楊 輝，俞子榮，陳黎娟，蔡鵬翔

(南昌航空大學(xué)信息工程學(xué)院，江西 南昌 330063)

0 引言

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外航空航天、國(guó)防和汽車工業(yè)等行業(yè)對(duì)大型、精密、薄壁、復(fù)雜、優(yōu)質(zhì)高強(qiáng)度鋁合金鑄件的需求量增加，反重力鑄造作為能滿足上述生產(chǎn)需要的先進(jìn)鑄造成型工藝，日益受到鑄造界的關(guān)注，在世界各國(guó)得到普遍應(yīng)用［1］。在反重力鑄造過(guò)程中，金屬液的充型過(guò)程對(duì)鑄件的質(zhì)量有著很關(guān)鍵的影響。目前國(guó)內(nèi)外有各種各樣的方法對(duì)鑄造充型過(guò)程進(jìn)行研究，如水力模擬實(shí)驗(yàn)法［3］、X 射線熒光顯示［3］、耐熱玻璃窗法［2］，這些方法可以對(duì)鑄造充型過(guò)程進(jìn)行宏觀的顯示，但是由于測(cè)試條件或?qū)嶒?yàn)環(huán)境與實(shí)際情況存在差異，造成實(shí)驗(yàn)結(jié)果并不精確，而且這些方法無(wú)法對(duì)反重力鑄造充型過(guò)程中金屬液流場(chǎng)的壓力與溫度變化趨勢(shì)進(jìn)行分析。本文基于上述原因，設(shè)計(jì)以USB 2.0為通信接口的反重力鑄造充型測(cè)試系統(tǒng)，本系統(tǒng)以USB 2.0通信芯片CY7C68013A作為主控制器，利用USB的高速傳輸，實(shí)現(xiàn)反重力鑄造中鑄件充型過(guò)程測(cè)試的實(shí)時(shí)性與精確性，具有很好的實(shí)用前景。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

反重力鑄造充型過(guò)程測(cè)試系統(tǒng)采用熱電偶測(cè)溫法來(lái)描述金屬液的充填順序，可以詳細(xì)記錄各測(cè)試點(diǎn)的溫度變化，得到金屬液在型腔中各點(diǎn)的充填順序。系統(tǒng)主要由邏輯控制模塊、信號(hào)采集模塊和上位機(jī)PC組成。其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。邏輯控制模塊為本系統(tǒng)的核心模塊，以支持USB 2.0高速傳輸?shù)腅ZUSB FX2系列器件CY7C68013A為核心芯片，控制A/D轉(zhuǎn)換和讀入A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，并控制FIFO的讀寫，與主機(jī)之間的通信和數(shù)據(jù)傳輸。Cypress公司的EZ－USB FX2是一款集成USB 2.0的微處理器，它的全速傳輸速率為12Mb/s，高速傳輸速率為480Mb/s，芯片結(jié)構(gòu)為包括增強(qiáng)型的8051處理器、USB 2.0收發(fā)器、串行接口引擎(SIE)、16kB的RAM、4kB的FIFO存儲(chǔ)器、可編程的外圍接口等豐富的資源。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

對(duì)USB芯片CY7C68013A的合理設(shè)計(jì)，充分利用芯片內(nèi)部的豐富資源，搭建外圍數(shù)據(jù)采集電路，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速采樣與快速傳輸。在系統(tǒng)中，USB設(shè)備與主機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸方式采用塊傳輸(BULK Transfer)的方式。設(shè)計(jì)中EZ-USB FX2(CY7C68013A)的通信工作模式選用端口模式。充分利用EZ-USB FX2內(nèi)部資源，將其內(nèi)部FIFO存儲(chǔ)器作為數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，在數(shù)據(jù)存滿時(shí)，由芯片內(nèi)的USB引擎打包，將數(shù)據(jù)傳送至PC機(jī)，用戶應(yīng)用程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)顯示并進(jìn)一步處理。

1.2 外圍信號(hào)采集外圍電路

圖2 溫度采集電路

系統(tǒng)需要采集的信號(hào)有壓力和溫度。對(duì)溫度的采集，是對(duì)鑄造過(guò)程金屬液充型過(guò)程與凝固過(guò)程中的溫度變化進(jìn)行測(cè)試，溫度檢測(cè)主要是通過(guò)溫度傳感器將溫度的變化轉(zhuǎn)化成電信號(hào)的變化，經(jīng)過(guò)信號(hào)采集電路處理得出精確的溫度變化。溫度傳感器選擇K型熱電偶(0～1300℃)作為輸入通道的最前端，將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器進(jìn)行信號(hào)放大，送至經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器MAX197轉(zhuǎn)化處理，再由微處理器送至PC機(jī)上進(jìn)行顯示。溫度采集電路如圖2所示。另外，根據(jù)K型熱電偶的測(cè)溫原理，冷端溫度不是標(biāo)準(zhǔn)參考零點(diǎn)，需進(jìn)行冷端補(bǔ)償，通過(guò)測(cè)量冷端溫度，將數(shù)據(jù)送入PC采用軟件方法進(jìn)行補(bǔ)償。

對(duì)上下氣罐壓力的測(cè)試是確定進(jìn)行溫度采集的時(shí)間，當(dāng)反重力鑄造系統(tǒng)上下鑄罐壓力達(dá)到一定壓差時(shí)，金屬液進(jìn)入型腔，開始進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的采集。壓力傳感器采用型號(hào)為JYB-K0-KAA的壓力傳感器，其壓力范圍0～1.0MPa，壓力類型為絕壓，輸出方式為4mA～20mA電流。由于壓力傳感器測(cè)得的是電流信號(hào)，壓力傳感器將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為4mA～20mA電流信號(hào)輸入，因此在信號(hào)調(diào)理階段，需要將電流信號(hào)轉(zhuǎn)成電壓信號(hào)。采用美國(guó)RURR－BROWN公司生產(chǎn)的精密電流環(huán)接收器芯片RCV420，可將4mV～20mV輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成為0～5V輸出信號(hào)，然后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換送微處理器，由USB接口送 PC上進(jìn)行顯示與分析。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件主要包括3個(gè)部分:USB設(shè)備端的主控制器的固件程序、PC端USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和用戶應(yīng)用程序。

2.1 固件程序設(shè)計(jì)

固件是指運(yùn)行在芯片CY7C68013A內(nèi)的程序，其主要功能是:初始化工作，完成設(shè)備的重新枚舉過(guò)程，各種USB標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求的處理，以及實(shí)現(xiàn)主機(jī)與外設(shè)之間的通信和數(shù)據(jù)傳輸。在使用EZ-USB FX2芯片進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)時(shí)，可以采用Cypress公司提供的固件框架和固件函數(shù)庫(kù)，用戶可以很方便地對(duì)芯片進(jìn)行使用，進(jìn)一步加快USB外設(shè)固件程序的開發(fā)，提高用戶開發(fā)的效率［4］。

設(shè)計(jì)中采用現(xiàn)成的固件程序框架函數(shù)來(lái)編寫固件程序，根據(jù)所要完成的功能需求，在對(duì)應(yīng)的功能函數(shù)中編寫相應(yīng)的代碼，來(lái)達(dá)到特定的目的，其中基本的固件程序框架函數(shù)有:

在系統(tǒng)上電啟動(dòng)后，系統(tǒng)會(huì)對(duì)用到的變量進(jìn)行定義和初始化，即初始化狀態(tài)變量，然后調(diào)用用戶初始化函數(shù)TD_init()和打開中斷，主機(jī)在延時(shí)1秒的時(shí)間內(nèi)開始不斷地重新枚舉USB設(shè)備，一直到接收到setup令牌包，重枚舉結(jié)束，再進(jìn)入循環(huán)語(yǔ)句，調(diào)用用戶函數(shù)TD_Poll()。固件程序流程如圖3所示。

圖3 固件程序流程圖

2.2 USB驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

USB驅(qū)動(dòng)程序?qū)賅DM(Windows Drives Mode)驅(qū)動(dòng)程序模型，在USB通信中采用了分層驅(qū)動(dòng)程序模型，每一層的驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)處理一部分的USB通信任務(wù)，USB驅(qū)動(dòng)程序?qū)哟误w系結(jié)構(gòu)如圖4所示。USB系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序主要包括:USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、USB主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)程序(HCD)和USB總線驅(qū)動(dòng)程序(USBD)。在上述的模塊中，Windows操作系統(tǒng)中提供了USB總線驅(qū)動(dòng)和USB主控制器驅(qū)動(dòng)程序，設(shè)計(jì)開發(fā)中重點(diǎn)對(duì)USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行編寫。USB設(shè)備的WDM驅(qū)動(dòng)程序是通過(guò)創(chuàng)建URB(USB Request Block)，同時(shí)發(fā)送URB的IRP(I/O Request Packet)至USB總線驅(qū)動(dòng)程序，這樣可以實(shí)現(xiàn)對(duì)USB設(shè)備信息的發(fā)送和接收。設(shè)計(jì)中使用了Cypress公司提供的通用驅(qū)動(dòng)程序。

設(shè)備只要加載Cypress公司提供的通用驅(qū)動(dòng)程序，就能正常運(yùn)行。主機(jī)通過(guò)識(shí)別USB設(shè)備的VID和PID，能正確加載USB驅(qū)動(dòng)程序，使設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序能夠正確運(yùn)行［4］。

圖4 USB驅(qū)動(dòng)程序體系結(jié)構(gòu)

2.3 用戶應(yīng)用程序

用戶應(yīng)用程序是系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的重要部分，它主要完成以下幾個(gè)任務(wù):啟動(dòng)設(shè)備、檢測(cè)設(shè)備是否連接、開始和結(jié)束數(shù)據(jù)采集、上傳采集數(shù)據(jù)包、存儲(chǔ)和顯示數(shù)據(jù)。應(yīng)用程序流程如圖5所示。

圖5 應(yīng)用程序流程圖

芯片CY7C68013A內(nèi)部含有FIFO存儲(chǔ)器，采集的數(shù)據(jù)放在FIFO中，當(dāng)存儲(chǔ)器存滿后，將由USB引擎打包，并發(fā)送讀取數(shù)據(jù)消息，快速將數(shù)據(jù)包傳輸至上位機(jī)。另外，為了保證傳輸數(shù)據(jù)和顯示數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和精確性，避免死機(jī)現(xiàn)象，設(shè)計(jì)中采用了多線程技術(shù)。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)A/D模塊后，便會(huì)創(chuàng)建2個(gè)線程:采集線程和傳輸線程。當(dāng)系統(tǒng)接收到開始采集的命令后，就會(huì)創(chuàng)建采集線程。采集線程主要完成系統(tǒng)初始化，將采集數(shù)據(jù)寫到內(nèi)存中;然后啟動(dòng)傳輸線程，傳輸線程運(yùn)行時(shí)，采集線程就一直等待，當(dāng)讀操作完成時(shí)，傳輸線程就可以終止了;接著采集線程再運(yùn)行，并發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求來(lái)啟動(dòng)顯示和存儲(chǔ)任務(wù)。當(dāng)接收到采集線程發(fā)來(lái)的顯示和存儲(chǔ)任務(wù)后，便從寫有采集數(shù)據(jù)的內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)并顯示和存盤。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文開發(fā)了基于USB 2.0的反重力鑄造充型過(guò)程測(cè)試系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的硬件電路，并編寫了相應(yīng)的軟件程序。將USB 2.0總線通信技術(shù)應(yīng)用到反重力鑄造充型過(guò)程測(cè)試系統(tǒng)中，使得數(shù)據(jù)的采集與傳輸具有了高速、準(zhǔn)確的優(yōu)勢(shì)，相對(duì)于傳統(tǒng)的測(cè)試方法，本系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率快，實(shí)時(shí)性和精確性強(qiáng)，在鑄造測(cè)試領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。下一步的工作是測(cè)試鑄件的凝固過(guò)程中的鑄件溫度變化趨勢(shì)，對(duì)鑄件的冷卻凝固規(guī)律進(jìn)行研究。

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