摘 要： 以USB型單片機C8051F320為采集系統(tǒng)硬件控制核心，構筑兼容USB2.0總線協(xié)議的焊接參數(shù)實時高速采集虛擬檢測分析系統(tǒng)，為焊接生產(chǎn)、試驗提供一套評價焊接工藝、預測焊接質(zhì)量的高效虛擬檢測分析系統(tǒng)，并可與數(shù)字化焊機結合實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)集成，實現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)字化。
關鍵詞： USB； 單片機； PC機； 電弧焊； LabView
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弧焊過程是一種受多種參數(shù)制約，而且又受許多隨機干擾因素影響的復雜的工藝過程。要實現(xiàn)弧焊過程所有質(zhì)量的實時傳感與控制是很復雜的問題。至今，人們也還無法對焊接過程在線實時地直接檢測和控制直接焊接質(zhì)量，而只是利用焊接人員的感官或現(xiàn)有的傳感技術，對一些與直接焊接質(zhì)量有關的間接焊接質(zhì)量，在焊接過程中進行在線和實時地檢測和控制。這種間接焊接質(zhì)量雖然不能直接說明焊接接頭的使用性能，但它們卻在一定程度上決定著某些直接焊接質(zhì)量或者與直接焊接質(zhì)量存在著定量關系[1]。由電弧理論和對飛濺問題的研究分析可知，CO2短路過渡焊接過程的電弧電壓和焊接電流信號中蘊藏了豐富的電弧信息，飛濺的產(chǎn)生和其他與焊接質(zhì)量有關的信息就蘊藏在電弧電壓和焊接電流的波動中。建立基于計算機的在線檢測及分析系統(tǒng)后，通過實時采集焊接過程的電流、電壓信號并經(jīng)過一定的信號處理和相關的分析，可以客觀地監(jiān)控焊接過程的狀態(tài)和行為，及時地檢測出焊接過程中的干擾或誤差信號，實現(xiàn)對焊接質(zhì)量的檢測和評估，并為全面評價焊接過程工藝，分析缺陷產(chǎn)生的原因提供重要的客觀依據(jù)。
1 基于USB總線的系統(tǒng)建立
1.1 系統(tǒng)的整體結構
目前國內(nèi)外應用于焊接過程信號檢測的測試系統(tǒng)均為插入板卡式[2]，尚無將USB總線技術應用于焊接過程信號檢測數(shù)據(jù)通信的公開報道。而USB總線技術是未來測控領域發(fā)展的方向，其與高性能單片機技術的結合可兼顧單片機的實時性、靈活性與PC機功能強大的優(yōu)點，從而完成在焊接過程信號檢測的大數(shù)據(jù)量采集和高速傳輸。故本系統(tǒng)采用基于USB總路線的基于LabView的弧焊電參數(shù)虛擬檢測的分析系統(tǒng)。其系統(tǒng)整體結構如圖1所示。
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該系統(tǒng)主要是以美國Cygnal公司的USB型單片機C8051F320為硬件控制核心，構建弧焊電參數(shù)實時采集系統(tǒng)，結合USB總線技術，實現(xiàn)USB型單片機與虛擬儀器開發(fā)平臺LabView的數(shù)據(jù)通信，在此基礎上開發(fā)虛擬儀器軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)對弧焊過程焊接電流、電弧電壓信號的在線監(jiān)測和自動記錄，并重點對采集信號提取各種特征信息進行分析，最終達到對弧焊品質(zhì)、電焊機性能、焊接材料等方面的評估。
1.2 基于USB型單片機C8051F320的固件程序的開發(fā)
USB設備的固件程序設計主要完成兩個基本功能：數(shù)據(jù)采集功能和滿足USB傳輸協(xié)議的功能[3]。
主程序流程圖如圖2所示，主要完成對時鐘、數(shù)字交叉開關、USB控制器、定時器、A/D轉(zhuǎn)換模塊的初始化設置，以及調(diào)用事件處理子程序。采用中斷方式，基于定時器2的溢出中斷頻率對兩路模擬信號進行采集，采樣頻率設置為20kHz，以滿足采樣定理要求。通過設置特殊功能寄存器P2MDIN(端口2輸入方式寄存器)，配置P2.4、P2.5為模擬輸入模式；通過設置特殊功能寄存器P2SKIP(端口2跳過寄存器)，使P2.2、P2.3、P2.4、P2.5被數(shù)字交叉開關編碼器跳過，避免與被使用的其他數(shù)字資源沖突。
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中斷采集基于定時器2的溢出頻率，當定時器2產(chǎn)生溢出中斷時，C8051F320芯片內(nèi)部對某一端口輸入的模擬信號進行A/D轉(zhuǎn)換。當轉(zhuǎn)換任務完成，同樣會產(chǎn)生一個中斷，即A/D轉(zhuǎn)換完成中斷，在該中斷服務子程序中進行端口的替換，以及A/D轉(zhuǎn)換后放在A/D轉(zhuǎn)換模塊特殊功能寄存器ADC0H和ADC0L中的數(shù)據(jù)向單片機數(shù)據(jù)存儲器RAM的傳輸。
1.3 USB驅(qū)動程序設計
USB設備驅(qū)動程序的作用是使計算機能夠識別出自行設計的數(shù)據(jù)系統(tǒng)，并訪問設備的接口[4]。它包含了.inf和.sys兩個文件設計。.inf文件的作用是在計算機發(fā)現(xiàn)一個新的USB系統(tǒng)時，通過它尋找相應的驅(qū)動程序(.sys)加以加載。設備驅(qū)動程序（.sys）通常在計算機內(nèi)核運行，可以使應用程序通過它來訪問硬件設備。外部數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)只需通過單片機ROM存儲的特定的VID/PID（廠商ID/產(chǎn)品ID）來與驅(qū)動程序相關聯(lián)。
本文采用NI公司提供的VISA(Virtual Instrument Software Architecture)軟件包來生成USB驅(qū)動程序，實現(xiàn)對USB設備的控制。VISA是一個用來與各種儀器總線進行通信的高級應用編程接口(API)，它不受平臺、總線和環(huán)境的限制。換言之，與USB設備進行通信的程序，無論是在運行Windows2000的機器上用LabView開發(fā)出來的，還是在運行Mac OS X的機器上用C語言編寫的，都可以使用同一個API。
2 系統(tǒng)實現(xiàn)的主要功能
本軟件系統(tǒng)實現(xiàn)的功能有數(shù)據(jù)采集、回放、存儲及打印輸出，同時還具有時域分析、頻域分析、統(tǒng)計分析等模塊。系統(tǒng)的軟件整體架構框圖如圖3所示。本文重點介紹小波分析和弧焊質(zhì)量評估兩上模塊。
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2.1 弧焊過程電信號的小波消噪與奇異性提取
小波分析是目前信號分析中一種十分有用的時頻局部化分析方法[5-6]。小波（Wavelet）即小區(qū)域的波，是一種特殊的長度有限、平均值為0的波形。小波具有以下三個性質(zhì)：
??? (1) 對稱性。從視覺的角度而言，人們對不對稱的誤差比對稱性的誤差更敏感。
?? ?(2) 正交性。正交性能有效地去除信號的相關性。
?? ?(3) 緊支撐。在實際的應用中，希望獲得有限長濾波器，因為有限長濾波器便于計算與實現(xiàn)，并且可以避免無限長濾波器因截斷而帶來的系統(tǒng)誤差，這就要求濾波是緊支撐的。
??? 傅里葉分析是將信號分解成一系列不同頻率的正弦波的疊加，而小波分析是將信號分解成一系列小波函數(shù)的疊加，而這些小波函數(shù)都是由一個母小波函數(shù)經(jīng)過平移與尺度伸縮得來的。現(xiàn)有小波理論與實踐證明，用不規(guī)則的小波函數(shù)來逼近尖銳變化的信號要比光滑的正弦曲線要好，信號局部的奇異性用小波函數(shù)來逼近顯然要比用光滑的正弦函數(shù)來逼近要好。
小波分析的重要應用之一就是用于信號消噪。焊接過程信號消噪，就是要除去信號中的高頻干擾部分，保留低頻部分，而且又不丟失有用的高頻特征信息。
信號和噪聲具有不同的奇異性[7]，對于信號的奇異性，往往用Lipschitz a指數(shù)來衡量。對于連續(xù)的函數(shù)，其Lipschitz為正，滿足0
基數(shù)B——樣條雙正交小波Bior2.4，Bior2.4小波重構尺度、小波函數(shù)有2階消失矩，分解尺度、小波函數(shù)有4階消失矩，它們是緊支撐的且有明確的解析表達式，焊接電流及其在尺度24、25、26時的小波變換細節(jié)部分如圖5所示。如圖中小波變換細節(jié)部分dn5波形中方框所示，與信號奇異點相應的小波函數(shù)支撐域中最大的模極大值較好地檢測了信號的局部奇異性，并且可以作為信號的特征提取出來。至此可以得到如下結論：對于熔滴短路過渡CO2氣體保護焊的電流信號，應用雙正交小波Bior2.4在尺度25時，可以由細節(jié)部分的模極大值較好地檢測信號的局部奇異性，并可將其作為信號的信息特征提取出來。
2.2 人工神經(jīng)網(wǎng)絡評定弧焊質(zhì)量
??? 人工神經(jīng)網(wǎng)絡ANN(Artificial Neural Networks)，是基于模仿人類生物大腦的結構和功能而構成的一種信息處理系統(tǒng)，由大量高度互聯(lián)的簡單處理單元組成[8]。這種簡單的處理單元稱為神經(jīng)元。焊接過程是一個高度非線性、多變量耦合作用，同時具有大量隨機不確定因素的復雜過程。這種復雜性決定了其數(shù)學模型建立的困難性，而神經(jīng)網(wǎng)絡則可在不做任何假設的情況下對過程建模及控制[9]。針對CO2短路過渡焊，利用MATLAB提供的神經(jīng)網(wǎng)絡工具箱，采用BP網(wǎng)絡建立焊接過程統(tǒng)計參數(shù)和質(zhì)量等級參數(shù)L之間的關系模型，即用6個評價參數(shù)P1、P2、P3、P4、P5、P6為神經(jīng)網(wǎng)絡的輸入層，以質(zhì)量等級參數(shù)L為神經(jīng)網(wǎng)絡的輸出層，構造一個三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡。若用一定試驗數(shù)據(jù)作為訓練樣本，對網(wǎng)絡進行訓練，然后把待評估的焊接試驗樣本輸入訓練好的網(wǎng)絡，就可得到網(wǎng)絡估測的焊接質(zhì)量參數(shù)L。輸出的質(zhì)量參數(shù)L可以作為焊接質(zhì)量評估的指標，對于實際生產(chǎn)有一定指導意義。
本文基于USB總線技術所開發(fā)的針對CO2焊接電參數(shù)檢測的C8051F320高速SOC虛擬儀器檢測分析系統(tǒng)，將USB總線技術成功應用于焊接過程的信號檢測，實現(xiàn)了對焊接過程的大數(shù)據(jù)量采集和高速實時數(shù)據(jù)傳輸通信，具有一定的開創(chuàng)性；成功實現(xiàn)了Cygnal公司的USB型單片機C8051F320與LabView軟件開發(fā)平臺的數(shù)據(jù)通信；開發(fā)的USB接口硬件采集設備可熱插拔、即插即用、使用便捷，大大方便了傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集卡；開發(fā)的客戶端高級應用程序界面逼真于傳統(tǒng)硬件儀器界面，操作簡便，可滿足實際焊接生產(chǎn)中長時間、不間斷的實時監(jiān)測和記錄焊接工藝參數(shù)的需要；具備多種焊接數(shù)據(jù)分析功能：瞬時U-I圖、小波消噪、小波分析提取焊接過程特征信息、電弧電壓概率密度分布圖、焊接電流概率密度分布圖、短路時間頻數(shù)圖、燃弧時間頻數(shù)圖、特征參數(shù)統(tǒng)計、神經(jīng)網(wǎng)絡評定焊接質(zhì)量，可基本滿足對弧焊過程分析的需求，對焊接生產(chǎn)具有一定指導意義。
參考文獻
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