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平行縫焊機控制系統(tǒng)的研制
摘要：論述了系統(tǒng)的組成原理和實現(xiàn)方法。充分利用上、下位機的性能特點，定制合理的通信協(xié)議，實現(xiàn)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(shè)備基本來自于美國和日本等國家，價格昂貴，因此使其變得國產(chǎn)化、價位低具有深遠的意義。
1 系統(tǒng)的主要組成與功能
系統(tǒng)由上位機（PC機）和下位機（單片機）兩部分組成，硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。
上位機（PC機）軟件采用可視化編程語言VB6.0開發(fā)，使用Mscomm控件完成PC機與單片機的數(shù)據(jù)通信，傳送控制信息、狀態(tài)信息和焊接參數(shù)；并利用VB6.0具有的對各種數(shù)據(jù)庫的操作能力實現(xiàn)焊接的人性化。下位機（單片機）通過串行接口接收PC機發(fā)送的命令，啟動工作程序，控制6個步進電機（其中x軸兩個、y軸1個、z軸兩個，旋轉(zhuǎn)θ軸1個），通過絲杠將電機的角位移轉(zhuǎn)換為線位移，帶動焊接電極按設(shè)計的軌跡運行，并實時向PC機傳送當前的運行狀態(tài)。系統(tǒng)的主要功能有：
①上位機實時監(jiān)視下位機的工作狀態(tài)，控制下位機的工作過程；設(shè)置下位機的工作參數(shù)，接收和發(fā)送數(shù)據(jù)信息、控制信息和狀態(tài)信息；記錄歷史芯片的焊接參數(shù)。系統(tǒng)在重新上電時，將最新的焊接參數(shù)作為本次焊接參數(shù)的默認值；進行數(shù)據(jù)處理并顯示數(shù)據(jù)和工作狀態(tài)，指導(dǎo)操作過程；
②下位機控制6個步進電機的轉(zhuǎn)動，最終控制焊接電極的移動；控制焊接功率的大小并實現(xiàn)間歇控制；實現(xiàn)焊接電極的微調(diào)。
③系統(tǒng)的各焊接軸方向精度不得低于0.1mm。
圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖
2 系統(tǒng)資源利用及通信機理
2.1 系統(tǒng)資源的利用
為充分利用PC機強大的數(shù)據(jù)處理能力、海量的存儲空間，有效地發(fā)揮單片機數(shù)據(jù)存儲器的作用，必須合理地分配系統(tǒng)資源。具體做法之一是PC機在發(fā)送焊接數(shù)據(jù)時，將其以浮點數(shù)存儲的焊接參數(shù)根據(jù)步進電機的步角和絲杠比轉(zhuǎn)換為脈沖數(shù)發(fā)送給單片機；二是當脈沖數(shù)占用的位數(shù)略大于單字節(jié)整數(shù)倍N位時，在滿足精度要求的前提下有：發(fā)送的數(shù)據(jù)=原數(shù)據(jù)/2n，這時對發(fā)送數(shù)據(jù)取整，單片機接收到該整數(shù)數(shù)據(jù)后，左移N位便可恢復(fù)真實數(shù)據(jù)。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(tǒng)通信協(xié)議
波特率設(shè)置為4800bps；數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)設(shè)置為：起始位1bit，數(shù)據(jù)位8bit，停止位1bit。
PC機向單片機發(fā)送的信息包包括數(shù)據(jù)信息包和控制信息包。數(shù)據(jù)信息包括結(jié)構(gòu)為：以“S”字符開頭，其后為22字節(jié)的16進制數(shù)。發(fā)送時按ASCII碼格式（文本格式）發(fā)送，實際發(fā)送44個ASCII碼。下位機正確收到后，向PC機發(fā)“K”作為確認應(yīng)答信號。若在規(guī)定的時間內(nèi)，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ASCII碼的包長度，以免系統(tǒng)誤動�？刂菩畔Y(jié)構(gòu)為：以大寫“O”開始，其后為單字節(jié)16進制數(shù)的控制字，實際發(fā)送兩個字節(jié)ASCII碼，也是以“K”作為應(yīng)答信號，采用等比碼3/8。發(fā)送時高位在前，低位在后。
PC機從單片機接收的信息包括結(jié)構(gòu)的主要內(nèi)容為數(shù)據(jù)信息和狀態(tài)信號，且數(shù)據(jù)信息和狀態(tài)信息被同時發(fā)送。該信息以“S”開關(guān)，其后為32個1位16進制數(shù)的ASCII碼，以“K”作為結(jié)束信號。若PC機收到單片機發(fā)來的完整信息包，則有屏幕提示，指示用戶進行操作。
以上的信息由雙字節(jié)數(shù)、單字節(jié)數(shù)混合構(gòu)成，信息包的頭與尾均采用非十六進制的ASCII碼字符，以示區(qū)分。接收方則按照協(xié)議雙方規(guī)定的算法進行解包，發(fā)送方按照雙方規(guī)定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組包。
3 下位機的主要組成模塊及設(shè)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(zhuǎn)換功能而變得較為簡單，免去了一般芯片使用±12V～15V電壓帶來的麻煩，而且與PC機的連接方式是最為簡單的，不需要進行硬握手，大量的工作都由軟件完成。
其主要程序設(shè)計方法如下：
①下位機接收PC機發(fā)送的數(shù)據(jù)包，以中斷方式（且設(shè)置為高級中斷）來接收，以滿足通信的實時性要求。這里僅是觸發(fā)接收中斷服務(wù)程序的執(zhí)行并且接收首字節(jié)，一旦進入該中斷程序后，就用程序查詢的方法來接收剩余的字節(jié)。接收標志RI是硬件置位、軟件復(fù)位的，數(shù)據(jù)后，接協(xié)議規(guī)定對數(shù)據(jù)進行解碼和驗證，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(jù)程序工作過程的需要而調(diào)用的。在調(diào)用過程中為保證程序邏輯清晰性，使CPU關(guān)中斷，利用程序查詢發(fā)送標志TI（TI的使用同RI相似），按協(xié)議要求進行數(shù)據(jù)變換并發(fā)送完整個信息包，再使CPU開中斷，整個程序執(zhí)行完畢。
3.2 步進電機控制模塊
步進電機是機電一體化產(chǎn)品中重要的執(zhí)行元件之一。對于三相反應(yīng)式步進電機，其工作方式分為兩種。本系統(tǒng)選用三相單、雙六拍通電方式，這種方式不容易失步，在轉(zhuǎn)子平衡位置附近不易產(chǎn)生振蕩，運行的穩(wěn)定性較好，而且控制的精度也提高了一倍，為使步進電機的運行更平穩(wěn)，控制精度更高，系統(tǒng)采用了具有細分的步進電機驅(qū)動器來控制。步進電機的轉(zhuǎn)速取決于步進脈沖序列的頻率。其硬件接口電路如圖2所示。圖中只是X軸左側(cè)步進電機的連接示意圖，其余電機的連接方式與圖中相似，但使用8155A其它的引腳。步進電機驅(qū)動器的CP 和CP-是步進脈沖輸入端，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(tǒng)未使用），且各具有光電隔離電路，有利于實現(xiàn)系統(tǒng)工作的安全性和可靠性，連線采用共陽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為電源接線端，
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