電子束監控系統設計

辛冉 劉強

摘 要：電子束焊接是一種先進、成熟的高能束焊接技術，它具有抗氧化強、避免有害氣體侵入及焊接零件變形小等優點，設計其監控系統具有重要意義。本課題采用Z-turn Board核心板開發上位機，下位機采用STM32F103VC芯片，自主設計硬件電路，從而實現數據采集、CAN通信等功能，通過CAN網絡實現上位機與下位機之間的實時通信，進而實現上位機對柵偏電壓、燈絲電流、高壓和束流的實時監控，本課題在Z-turn board核心板上運行Linux操作系統，系統安全穩定，可靠性強，上位機人機界面使用qt軟件繪制而成。

關鍵詞：電子束焊接，Z-turn Board，CAN，Linux

0 引言

電子束焊接是通過電子槍中陰極產生電子，在陰陽極之間的高壓電場使電子被加速到很高的速度，電子經過必要的磁透鏡聚焦后，形成高速電子流，通過撞擊將電子的動能轉化成要焊接物體的熱能，要焊接的物體獲得高熱能而迅速融化，過一段時間后會形成焊接縫隙。電子束焊接具有傳統焊接方法難以比擬的優勢和特殊功能：焊接能量密度高，容易實現金屬材料的深熔透焊接，焊縫窄、深寬比大、焊縫熱影響區小、焊接工藝參數容易精確控制、重復性和穩定性好[1]，

所以電子束焊接基本上代表了目前最高性能的焊接水平[2]。本課題即研究對電子束在焊接過程中柵偏電壓、燈絲電流、高壓以及束流的實時監控。

1 總體設計

1.1總體設計概要

本課題主要研究內容包括如下：下位機對電子束焊機的柵偏電壓、燈絲電流、高壓、束流的數據采集，上位機和下位機之間通過控制器局域網絡（簡稱CAN）實現將下位機采集到的數據傳輸到上位機，以及上位機顯示界面的設計和對采集的數據的顯示。

1.2下位機方案選擇

嵌入式：嵌入式運算速度快，處理能力強，而且嵌入式相對于PLC與主機的通訊更簡單方便，相對于PLC性價比更高，目前嵌入式已廣泛應用于各類家電器件、路由器及手機等領域。本方案選擇性價比更高，目前已廣泛應用的嵌入式作為本課題的下位機。

1.3上位機方案選擇

Linux：具有眾多優點：Linux操作系統是開源的，而且內核很小，可以滿足嵌入式的較低的處理能力，此外Linux加入了RT-Linux，這使得它具有實時能力。最后，Linux系統可以設置目錄和檔案的權限，大大的提高了系統的安全性。由于Linux有眾多優點，已經有越來越多的廠商進入這一領域[3]。鑒于此，本課題選擇Linux系統。

2基于STM32下位機軟硬件設計

2.1 基于STM32數據采集系統硬件設計

2.1.1 CPU最小系統

此次選用了STM32F103VCT6芯片作為主控芯片。

2.1.2電源電路

根據系統工作的需要，將5V電源通過LM1117-3.3芯片整流成3.3V，給stm32f103VC芯片供電。

2.1.3 一鍵下載電路

為了保證后續開發的便捷性，控制板中還設計了USB供電及一鍵下載電路。可以直接將編譯好的HEX文件燒錄到單片機中，大大增加了開發的便捷性。

2.1.4 EEPROM電路

為了使系統能夠連續工作，必須把一些重要的數據保存下來，當系統因出現故障或掉電不得不重新啟動時，系統能夠按照掉電或故障出現之前的設定狀態繼續運行。本課題選擇外擴一個AT24C256串行EEPROM芯片來保存數據。

2.1.5 信號調理電路

圖1中RT2是壓敏電阻，它的作用是當電壓過高時吸收多余的電流以保護敏感器件。MMBD4148SE結構圖，它內部是兩個方向相反的二極管，圖2信號調理電路圖可知1端接地，2端接電源3.3V，3端接A2，當3端電壓太大或太小時可以穩定電壓，起到保護電路的目的。

2.1.6 通信電路

VP230是一個 CAN總線的收發芯片，用VP230設計的CAN收發器能夠以1 Mbps的速度向CAN控制器提供總線和差分接收能力。

232接口： 接口使用一根信號線和一根信號返回線而構成共地的傳輸形式，容易產生共模干擾，所以抗噪聲干擾性弱。

485接口：接口信號電平比RS-232降低了，就不易損壞接口電路的芯片，且該電平與TTL電平兼容，可方便與TTL 電路連接。采用平衡驅動器和差分接收器的組合，抗共模干能力增強，即抗噪聲干擾性好。

2.2 下位機程序設計

下位機程序設計：

下位機采用stm32103VC芯片，下位機程序設計包括系統初始化，ADC采樣模塊，定時器中斷模塊以及CAN通信模塊。

系統初始化包括GPIO初始化、定時器周期的設置、CAN通信的初始化。

ADC模塊：需要使能對應AD時鐘，設置ADC的分頻因子，因為要采集柵偏電壓、燈絲電流、高壓和束流共四路AD，所以設置AD轉換模式為多通道模式，設置AD轉換為軟件觸發啟動，并使能AD采樣。

定時器中斷模塊：使能定時器時鐘，初始化定時器，設置中斷優先級，并使能定時器。在定時器中斷中采樣。

CAN通信模塊：CAN模塊有兩個功能，一個是接收上位機傳輸的數據，并判斷出所傳數據是柵偏、燈絲、高壓和束流的開通與關斷或設定值；二是將AD采集數據發送到上位機并顯示在界面上。

將AD采樣值賦值給ad_data_float[4]，通過for循環將采樣值乘以100；程序如下：

for（i=0；i<4；i=i+1）{ ad_data_100[i]=ad_data_float[i]*100；

}

然后每個采樣值占兩個字節，分別賦值給send_str[i]與send_str[i+1]，程序如下：

for（i=0；i<8；i=i+2）{ send_str[i]=ad_data_100[i/2]/100；

send_str[i+1]=ad_data_100[i/2]%100；

}

將send_str[8]字符串發送到上位機，上位機接收到字符串后處理，最后將數據轉換成QString型才能顯示在顯示界面上。

3上位機程序設計

3.1 Linux操作系統介紹

Linux操作系統有很多優點，首先Linux是開源的，相當于全世界的人共同維護這個系統，可以及時的發現并彌補漏洞[4]；第二，Linux下的軟件很多都是開源的，所以使用Linux只需要花少量的錢或不花錢；第三，Linux非常穩定可靠，Linux系統有很多概念都是繼承自Unix系統[5]，當然也繼承了Unix的穩定可靠；第四，Linux支持多人多任務，而Windows是單人多任務，多人多任務比單人多任務的優越性在于多人多任務更有利于團隊合作；第五，因為多人多任務，所以目錄和檔案都有權限，以保證數據的安全性。

3.2 qt開發環境的搭建

Qt是一個用于開發圖形界面的軟件，它采用C和C++語言來開發界面。Qt開發出來的界面很漂亮，目前它的應用范圍很廣泛，現在很多安卓手機上的圖片都是用Qt開發出來的。

直接在qt中配置交叉編譯器和QtEmbedded-4.8.5-arm，配置完后即可編譯出可在Z-turn Board核心板上執行的二進制代碼。寫一個qt程序，用交叉編譯器編譯后，拷到核心板中，執行此文件，qt交叉編譯環境安裝成功。

3.3 Z-turn Board 介紹

3.3.1 CPU電路部分及性能

ZYNQ簡介：

ZYNQ-7000 AP SOC 系列芯片的架構較為復雜，它是以處理器系統為核心的高價值應用架構，此時PL部分為PS的可擴展單元，它既可以配合PS完成一些外部邏輯的處理，也可以利用PL部分并行、硬件處理的特點，構成PS中算法的一個外部協處理單元，形成一個強大的算法加速器[6]。

ZYNQ-7000 AP SOC完整開發流程：

硬件平臺設計： Xilinx工具組提供的開發環境Vivado和PlanAhead可幫助用戶快速構建硬件平臺。在構建硬件平臺的過程中，用戶有時需要定制專用的IP核。

軟件設計：完成硬件平臺設計后，將硬件配置文件導入SDK開發環境中，就可以進行軟件的編程、調試等開發過程了。

配置文件下載：將硬件平臺設計過程中的硬件比特流文件與軟件設計產生的可執行文件進行合并，下載到配置存儲器中即完成了開發的最后一步。

3.3.2 CAN通信

CAN有兩個標準化的串行通信協議，分別是ISO11898和ISO11519。ISO11898傳輸速度在125Kbps到1Mbps之間，傳輸速度較快，但傳輸距離較近，一般在40m之內，才能獲得較快的速度，相比之下ISO11519傳輸速度低于125bps，傳輸速度較慢，但適用于長距離傳輸，最大傳輸距離可以達到10Km長，優點是傳輸距離較長。

CAN可以同時連接多個單元，可以給這些單元設置優先級。CAN采用郵箱的方式傳輸數據，在把主機/從機接收數據之前已經校驗完畢，所以這使得CAN幾乎不會有傳輸錯誤。

CAN 總線在同一時間可以連接很多個單元的總線。同時可連接設備的個數受到總線上的時間延遲及電氣負載以及對傳輸速度的要求的限制。當需要比較高的傳輸速率時，同時可連接的單元的設備就不能那么多，如果傳輸速率較低時，就允許連接更多的設備了。

4實驗結果

通過上述研究，本課題已經實現了以下設計目標：

1. 實現了stm32對電子束焊機柵偏電壓、燈絲電流、高壓和束流的采集。

2. 完成了上位機與下位機之間的CAN通信。

3. 用Qt軟件實現了上位機的顯示界面。

參考文獻：

[1]馬正斌，劉金合，盧施宇，王世清.電子束焊接技術研究及進展[J].電焊機，2012.04，42（4）：93-96.