??? 摘 要：PE管道熱熔對接焊的工藝參數隨管道尺度和環境條件的不同而不同，同時還受人為因素的影響，對焊接機自動化程度要求很高。介紹了基于ARM嵌入式熱熔焊接機智能控制器的硬件和軟件的設計方案。此方案符合焊接各個階段工藝參數指標，并具有操作糾錯及錯誤信息管理功能，最大程度地消除了人為因素的影響，提高焊接質量，并具備焊接數據的可追溯性，便于管理人員對焊接工程的管理。
??? 關鍵詞：PE管道；熱熔對接焊；ARM7；μC/OS-Ⅱ
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??? 熱熔對接[1]焊技術是聚乙烯(PE)塑料管道戶外最常用的連接技術，在同樣密封和工作壓力下有良好的經濟性。熱熔對接焊是采用熱熔對焊接機來加熱管道端面，使其熔化，迅速將其粘合，并保持一定的壓力，經過冷卻達到熔接的目的。焊接過程中，多余的熔融塑料被擠出，形成了焊接接頭(焊口)。焊接接頭的大小和形狀直接影響管道焊接質量。目前國內熱熔焊接機的控制器多使用多CPU的工作方式，而且多數以8位CPU為主，每個CPU分擔不同的任務。8位單片機自身的資源相當有限，無論是I/O口、RAM、ROM、總線接口等都無法滿足復雜系統的要求，因此必須要外擴I/O口擴展器件、大容量的存儲器件、總線接口器件。這樣，一方面加大了PCB設計的難度，另一方面由于外擴大量的器件，導致了系統可靠性下降。在數據分析和處理方面，由于處理速度慢，在焊口質量跟蹤方面，目前國內所使用的熱熔焊接機功能上還是很簡單的。隨著32位ARM的普及，市面上的ARM[2]芯片價格越來越低。片內集成了大容量的Flash與SRAM，還有多種常用的總線接口，并且時鐘速率一般在40?MHz以上，這樣為進一步提高熱熔焊接機的自動化程度和熱熔焊接機焊口質量跟蹤的功能提供了可靠的平臺。
1 ARM智能控制系統硬件設計
??? 飛利浦公司的LPC2138處理器[3]是一款支持實時仿真和嵌入式跟蹤的16/32位ARM7TDMI-STMCPU的微控制器，功耗低，性價比高，內置有32kB的靜態RAM和512kB的Flash，2個8路10位ADC、10位DAC和多個32位定時器。綜合考慮了熱熔焊接機控制器的復雜性和32位ARM的優勢。提出用ARM7作為主控制器的CPU。基于ARM的熱熔焊接機具有強大的功能，實現了熱熔焊接全自動化，具有操作糾錯及錯誤信息管理功能，以及焊接數據的可追溯性。
1.1 主控制器結構
??? 圖1給出了嵌入式熱熔焊接機控制器中主控制器的結構框圖。
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??? 從圖1中可以看出，嵌入式熱熔焊接機控制器具有以下特點：
??? (1) LCD和鍵盤接口。實現豐富的人機交互界面，主要功能是顯示、設置工藝參數，顯示焊接曲線和設備狀態。LCD采用240×64點陣、內置T6963C控制芯片的液晶模塊。
??? (2) A/D轉換。熱熔焊接機有4路傳感器，2路溫度傳感器，1路檢測環境溫度，1路檢測加熱板溫度。其中1路壓力傳感器檢測液壓系統的壓力；另一路位移傳感器檢測動卡套的行程。
??? (3)JTAG接口是調試接口。JTAG調試接口實現代碼層的調試，可以設置斷點、單點調試。
??? (4)RS-232接口是個復用端口。由于ARM7擁有2個異步串口UART0和UART1。一方面調試程序時，通過UART0連接ISP接口，另一方面通過UART1連接微型打印機。
??? (5)聲光報警。主要是為了提醒操作者焊接機的狀態和PE管材的焊接情況。
??? (6)D/A轉換。D/A轉換主要通過調節輸出電壓來調節比例放大板控制器輸出電流的脈寬以及比例調壓閥，從而達到調節液壓系統的壓力。
??? (7)DO接口。主要是控制電磁單向閥、電磁換向閥、銑刀電機、泵電機和加熱板。
??? (8)USB接口。USB部分主要功能是轉存焊接數據到U盤。USB接口控制芯片使用了賽普拉斯的SL811HS，SL811HS是一個嵌入式的主/從設備控制器，可以全速或低速與USB設備通信，可以直接接到多種總線上，例如：ISA、PCMCIA等。SL811HS主機控制器遵從USB1.1協議，支持運轉在USB 12?Mb/s的全速模式下，或者在1.5?Mb/s的低速模式下，內部包含1個256B用于控制寄存器和數據緩沖的隨機存儲器，性價比高，完全能滿足系統的要求。
??? (9)FRAM。FRAM采用無限次讀寫的FM25L256芯片，它可以滿足焊接過程中經常性的讀寫存儲器的要求。采用SPI總線，在總線上懸掛了2片FM25L256。其中1片主要是把焊接的工藝參數保存在存儲器中，另一片是存放中文字庫。
??? (10)實時時鐘。LPC2138的內部時鐘存在計時不準的情況，故選用了DS1302作為外部時鐘。
1.2 傳感器變送電路
1.2.1 溫度傳感器變送電路
??? 溫度傳感器采用PT100。PT100的電阻—溫度曲線是一條平滑的凸曲線。通過電路如圖2的電壓—電阻曲線是一條與之相對應的凹曲線。從而達到線性化的目的。
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??? 圖2中的VR1是調零電阻，VR2的是調幅電阻。不同溫度范圍可以通過調整R11的阻值來達到要求。
1.2.2 壓力和位移傳感器變送電路
??? 壓力傳感器和位移傳感器都是4?MA～20?MA的電流信號。圖3為簡單實用的采用雙光耦隔離傳輸模擬量的線性電路。
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??? 兩個光耦的發光元件通過相同的激勵電流I1，假設OP1的電流非線性傳輸函數為g(I1)，OP2的電流非線性傳輸函數為g(I2), 則：I2=g1(I1) ；I3=g2(I1)；
??? 只要保證OP1和OP2為同一批次的封裝在一起的2個光耦，如TLP521-2，則可以認為它們的特性一致，即：g1(I1)=g2(I1) ；I2=I3；???????????
??? A1和A2為運算放大器，根據運放的特性有：UI=UA=I2?×R2；UO=UB=I3×R4；
??? 可得：UO/UI=（I3×R4）/（I2×R2）=R4/R2=K(常數)
??? 即UO和UI的關系是線性的，可以根據實際情況調整R2和R4的大小，以產生滿足CPU采集要求的UO的變化范圍。
2 軟件設計
??? 由于硬件設計上提供了豐富的資源，以及上層應用軟件比較復雜，因此在軟件設計時可以采用嵌入式實時操作系統。本系統嵌入的實時操作系統是μC/OS-Ⅱ[4]，要實現的主要有焊接控制程序、USB模塊、圖形用戶界面和焊接數據的管理系統，其基本框圖如圖4所示。
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??? 各個功能模塊以任務方式和焊接控制程序交互或者以函數調用的方式供焊接機控制程序使用。
2.1 嵌入式操作系統μ?C/OS-Ⅱ的移植
μC/OS-Ⅱ[5]是一種免費公開源代碼、結構小巧、具有可剝奪實時內核的嵌入式實時操作系統。其優越性體現在源碼公開、易于移植、占先式實時內核、多任務等。
??? 移植μC/OS-Ⅱ到LPC2138所需要做的工作有3步：
??? (1)設置includes.h中與處理器和編譯器相關的代碼；
??? (2)用C語言編寫6個與操作系統相關的函數(OS_CPU_C.C)；
??? (3)用匯編語言編寫4個與處理器相關的函數(OS_CPU_A..S）。
??? 完成上述工作之后，μC/OS-Ⅱ就可以正常運行在ARM處理器上了。
2.2 設備驅動程序的編寫
??? 設備驅動程序主要是針對熱熔焊接機智能控制器用到的外圍設備來編寫，包括LCD驅動、SPI驅動、USB驅動、主控鍵盤、打印機等。
2.3 熱熔焊接機應用程序的實現
??? 應用程序包含LCD圖形界面顯示程序、USB數據轉存程序、鍵盤掃描程序、4路A/D數據采集程序、自動控制程序。根據系統的要求，創建了4個任務。其中總的任務關聯圖如圖5所示；分別是LCD顯示和鍵盤任務，自動焊接任務，USB數據轉存任務，4路A/D數據采集和聲光報警任務。LCD顯示和鍵盤任務由主函數創建，周期性地運行。其他3個任務在LCD顯示和鍵盤任務中創建。自動焊接任務和USB數據轉存任務為事件觸發任務。觸發任務采用消息郵箱通信。
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??? 其系統的主程序流程圖如圖6所示；通過在LCD任務中對鍵盤的掃描得到焊接鍵盤信息，然后通知正在等待的自動焊接任務，自動焊接任務收到郵箱消息進行任務的切換，進入焊接時序。
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??? 隨著嵌入式技術的不斷發展和普及，ARM的性價比不斷提升，本文提出了一種基于32位處理器的智能工業控制器系統設計方案。該方案在μC/OS-Ⅱ操作系統的支持下，實現了熱熔對接的全自動化，以及焊接數據的管理和可追溯性。最大程度地消除了人為因素的干擾，提高了焊接質量。
參考文獻
[1]?陽代軍，霍立興. 塑料壓力管道熱熔對接自動焊機的控制系統[J]. 焊接學報， 2002, 23(3)：41.
[2]?周立功.ARM嵌入式系統基礎教程[M]. 北京：北京航空航天大學出版社, 2005.
[3]?周立功. 深入淺出ARM7[M]. 北京：北京航空航天大學出版社, 2006.
[4]?JEAN J.LABROSSE. mC/OS-Ⅱ——源碼公開的實時嵌入式操作系統[M]。邵貝貝譯.北京：中國電力出版社，2001.
[5]?周航慈，吳光文. 基于嵌入式實時操作系統的程序設計技術[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，2006.