊接工藝參數，保證焊接質量，提出了一種基于藍牙4.0的焊接過程監控軟件方案。系統采用自定義的焊接參數和命令通信協議，基于藍牙4.0協議棧實現穩定可靠的無線數據傳輸，上位機軟件結合VS2010提供的MFC平臺，采用多線程設計方法，既滿足了窗口界面對用戶的響應，又使GMAW的焊接電流、電弧電壓等參數得到及時處理，并利用SQL Server數據庫實現工藝參數的保存、查詢、分析等功能，為焊接質量的分析提供依據。經測試表明，該系統能夠方便地對焊接過程進行控制，對焊接工藝的主要參數進行實時采集、監控和保存，且系統工作穩定。

焊接質量；藍牙4.0；無線監控；數據庫

0 前言

焊接過程非常容易受到外界的影響，而保證質量的關鍵是使焊接電流電壓等工藝參數穩定可靠，這對實際焊接過程的實時參數監控提出了更高要求，同時也要求焊接參數的實時記錄，以利于后續分析，從而保證焊接質量的穩定性[1-2]；傳統的焊接為近距離操控，不便于對焊接過程進行觀察和迅速響應[3]，焊接通信系統不易安裝升級、抗干擾能力弱、數據傳輸速度慢；焊接設備眾多，生產區域分散、面積大，設備管理困難；操作人員擅自修改規范不易察覺[4]。因此，有必要改進目前的焊接監控系統，彌補焊接現場設備的網絡化研究的不足，促進焊接集成數字信息制造的發展[5]。

目前參數采集系統大多基于LabView虛擬儀器，成本較高，系統較復雜，而本系統上位機基于平臺VC++進行編程，采用藍牙4.0技術即可滿足實際應用需求。藍牙4.0具有低功耗、低成本、高速率等特點，便于雙向無線通信，采用快速跳頻和短包技術，能夠適應焊接現場電磁干擾大的特點，而且通信較易實現，布線簡單，便于保證焊接規范統一性[6]。

本研究將以藍牙4.0無線通信協議為基礎，進行數字化焊機同步的在線焊接過程無線監控系統設計，開發PC Windows數字化焊接過程監控軟件，并進行系統測試和試驗研究。

1 系統總體設計

基于藍牙4.0的焊接系統如圖1所示。焊接電源系統主要由主電路和控制電路兩部分組成，將主電路上采集到的電壓、電流反饋信號輸入到DSP芯片，經一定的算法輸出PWM波形控制IGBT全橋逆變電路。DSP處理器和藍牙從機之間通過RS232通信，藍牙主機和PC之間則通過USB接口通信。

上位機一方面可以控制焊接過程，即通過相關屬性頁進行焊接參數的設置、檢氣、送絲等控制指令，以上命令通過用戶通信協議經藍牙發送給焊機的主控板，由DSP處理器進行處理；另一方面監控焊接狀態過程，即對焊接參數實時顯示，過/欠電壓、過流、過熱等故障指示及參數同步保存，保證焊接過程正常運行。

圖1 基于藍牙4.0的焊接系統框圖Fig.1 Welding system block diagram based on the Bluetooth 4.0

2 數字化焊機藍牙通信模塊

利用藍牙技術可以在一定的距離內進行通信，省去電纜連接，且保證了焊接質量。藍牙芯片CC2540是一款高性價比、低功耗的片上系統（SOC），支持BLE通信，芯片集成的RF收發器為實現焊接參數的準確、實時無線傳輸提供了很好的硬件平臺，不僅降低了干擾，使控制更加準確、及時，而且降低了成本，縮小了硬件體積。CC2540應用電路是藍牙通信模塊的核心組成部分，如圖2所示。圖2中的集成巴倫應用電路實現2.4G射頻設備的射頻輸出端與天線之間的信號匹配及阻抗匹配，該巴倫既具有極小的機械尺寸，其內部還集成了濾波器組件，進一步降低了諧波輻射，在很大程度上提高了信噪比，性能穩定、可靠。

3 系統軟件設計

監控系統基于以DSP控制單元為核心的參數采集模塊、藍牙4.0通信模塊和PC設計，主要討論本軟件系統的上位機和藍牙4.0通信模塊的開發。軟件的功能模塊化結構如圖3所示。

3.1 通信協議的制定

上位機與下位機在焊接過程中進行實時的數據交互，為了保證通信的可靠性和高效性，遵循用戶層通信協議制定原則設計了符合要求的協議幀。

圖2 焊接參數藍牙傳輸模塊Fig.2 Bluetooth module for welding parameters

圖3 焊接參數監控系統軟件總體設計Fig.3 Software design of welding parameter monitoring system

（1）“采集參數設置與監控”屬性頁中，如圖4所示，數據幀用來傳遞焊接工藝參數命令，其總長度為6B，包含電壓、電流相關采樣值，幀頭，焊絲材質、直徑，保護氣體，校驗等內容。通過“設置完成”命令，把數據包發送給下位機。

（2）“數據采集與保存”屬性頁，如圖8所示，接收從下位機傳遞的電壓電流等監控數據。協議幀長度為3B，上位機根據解析的電壓電流數據繪制實時動態曲線，保存工藝參數并顯示故障信息。其他的用戶通信協議，如上位機給焊機發送控制命令等不再贅述。

3.2 上位機程序設計

監控軟件由一個主對話框類CUartDataGetDlg和兩個屬性頁類CSetParam和CMonitorParam及相關菜單組成，如圖4所示。屬性頁分別對應“采集參數設置與監控”和“數據采集與保存”，前者包括焊機組、預留串口和焊接速度設置，還有相關的預置參數和過程控制命令；后者其中加入TeeChart控件來完成實時曲線的顯示，如圖5所示。菜單中包括用戶管理，工藝參數和系統參數（串口配置，采集頻率設置等），過程控制命令，數據處理如實時波形、歷史波形、數據保存等功能信息，監控界面下方時刻監視焊接狀態，淺色為工作正常，深色為異常等信息。同時為了滿足多線程串口編程的需要，系統采用在Windows平臺下第三方的開源串口類（SerialPort類）實現串口通信，其工作流程為：首先設置好串口參數，再開啟串口監測工作線程，對接收數據來說，串口監測工作線程監測到串口接收到的數據、流控制事件或其他串口事件后，就以消息方式通知主程序，激發消息處理函數來進行數據處理。

圖4 采集參數設置與監控屬性頁Fig.4 Acquisition parameter setting and monitoring pro-perty page

圖8 藍牙采集到的電壓電流波形Fig.8 Voltage and current waveforms acquired by Bluetooth

監控軟件由兩個后臺工作者線程和一個界面主線程組成。對數據接收來說，主線程的任務流程如圖6所示。首先進行系統初始化，包括窗口初始化、數據庫連接及相關初始化，然后建立焊接參數保存線程，界面顯示及串口初始化，監視采集參數的串口工作線程的創建；再通過消息驅動的方式，CSetParam屬性頁實時接收監視線程的采集數據，并把含有焊接工藝參數的串口消息傳遞給CMonitorParam屬性頁，后者負責處理串口數據，在主對話框中顯示異常報警信息，并實時完成參數曲線繪制，最后斷開數據庫連接，關閉線程。同時，主線程負責監控界面的顯示以及人機交互的任務。

圖6 焊接參數監控主線程Fig.6 Main thread in welding parameter monitoring software design

工作線程包括采集參數監控線程和保存線程。采集參數監視線程使用臨界區同步機制，防止破壞共享數據。焊接參數保存線程主要任務是把焊接參數插入數據庫，通過設置一個全局變量防止保存冗余數據。界面主線程通過使用共享數組繪制參數曲線，同時注意數據的一致性。這樣既能實時保存工藝參數，又使主線程具有良好的界面相應性能和數據處理能力，提高系統的可靠性和實時性。

3.3 數據庫設計

數據庫設計將直接影響焊接監控系統功能。數據庫明確地描述數據的相互關系，減小數據的冗余，壓縮數據存儲空間，使其使用和維護方便快捷，可以滿足無線焊機監控數據存儲與查詢的需要。

程序中利用SQL Server開發了關系型數據庫，針對焊接參數監控內容，創建數據庫UartData，建立焊接參數表PARAMETERS_TBL用于保存實時焊接工藝參數（見表1），另外創建預置參數表SET_TBL，用于保存焊接預置參數信息。采用ADO技術進行數據庫鏈接，首先初始化COM庫，引入ADO庫定義文件；然后用Connection對象鏈接數據庫；鏈接成功之后，利用Recordset對象取得結果記錄集進行查詢、處理；最后關閉鏈接釋放對象。

表1 焊接采集參數基本信息表Tab.1 The basic information table of welding parameter acquisition

3.4 藍牙4.0通信軟件設計

藍牙通信部分主要實現主從藍牙模塊間的無線通信以及它們與外圍設備的串口功能。采集焊接參數時，通過配置從機的profile，新建保存焊接參數的特征值，從機通過通知功能給主機發送采集數據，上位機通過向從機寫特征值功能發送焊接命令及預置參數。

藍牙協議棧采用分層結構，軟件的每一層都會建立對應的任務ID，都有相應的任務初始化函數及事件處理函數。藍牙模塊軟件結構由BLE協議棧，配置文件和所有的應用程序組成，都運行在操作系統抽象層（OSAL）之上，OSAL不斷對每層的任務進行輪詢，當某層有事件發生時，會調用對應的事件處理函數進行處理。通信軟件流程如圖7所示，首先，藍牙模塊、協議棧以及各層任務進行初始化，模塊間進行鏈接，鏈接參數的設置應保證通信速率較快和監控過程的穩定運行。任務有優先級之分，應用層優先級最低，從高優先級開始查詢，任務索引號n初始化為零，如果藍牙模塊接收到焊接采集數據或焊接命令，數據將從底層傳遞到應用層，調用應用層的事件處理函數，把數據通過集成到協議棧的串口回調函數發送給PC或DSP控制單元；如果藍牙模塊從DSP控制單元或PC獲得焊接參數或焊接命令，也會觸發相應的事件處理函數把參數數據包無線發送給另一藍牙模塊。

此外，考慮到實際要求，采用協議棧1.4.0實現無線通信，該協議棧新增加了一個并行處理能力，提高了通信的吞吐量并降低了電源損耗，協議棧還更新了UART_DMA的驅動，解決了串口速率過大時丟包問題，除此之外，串口數據可以通過回調方式進行處理，對比占用OSAL消息隊列方式，數據傳送更為及時。設計的通信軟件整體上保證了焊接參數傳輸的及時性和可靠性。

圖7 焊接參數及命令無線傳輸模塊軟件流程Fig.7 Module software flow chart about welding parameters and commands wireless transmission

4 系統測試

鑒于當前焊接電源工作電壓和電流頻率范圍，根據香農采樣定理，為了不失真地恢復信號，設置采樣頻率為1 kHz，試驗中對直流脈沖MIG焊進行焊接測試。程序中分別把采集到的焊接電流和焊接電壓按一定的比例放大后得到真實的工藝參數值，測試結果與實際參數基本一致。圖8為示波器采集到的電流電壓波形。實驗表明，焊接過程控制正常，所設計的PC機監控軟件基本達到預期要求。

5 結論

該研究采用基于MFC多線程程序設計方法，實現了功能豐富的焊接過程監控人機界面，并結合數據庫技術，有效解決數據存儲和處理問題；基于最新的藍牙4.0技術對藍牙模塊進行開發，通過傳輸焊接參數及命令通信協議，極大地提高了數據傳輸的抗干擾能力，完成PC機和數字化焊接電源控制系統穩定可靠無線通信。實驗證明，該監控系統能夠實現對焊接過程的控制和實時監測，與現有方案相比，具有低成本、低功耗、高可靠性等優點，更好地滿足了實際焊接需要，保障了焊接質量，促進現代焊接技術的智能化、網絡化發展。

圖8 示波器采集到工藝參數（CH1為電壓通道，CH2為電流通道）Fig.8 Process parameters acquired by oscilloscope（CH1 for voltage channel，CH2 for the current channel）

[1]張勇.基于LabView虛擬儀器的CO2焊接參數采集分析系統[J].焊接學報，2003，24（4）：43-46.

[2]胡家琨，高進強，武傳松.T形接頭機器人CO2焊接過程實時監控[J].焊接學報，2006，27（6）：79-82.

[3]李西恭，張云，朱燕從，等.基于藍牙技術的無線控制逆變焊機[J].電焊機，2009，39（2）：47-50.

[4]朱俊杰，楊成本.基于ZigBee技術的焊接電源群組化檢測系統設計[J].電焊機，2011，41（1）：24-27.

[5]曹彪，劉方，曾敏，等.逆變弧焊電源的遠程監控系統研究[J].電焊機，2008，38（5）：34-37.

[6]邱寶，郝小江.焊接系統中無線監控的設計與實現[J].電焊機，2012，42（10）：35-37.

Research on PC synchronous monitor system for digital welding machine based on Bluetooth 4.0

LI Bin，FENG Yuehai，WU Tongli
（Nanjing University of Science and Technology，School of Materials Science and Engineering，Nanjing 210094，China）

In order to promote the development of intelligent，networked welding technology，and implement the control of the process and real-time monitoring of welding parameters in a more convenient way，a kind of welding process monitoring system scheme based on Bluetooth 4.0 is put forward.The wireless data transmission is stable and reliable by custom welding parameter and command communication protocol and Bluetooth 4 protocol stack，PC software is developed on VS2010 MFC platform，by using the multi thread design method，it can not only make windows meet the response to a user action，but also let the GMAW parameters such as current and voltage timely processed.Functions of save，query，analysis of process parameters are achieved by SQL Server database.According to the test results，the system can control the welding process conveniently，and the real-time data acquisition，monitoring and preservation of the main parameters of the welding process are achieved，the system is stable as well.

welding quality；Bluetooth 4.0；user interface；wireless monitoring；database

TG446

：A

1001-2303（2015）09-0066-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.09.14

2014-12-20

李 賓（1988—），男，江蘇連云港人，在讀碩士，主要從事焊接過程控制自動化方面的研究工作。