吳統(tǒng)立，王克鴻 ，楊嘉佳，王 飛

（1.南京理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京 210094；2.中國航發(fā) 貴州黎陽航空動力有限公司，貴州貴陽550000）

焊接過程參數(shù)傳感采集系統(tǒng)以太網(wǎng)接口設(shè)計

吳統(tǒng)立1，王克鴻 1，楊嘉佳1，王 飛2

（1.南京理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京 210094；2.中國航發(fā) 貴州黎陽航空動力有限公司，貴州貴陽550000）

焊接電壓、焊接電流等焊接參數(shù)決定電弧形態(tài)和熔滴過渡形式，對焊接過程的穩(wěn)定性和焊縫質(zhì)量有決定性的影響。焊接電壓、焊接電流等電信號的高速、實時采集傳輸是實現(xiàn)焊接過程監(jiān)控和焊接過程數(shù)字化的突破性關(guān)鍵技術(shù)。傳統(tǒng)焊接過程參數(shù)傳感時由于通訊接口的限制造成傳輸頻率低，無法滿足焊接電信號精細(xì)化分析和焊接質(zhì)量在線感知的需要。設(shè)計了一套采用MCU和以太網(wǎng)芯片DM9000通訊接口的焊接過程參數(shù)高速傳感采集系統(tǒng)，采用基于TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，測試結(jié)果表明，設(shè)計的以太網(wǎng)通信接口成功實現(xiàn)了采樣頻率為1000Hz的焊接電壓和電流波形的高速傳輸。

焊接過程；參數(shù)采集；以太網(wǎng)；DM9000

0 前言

為了提高焊接設(shè)備的自動化水平、焊接生產(chǎn)的管理效率和焊接過程的管理能力，利用焊接車間級數(shù)字化焊接監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)車間內(nèi)焊接設(shè)備自動化、控制過程數(shù)字化、生產(chǎn)過程遠(yuǎn)程監(jiān)視、生產(chǎn)管理網(wǎng)絡(luò)化和產(chǎn)品質(zhì)量控制可追溯[1]。唐山松下產(chǎn)業(yè)機(jī)器有限公司采用有線和無線WiFi網(wǎng)絡(luò)建立了數(shù)字化焊機(jī)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)焊接信息數(shù)據(jù)管理、品質(zhì)管理、維護(hù)管理、生產(chǎn)管理、成本管理五個方面的管理[2]。時代科技股份有限公司通過CAN總線或485總線開發(fā)了生產(chǎn)現(xiàn)場集中控制管理系統(tǒng)，可以同時管理多個焊接生產(chǎn)車間、多臺多類別的時代數(shù)字化逆變焊接設(shè)備，實現(xiàn)現(xiàn)代化和自動化的焊接生產(chǎn)及整個企業(yè)信息的綜合集成[3]。山東奧太電氣有限公司以數(shù)字化焊機(jī)為最小單元構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化群控管理系統(tǒng)，在質(zhì)量控制、效率提高、成本優(yōu)化、考核依據(jù)方面將人的智慧與生產(chǎn)活動密切結(jié)合，促進(jìn)其創(chuàng)新與進(jìn)步并保證了信息通信的及時性、可靠性、準(zhǔn)確性[4]。天津大學(xué)胡繩蓀教授[5]將嵌入式系統(tǒng)接入以太網(wǎng)，嵌入Web服務(wù)器可以在Internet或局域網(wǎng)內(nèi)通過IE瀏覽器被訪問，從而實現(xiàn)焊接監(jiān)測系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)視、控制、診斷、測試和配置等。上海交通大學(xué)[6]針對船舶焊接監(jiān)測開發(fā)了基于無線ZigBee技術(shù)的焊接電源群組化監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了船舶焊接無線通信技術(shù)群組化監(jiān)測焊接電源。南京理工大學(xué)王克鴻[7-8]開發(fā)了實時傳感采集焊接過程參數(shù)，分析計算波形特征參數(shù)，在線與WCAPP系統(tǒng)推理工藝參數(shù)進(jìn)行比對，判斷焊接過程穩(wěn)定性和工藝合理性，并通過局域網(wǎng)實現(xiàn)遠(yuǎn)程在線監(jiān)視。上述監(jiān)測系統(tǒng)普遍采用 RS232、RS485、CAN 總線、ZigBee等通訊方式，均存在通信速度慢和采集頻率低（一般采集頻率為1 Hz）的特點，無法高速采集焊接電壓和電流波形，導(dǎo)致采集到的電壓和電流數(shù)據(jù)無法精細(xì)化反映焊接過程中電弧熔滴過渡的行為特征，實現(xiàn)焊接質(zhì)量的在線感知。

以太網(wǎng)（Ethernet）是一種成熟、快速的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，在新的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中，以太網(wǎng)貫穿于整個網(wǎng)絡(luò)的各個層次，在提高帶寬、縮短響應(yīng)時間的同時，憑借其良好的互連性和可擴(kuò)展性形成了真正的開放式網(wǎng)絡(luò)[9-10]。焊機(jī)網(wǎng)絡(luò)化接口的實現(xiàn)，有助于控制焊接參數(shù)、提高焊縫質(zhì)量、追蹤質(zhì)量問題，利用網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)生產(chǎn)監(jiān)控和統(tǒng)一管理[11]。

本研究以焊接過程參數(shù)傳感采集系統(tǒng)為背景，為了實現(xiàn)焊接電壓和電流波形的實時高速傳感采集，提出了基于16位單片機(jī)STM32F103（MCU）和DM9000的以太網(wǎng)絡(luò)接口形式。MCU采用軟件描述語言對DM9000進(jìn)行初始化，DM9000只進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送。系統(tǒng)采用基于TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，接收到的信息在服務(wù)器端進(jìn)行分析、顯示和存儲，從而實現(xiàn)焊接過程電壓和電流波形的以太網(wǎng)傳輸及實時監(jiān)控。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

參數(shù)傳感采集系統(tǒng)主要由RJ45以太網(wǎng)通訊模塊、RS232通訊模塊、RS485通訊模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊等部分組成，焊接電源數(shù)字化接口的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。RJ45以太網(wǎng)通訊模塊可接入局域網(wǎng)，實現(xiàn)焊接電源與同一局域網(wǎng)下的PC機(jī)互連互通，達(dá)到焊接電源焊接過程參數(shù)的高速上傳和下達(dá)的目的。RS232通訊模塊與外置式IC卡讀卡器連接，實現(xiàn)IC卡信息讀取功能。RS485通訊模塊與遠(yuǎn)程遙控盒相連接，實現(xiàn)焊接電源電流、電壓的遠(yuǎn)程顯示和操作。A/D轉(zhuǎn)換模塊與內(nèi)置于焊接電源中的霍爾電壓傳感器和霍爾電流傳感器相連接，實現(xiàn)電弧電壓和電流的傳感采集。D/A轉(zhuǎn)換模塊與焊接電源的電壓和電流設(shè)定接口相連接，實現(xiàn)焊接電壓和電流的設(shè)定。

圖1 焊接電源數(shù)字化接口框圖

整體工作過程如下：首先，操作人員持員工IC卡在外置式IC卡讀卡器處刷卡，刷卡成功后，IC卡讀卡器讀出員工IC卡內(nèi)的基本信息，通過RS232通訊模塊傳輸至焊接電源數(shù)字化接口的MCU中，MCU記錄下焊工信息和刷卡時間。然后，MCU將設(shè)定的焊接電壓和電流通過D/A轉(zhuǎn)換模塊輸出給焊接電源，操作人員正常操作焊接，在焊接過程中焊接電源將按照MCU設(shè)定電壓和電流值進(jìn)行輸出。焊接過程中，操作人員可以在遠(yuǎn)程遙控盒上看到焊接過程中的焊接電壓值和電流值，并且可以通過遠(yuǎn)程遙控盒上的旋鈕實時調(diào)整焊接過程中的電壓值和電流值。同時霍爾電流傳感器和霍爾電壓傳感器將焊接過程的電流和電壓轉(zhuǎn)換為0～5 V的電壓信號，送入A/D轉(zhuǎn)換模塊，按照設(shè)定頻率進(jìn)行高速采集，從而實現(xiàn)焊接電壓和電流的傳感采集。經(jīng)MCU處理后以設(shè)定通訊協(xié)議格式打包封裝焊接電流、電壓、操作人員信息以及設(shè)備狀態(tài)信息，封裝完成后將數(shù)據(jù)送入RJ45以太網(wǎng)通訊模塊，經(jīng)局域網(wǎng)發(fā)送至指定服務(wù)器（或PC機(jī)）進(jìn)行顯示、分析和儲存。

1.2 以太網(wǎng)接口硬件設(shè)計

DM9000是一款成本低、引腳數(shù)少、功能強(qiáng)大的單芯片快速以太網(wǎng)MAC控制器。它有1個一般處理接口，1個10/100MBps自適應(yīng)的PHY和4 kBDWORD值的SRAM。DM9000可以支持3.3 V或5 V的供電電壓，支持8位、16位和32位接口訪問內(nèi)部存儲器，物理協(xié)議層接口完全支持使用10 MBps下3類、4類、5類非屏蔽雙絞線和100 MBps下5類非屏蔽雙絞線，完全符合IEEE 802.3u規(guī)格[12]。

以太網(wǎng)接口設(shè)計原理如圖2所示

圖2 以太網(wǎng)接口電路原理

DM9000采用ISA16bit模式與MCU連接，主要完成物理層和鏈路層的功能。DM9000芯片的16位數(shù)據(jù)總線與MCU的16位數(shù)據(jù)線連接，另外MCU還需控制DM9000的INT、IOR、IOW、RST等引腳，CMD“高”為數(shù)據(jù)控制，“低”為地址控制，INT、IOR、IOW、RST分別控制芯片的中斷、讀、寫、重置功能。當(dāng)MCU有數(shù)據(jù)需要向以太網(wǎng)發(fā)送時，首先MCU將數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)字序的封包，再通過16位總線以字節(jié)形式將數(shù)據(jù)發(fā)送到DM9000芯片的SRAM，然后將數(shù)據(jù)信息寫入DM9000特定的寄存器，最后設(shè)置發(fā)送使能，DM9000自動將緩存區(qū)中的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)長度等信息進(jìn)行以太網(wǎng)幀封裝并發(fā)送。當(dāng)DM9000接收到以太網(wǎng)數(shù)據(jù)時，首先檢查數(shù)據(jù)幀格式是否正確，若幀頭標(biāo)志不對或校驗有誤，則舍棄該數(shù)據(jù)幀。若數(shù)據(jù)幀格式正確，則將該數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)移至內(nèi)部接收緩存區(qū)并產(chǎn)生接收中斷信號，MCU驅(qū)動程序的接收中斷函數(shù)將處理DM9000接收緩存區(qū)的數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 以太網(wǎng)通信原理

計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是由多個節(jié)點組成，數(shù)據(jù)的通信是通過各個節(jié)點之間不斷交換數(shù)據(jù)的方式來實現(xiàn)，因此，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的各個節(jié)點必須遵守統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議才能實現(xiàn)有效的數(shù)據(jù)通信。ISO發(fā)布的OSI標(biāo)準(zhǔn)定義了網(wǎng)絡(luò)的7層開放互聯(lián)參考模型，并且規(guī)定了每一層的職責(zé)。其中傳輸層提供兩端之間的標(biāo)準(zhǔn)通信服務(wù)，包含TCP和UDP兩種數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議[13-14]。本研究采用基于TCP協(xié)議的以太網(wǎng)接口傳輸協(xié)議。

報文在發(fā)送端是上至下經(jīng)由計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的7層協(xié)議，在接收端則是由下至上經(jīng)由接收端網(wǎng)絡(luò)的7層協(xié)議。數(shù)據(jù)到達(dá)傳輸層時按照網(wǎng)絡(luò)協(xié)議給數(shù)據(jù)包加上TCP協(xié)議的固定格式頭部，然后到達(dá)網(wǎng)絡(luò)層時，再給數(shù)據(jù)包添加上IP格式的協(xié)議頭部，封裝完畢后通過以太網(wǎng)進(jìn)行傳輸，數(shù)據(jù)包到達(dá)目的端后再按照網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行解封，獲取到發(fā)送端數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)通信。

2.2 系統(tǒng)軟件總體流程

采用MCU為核心控制處理器，主要負(fù)責(zé)控制數(shù)據(jù)采集模塊并進(jìn)行DM9000的初始化。先將采集到的焊接過程數(shù)據(jù)存入FIF0中，然后轉(zhuǎn)發(fā)到DM9000的緩存中，依據(jù)TCP/IP協(xié)議打包數(shù)據(jù)，經(jīng)封裝完成后的數(shù)據(jù)再通過以太網(wǎng)接口發(fā)送至服務(wù)器，在服務(wù)器端實現(xiàn)焊接過程電壓和電流參數(shù)的顯示和監(jiān)控功能，其工作流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計流程

2.3 數(shù)據(jù)傳輸

通過對MCU編寫驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)對DM9000的控制，具備底層驅(qū)動和上層通信協(xié)議，實現(xiàn)以太網(wǎng)通信功能。驅(qū)動程序不僅可以對DM9000硬件系統(tǒng)進(jìn)行初始化，還能控制網(wǎng)絡(luò)封包信息的接收和發(fā)送。

2.3.1 DM9000初始化

DM9000的初始化是MCU通過16位數(shù)據(jù)總線向DM9000芯片相應(yīng)的寄存器寫入控制值，使芯片進(jìn)入工作狀態(tài)。具體初始化步驟如下：①設(shè)置GPR寄存器的bit[0]為0，打開芯片的PHY；②設(shè)置NCR寄存器的bit[0]為1，進(jìn)行軟啟動；③把芯片的執(zhí)行方式設(shè)定為回環(huán)模式；④設(shè)置芯片的MAC地址為F4 8E 38 97 AE B8；⑤設(shè)置NSR寄存器的bit[3:2]為1，清除發(fā)送模式標(biāo)志位；⑥設(shè)置IMR寄存器PTM bit[1]和PRM bit[0]為1，打開發(fā)送和接收中斷；⑦設(shè)置RCR寄存器的bit[0]為1，使能接收功能函數(shù)。

2.3.2 DM9000數(shù)據(jù)發(fā)送

當(dāng)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，先檢查發(fā)送緩沖區(qū)空間狀態(tài)，若為非空，則退出發(fā)送，等待1 ms后，再次檢查發(fā)送緩沖區(qū)空間狀態(tài)。待緩沖區(qū)為空時，先將片內(nèi)指針指向發(fā)送緩沖區(qū)起始位置，再將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)按照TCP/IP協(xié)議進(jìn)行封包處理。首先將數(shù)據(jù)包的長度信息寫入TXPLH和TXPLL寄存器，然后向MWCMD寄存器依次寫入已經(jīng)封裝好的數(shù)據(jù)，最后將TCR寄存器的bit[0]位設(shè)置為1，DM9000芯片會自動發(fā)送數(shù)據(jù)包，具體流程如圖4所示。

圖4 DM9000數(shù)據(jù)發(fā)送流程

2.3.3 DM9000數(shù)據(jù)接收

DM9000有 13 kB（0C00H～3FFFH）的接收數(shù)據(jù)緩存空間，當(dāng)接收數(shù)據(jù)使能位置位時，若有數(shù)據(jù)到來并通過其內(nèi)部的硬件CRC校驗后，DM9000將自動接收數(shù)據(jù)并存放至接收緩存區(qū)，并在一幀數(shù)據(jù)接收完成后產(chǎn)生一個接收中斷信號，接收中斷函數(shù)從MRCMDX寄存器和MRCMD寄存器讀取出接收到的數(shù)據(jù)幀，并交由上層通信協(xié)議處理。DM9000芯片的數(shù)據(jù)接收程序流程如圖5所示，首先清除系統(tǒng)接收中斷標(biāo)志，然后讀取MRCMDX寄存器的狀態(tài)，讀取兩次此寄存器。第一次的返回值為數(shù)據(jù)包大小信息，第二次的返回值為數(shù)據(jù)包完好狀態(tài)信息。先判斷數(shù)據(jù)包完好狀態(tài)，若是則讀取數(shù)據(jù)包的狀態(tài)，否則結(jié)束程序；然后判斷數(shù)據(jù)包是否無誤，若是則進(jìn)入數(shù)據(jù)讀取狀態(tài)，否則程序結(jié)束；然后判斷當(dāng)前讀取到的數(shù)據(jù)是否為最后一個數(shù)據(jù)，若是則結(jié)束程序，否則再次讀取數(shù)據(jù)包，直至讀取完所有數(shù)據(jù)包為止。

圖5 數(shù)據(jù)接收程序流程

3 系統(tǒng)測試

3.1 以太網(wǎng)通信接口測試

當(dāng)系統(tǒng)正常工作后，采用以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包分析軟件Wireshark進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送和接收功能測試，根據(jù)TCP/IP協(xié)議在數(shù)據(jù)報頭添加的信息設(shè)定發(fā)送方IP和接收方 IP 分別為 192．168．10．5 和 192．168．10．2，并指定發(fā)送方和接收方的端口號分別為4942和3015。測試結(jié)果如圖6所示，其中F4 8E 38 97 AE B8 00 30 64 65 AC D8分別為發(fā)送方和接收方的MAC地址，08 00代表TCP/IP的通信協(xié)議類型為IPv4，從45開始的20個字節(jié)為 IP報頭，C0A8（192．168）、0A05（10．5）、C0A8（192．168）、0A02（10．2）分別為發(fā)送方和接收方的IP地址。C154（4942）、0BC7（3015）分別為發(fā)送方和接收方端口號，數(shù)據(jù)包長度為1 460個字節(jié)。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)所發(fā)送的測試數(shù)據(jù)符合以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀格式要求，DM9000芯片的驅(qū)動程序運行正常。

圖6 以太網(wǎng)軟件抓包結(jié)果

3.2 焊接電壓和電流波形數(shù)據(jù)傳輸測試

先將CMT焊接電源與焊接過程參數(shù)傳感采集系統(tǒng)相連接，然后通過RJ45以太網(wǎng)絡(luò)接口與服務(wù)器所在的局域網(wǎng)相連接，則CMT焊接電源在焊接過程中的電壓和電流波形數(shù)據(jù)可以通過以太網(wǎng)接口傳輸至服務(wù)器端，服務(wù)器上的焊接過程參數(shù)傳感采集軟件對接收到的焊接波形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、顯示以及存儲等操作。采用Labview2012設(shè)計的參數(shù)傳感采集軟件可以對接收到的焊接電壓和電流波形數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列分析處理，并生成電壓電流波形、電壓電流矢量波形、電壓波形密度分布波形、電流波形密度分布波形以及電能量波形，如圖7所示。

圖7 焊接過程參數(shù)傳感采集軟件主界面

4 結(jié)論

設(shè)計了基于以太網(wǎng)控制芯片DM9000和16位單片機(jī)STM32F103的以太網(wǎng)接口，以MCU作為核心控制芯片，設(shè)計了RS232通訊模塊、RS485通訊模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊等功能模塊，實現(xiàn)了焊接過程參數(shù)傳感采集系統(tǒng)的IC卡讀取功能、焊接參數(shù)遠(yuǎn)程顯示和控制功能、焊接電壓和電流波形高速采集傳輸功能等功能；以DM9000為核心設(shè)計了以太網(wǎng)接口電路，實現(xiàn)了焊接過程參數(shù)傳感采集系統(tǒng)與服務(wù)器的互連互通；通過對MCU編寫軟件程序運行TCP/IP協(xié)議棧來實現(xiàn)DM9000的以太網(wǎng)通信功能，保證了數(shù)據(jù)包的正常接收和發(fā)送；測試焊接過程參數(shù)傳感采集系統(tǒng)，成功實現(xiàn)了焊接過程參數(shù)的高速采集傳輸，并在服務(wù)器端進(jìn)行了分析、顯示和存儲，測試結(jié)果表明所設(shè)計的以太網(wǎng)接口能夠滿足焊接電壓和電流波形實時高速傳輸?shù)囊蟆?/p>

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Ethernet interface design of welding process parameters sensing acquisition system

WU Tongli1，WANG Kehong1，YANG Jiajia1，WANG Fei2
（1.School of Material Science and Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China；2.Guizhou Liyang Aero Engine Co.，Ltd.，AECC，Guiyang 550000，China）

Real-time welding parameters of welding voltage and welding current determine the arc shape and metal transfer mode，which are decisive for the stability of welding process and weld quality.The high-speed，real time acquisition and transmission of the welding voltage，current and other electrical signals is the key breakthrough technology for realizing the monitoring and digitization of welding process.Due to the low transmission frequency caused by the restrictions of communication interface when the traditional welding process parameters are sensing，the needs of the fine analysis of welding electrical signals and online perception of welding quality can not be satisfied.Therefore，a set of welding process parameters high-speed sensing acquisition system is designed by using MCU and Ethernet chip DM9000 communication interface，and the data transmission is based on the TCP/IP communications protocol.The results show that the designed Ethernet communication interface achieves high-speed transmission of welding voltage and current waveforms at the 1 000 Hz sampling frequency.

welding process；parameters acquisition；Ethernet；DM9000

TG409

A

1001－2303（2017）11－0071-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.11.15

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2017-03-15；

2017-07-13

國防基礎(chǔ)科研項目（JCKY2016208A001）

吳統(tǒng)立（1985—），男，博士，主要從事數(shù)字化焊接電源、加工過程智能化數(shù)字化、機(jī)器人柔性集成智能化的研究工作。E-mail：wutl2005@126.com。

王克鴻（1963—），男，教授，博士，主要從事新材料異種材料結(jié)合機(jī)理和新方法、加工過程智能化數(shù)字化、機(jī)器人柔性集成智能化的研究工作。