论文部分内容阅读
摘 要：电子束焊接是一种先进、成熟的高能束焊接技术，它具有抗氧化强、避免有害气体侵入及焊接零件变形小等优点，设计其监控系统具有重要意义。本课题采用Z-turn Board核心板开发上位机，下位机采用STM32F103VC芯片，自主设计硬件电路，从而实现数据采集、CAN通信等功能，通过CAN网络实现上位机与下位机之间的实时通信，进而实现上位机对栅偏电压、灯丝电流、高压和束流的实时监控，本课题在Z-turn board核心板上运行Linux操作系统，系统安全稳定，可靠性强，上位机人机界面使用qt软件绘制而成。
关键词：电子束焊接，Z-turn Board，CAN，Linux
0 引言
电子束焊接是通过电子枪中阴极产生电子，在阴阳极之间的高压电场使电子被加速到很高的速度，电子经过必要的磁透镜聚焦后，形成高速电子流，通过撞击将电子的动能转化成要焊接物体的热能，要焊接的物体获得高热能而迅速融化，过一段时间后会形成焊接缝隙。电子束焊接具有传统焊接方法难以比拟的优势和特殊功能：焊接能量密度高，容易实现金属材料的深熔透焊接，焊缝窄、深宽比大、焊缝热影响区小、焊接工艺参数容易精确控制、重复性和稳定性好[1]，
所以电子束焊接基本上代表了目前最高性能的焊接水平[2]。本课题即研究对电子束在焊接过程中栅偏电压、灯丝电流、高压以及束流的实时监控。
1 总体设计
1.1总体设计概要
本课题主要研究内容包括如下：下位机对电子束焊机的栅偏电压、灯丝电流、高压、束流的数据采集，上位机和下位机之间通过控制器局域网络（简称CAN）实现将下位机采集到的数据传输到上位机，以及上位机显示界面的设计和对采集的数据的显示。
1.2下位机方案选择
嵌入式：嵌入式运算速度快，处理能力强，而且嵌入式相对于PLC与主机的通讯更简单方便，相对于PLC性价比更高，目前嵌入式已广泛应用于各类家电器件、路由器及手机等领域。本方案选择性价比更高，目前已广泛应用的嵌入式作为本课题的下位机。
1.3上位机方案选择
Linux：具有众多优点：Linux操作系统是开源的，而且内核很小，可以满足嵌入式的较低的处理能力，此外Linux加入了RT-Linux，这使得它具有实时能力。最后，Linux系统可以设置目录和档案的权限，大大的提高了系统的安全性。由于Linux有众多优点，已经有越来越多的厂商进入这一领域[3]。鉴于此，本课题选择Linux系统。
2基于STM32下位机软硬件设计
2.1 基于STM32数据采集系统硬件设计
2.1.1 CPU最小系统
此次选用了STM32F103VCT6芯片作为主控芯片。
2.1.2电源电路
根据系统工作的需要，将5V电源通过LM1117-3.3芯片整流成3.3V，给stm32f103VC芯片供电。
2.1.3 一键下载电路
为了保证后续开发的便捷性，控制板中还设计了USB供电及一键下载电路。可以直接将编译好的HEX文件烧录到单片机中，大大增加了开发的便捷性。
2.1.4 EEPROM电路
为了使系统能够连续工作，必须把一些重要的数据保存下来，当系统因出现故障或掉电不得不重新启动时，系统能够按照掉电或故障出现之前的设定状态继续运行。本课题选择外扩一个AT24C256串行EEPROM芯片来保存数据。
2.1.5 信号调理电路
图1中RT2是压敏电阻，它的作用是当电压过高时吸收多余的电流以保护敏感器件。MMBD4148SE结构图，它内部是两个方向相反的二极管，图2信号调理电路图可知1端接地，2端接电源3.3V，3端接A2，当3端电压太大或太小时可以稳定电压，起到保护电路的目的。
2.1.6 通信电路
VP230是一个 CAN总线的收发芯片，用VP230设计的CAN收发器能够以1 Mbps的速度向CAN控制器提供总线和差分接收能力。
232接口： 接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式，容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱。
485接口：接口信号电平比RS-232降低了，就不易损坏接口电路的芯片，且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL 电路连接。采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干能力增强，即抗噪声干扰性好。
2.2 下位机程序设计
下位机程序设计：
下位機采用stm32103VC芯片，下位机程序设计包括系统初始化，ADC采样模块，定时器中断模块以及CAN通信模块。
系统初始化包括GPIO初始化、定时器周期的设置、CAN通信的初始化。
ADC模块：需要使能对应AD时钟，设置ADC的分频因子，因为要采集栅偏电压、灯丝电流、高压和束流共四路AD，所以设置AD转换模式为多通道模式，设置AD转换为软件触发启动，并使能AD采样。
定时器中断模块：使能定时器时钟，初始化定时器，设置中断优先级，并使能定时器。在定时器中断中采样。
CAN通信模块：CAN模块有两个功能，一个是接收上位机传输的数据，并判断出所传数据是栅偏、灯丝、高压和束流的开通与关断或设定值；二是将AD采集数据发送到上位机并显示在界面上。
将AD采样值赋值给ad_data_float[4]，通过for循环将采样值乘以100；程序如下：
for（i=0；i<4；i=i+1）{ ad_data_100[i]=ad_data_float[i]*100；
}
然后每个采样值占两个字节，分别赋值给send_str[i]与send_str[i+1]，程序如下： for（i=0；i<8；i=i+2）{ send_str[i]=ad_data_100[i/2]/100；
send_str[i+1]=ad_data_100[i/2]%100；
}
将send_str[8]字符串发送到上位机，上位机接收到字符串后处理，最后将数据转换成QString型才能显示在显示界面上。
3上位机程序设计
3.1 Linux操作系统介绍
Linux操作系统有很多优点，首先Linux是开源的，相当于全世界的人共同维护这个系统，可以及时的发现并弥补漏洞[4]；第二，Linux下的软件很多都是开源的，所以使用Linux只需要花少量的钱或不花钱；第三，Linux非常稳定可靠，Linux系统有很多概念都是继承自Unix系统[5]，当然也继承了Unix的稳定可靠；第四，Linux支持多人多任务，而Windows是单人多任务，多人多任务比单人多任务的优越性在于多人多任务更有利于团队合作；第五，因为多人多任务，所以目录和档案都有权限，以保证数据的安全性。
3.2 qt开发环境的搭建
Qt是一个用于开发图形界面的软件，它采用C和C++语言来开发界面。Qt开发出来的界面很漂亮，目前它的应用范围很广泛，现在很多安卓手机上的图片都是用Qt开发出来的。
直接在qt中配置交叉编译器和QtEmbedded-4.8.5-arm，配置完后即可编译出可在Z-turn Board核心板上执行的二进制代码。写一个qt程序，用交叉编译器编译后，拷到核心板中，执行此文件，qt交叉编译环境安装成功。
3.3 Z-turn Board 介绍
3.3.1 CPU电路部分及性能
ZYNQ简介：
ZYNQ-7000 AP SOC 系列芯片的架构较为复杂，它是以处理器系统为核心的高价值应用架构，此时PL部分为PS的可扩展单元，它既可以配合PS完成一些外部逻辑的处理，也可以利用PL部分并行、硬件处理的特点，构成PS中算法的一个外部协处理单元，形成一个强大的算法加速器[6]。
ZYNQ-7000 AP SOC完整开发流程：
硬件平台设计： Xilinx工具组提供的开发环境Vivado和PlanAhead可帮助用户快速构建硬件平台。在构建硬件平台的过程中，用户有时需要定制专用的IP核。
软件设计：完成硬件平台设计后，将硬件配置文件导入SDK开发环境中，就可以进行软件的编程、调试等开发过程了。
配置文件下载：将硬件平台設计过程中的硬件比特流文件与软件设计产生的可执行文件进行合并，下载到配置存储器中即完成了开发的最后一步。
3.3.2 CAN通信
CAN有两个标准化的串行通信协议，分别是ISO11898和ISO11519。ISO11898传输速度在125Kbps到1Mbps之间，传输速度较快，但传输距离较近，一般在40m之内，才能获得较快的速度，相比之下ISO11519传输速度低于125bps，传输速度较慢，但适用于长距离传输，最大传输距离可以达到10Km长，优点是传输距离较长。
CAN可以同时连接多个单元，可以给这些单元设置优先级。CAN采用邮箱的方式传输数据，在把主机/从机接收数据之前已经校验完毕，所以这使得CAN几乎不会有传输错误。
CAN 总线在同一时间可以连接很多个单元的总线。同时可连接设备的个数受到总线上的时间延迟及电气负载以及对传输速度的要求的限制。当需要比较高的传输速率时，同时可连接的单元的设备就不能那么多，如果传输速率较低时，就允许连接更多的设备了。
4实验结果
通过上述研究，本课题已经实现了以下设计目标：
1. 实现了stm32对电子束焊机栅偏电压、灯丝电流、高压和束流的采集。
2. 完成了上位机与下位机之间的CAN通信。
3. 用Qt软件实现了上位机的显示界面。
参考文献：
[1]马正斌，刘金合，卢施宇，王世清.电子束焊接技术研究及进展[J].电焊机，2012.04，42（4）：93-96.
关键词：电子束焊接，Z-turn Board，CAN，Linux
0 引言
电子束焊接是通过电子枪中阴极产生电子，在阴阳极之间的高压电场使电子被加速到很高的速度，电子经过必要的磁透镜聚焦后，形成高速电子流，通过撞击将电子的动能转化成要焊接物体的热能，要焊接的物体获得高热能而迅速融化，过一段时间后会形成焊接缝隙。电子束焊接具有传统焊接方法难以比拟的优势和特殊功能：焊接能量密度高，容易实现金属材料的深熔透焊接，焊缝窄、深宽比大、焊缝热影响区小、焊接工艺参数容易精确控制、重复性和稳定性好[1]，
所以电子束焊接基本上代表了目前最高性能的焊接水平[2]。本课题即研究对电子束在焊接过程中栅偏电压、灯丝电流、高压以及束流的实时监控。
1 总体设计
1.1总体设计概要
本课题主要研究内容包括如下：下位机对电子束焊机的栅偏电压、灯丝电流、高压、束流的数据采集，上位机和下位机之间通过控制器局域网络（简称CAN）实现将下位机采集到的数据传输到上位机，以及上位机显示界面的设计和对采集的数据的显示。
1.2下位机方案选择
嵌入式：嵌入式运算速度快，处理能力强，而且嵌入式相对于PLC与主机的通讯更简单方便，相对于PLC性价比更高，目前嵌入式已广泛应用于各类家电器件、路由器及手机等领域。本方案选择性价比更高，目前已广泛应用的嵌入式作为本课题的下位机。
1.3上位机方案选择
Linux：具有众多优点：Linux操作系统是开源的，而且内核很小，可以满足嵌入式的较低的处理能力，此外Linux加入了RT-Linux，这使得它具有实时能力。最后，Linux系统可以设置目录和档案的权限，大大的提高了系统的安全性。由于Linux有众多优点，已经有越来越多的厂商进入这一领域[3]。鉴于此，本课题选择Linux系统。
2基于STM32下位机软硬件设计
2.1 基于STM32数据采集系统硬件设计
2.1.1 CPU最小系统
此次选用了STM32F103VCT6芯片作为主控芯片。
2.1.2电源电路
根据系统工作的需要，将5V电源通过LM1117-3.3芯片整流成3.3V，给stm32f103VC芯片供电。
2.1.3 一键下载电路
为了保证后续开发的便捷性，控制板中还设计了USB供电及一键下载电路。可以直接将编译好的HEX文件烧录到单片机中，大大增加了开发的便捷性。
2.1.4 EEPROM电路
为了使系统能够连续工作，必须把一些重要的数据保存下来，当系统因出现故障或掉电不得不重新启动时，系统能够按照掉电或故障出现之前的设定状态继续运行。本课题选择外扩一个AT24C256串行EEPROM芯片来保存数据。
2.1.5 信号调理电路
图1中RT2是压敏电阻，它的作用是当电压过高时吸收多余的电流以保护敏感器件。MMBD4148SE结构图，它内部是两个方向相反的二极管，图2信号调理电路图可知1端接地，2端接电源3.3V，3端接A2，当3端电压太大或太小时可以稳定电压，起到保护电路的目的。
2.1.6 通信电路
VP230是一个 CAN总线的收发芯片，用VP230设计的CAN收发器能够以1 Mbps的速度向CAN控制器提供总线和差分接收能力。
232接口： 接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式，容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱。
485接口：接口信号电平比RS-232降低了，就不易损坏接口电路的芯片，且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL 电路连接。采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干能力增强，即抗噪声干扰性好。
2.2 下位机程序设计
下位机程序设计：
下位機采用stm32103VC芯片，下位机程序设计包括系统初始化，ADC采样模块，定时器中断模块以及CAN通信模块。
系统初始化包括GPIO初始化、定时器周期的设置、CAN通信的初始化。
ADC模块：需要使能对应AD时钟，设置ADC的分频因子，因为要采集栅偏电压、灯丝电流、高压和束流共四路AD，所以设置AD转换模式为多通道模式，设置AD转换为软件触发启动，并使能AD采样。
定时器中断模块：使能定时器时钟，初始化定时器，设置中断优先级，并使能定时器。在定时器中断中采样。
CAN通信模块：CAN模块有两个功能，一个是接收上位机传输的数据，并判断出所传数据是栅偏、灯丝、高压和束流的开通与关断或设定值；二是将AD采集数据发送到上位机并显示在界面上。
将AD采样值赋值给ad_data_float[4]，通过for循环将采样值乘以100；程序如下：
for（i=0；i<4；i=i+1）{ ad_data_100[i]=ad_data_float[i]*100；
}
然后每个采样值占两个字节，分别赋值给send_str[i]与send_str[i+1]，程序如下： for（i=0；i<8；i=i+2）{ send_str[i]=ad_data_100[i/2]/100；
send_str[i+1]=ad_data_100[i/2]%100；
}
将send_str[8]字符串发送到上位机，上位机接收到字符串后处理，最后将数据转换成QString型才能显示在显示界面上。
3上位机程序设计
3.1 Linux操作系统介绍
Linux操作系统有很多优点，首先Linux是开源的，相当于全世界的人共同维护这个系统，可以及时的发现并弥补漏洞[4]；第二，Linux下的软件很多都是开源的，所以使用Linux只需要花少量的钱或不花钱；第三，Linux非常稳定可靠，Linux系统有很多概念都是继承自Unix系统[5]，当然也继承了Unix的稳定可靠；第四，Linux支持多人多任务，而Windows是单人多任务，多人多任务比单人多任务的优越性在于多人多任务更有利于团队合作；第五，因为多人多任务，所以目录和档案都有权限，以保证数据的安全性。
3.2 qt开发环境的搭建
Qt是一个用于开发图形界面的软件，它采用C和C++语言来开发界面。Qt开发出来的界面很漂亮，目前它的应用范围很广泛，现在很多安卓手机上的图片都是用Qt开发出来的。
直接在qt中配置交叉编译器和QtEmbedded-4.8.5-arm，配置完后即可编译出可在Z-turn Board核心板上执行的二进制代码。写一个qt程序，用交叉编译器编译后，拷到核心板中，执行此文件，qt交叉编译环境安装成功。
3.3 Z-turn Board 介绍
3.3.1 CPU电路部分及性能
ZYNQ简介：
ZYNQ-7000 AP SOC 系列芯片的架构较为复杂，它是以处理器系统为核心的高价值应用架构，此时PL部分为PS的可扩展单元，它既可以配合PS完成一些外部逻辑的处理，也可以利用PL部分并行、硬件处理的特点，构成PS中算法的一个外部协处理单元，形成一个强大的算法加速器[6]。
ZYNQ-7000 AP SOC完整开发流程：
硬件平台设计： Xilinx工具组提供的开发环境Vivado和PlanAhead可帮助用户快速构建硬件平台。在构建硬件平台的过程中，用户有时需要定制专用的IP核。
软件设计：完成硬件平台设计后，将硬件配置文件导入SDK开发环境中，就可以进行软件的编程、调试等开发过程了。
配置文件下载：将硬件平台設计过程中的硬件比特流文件与软件设计产生的可执行文件进行合并，下载到配置存储器中即完成了开发的最后一步。
3.3.2 CAN通信
CAN有两个标准化的串行通信协议，分别是ISO11898和ISO11519。ISO11898传输速度在125Kbps到1Mbps之间，传输速度较快，但传输距离较近，一般在40m之内，才能获得较快的速度，相比之下ISO11519传输速度低于125bps，传输速度较慢，但适用于长距离传输，最大传输距离可以达到10Km长，优点是传输距离较长。
CAN可以同时连接多个单元，可以给这些单元设置优先级。CAN采用邮箱的方式传输数据，在把主机/从机接收数据之前已经校验完毕，所以这使得CAN几乎不会有传输错误。
CAN 总线在同一时间可以连接很多个单元的总线。同时可连接设备的个数受到总线上的时间延迟及电气负载以及对传输速度的要求的限制。当需要比较高的传输速率时，同时可连接的单元的设备就不能那么多，如果传输速率较低时，就允许连接更多的设备了。
4实验结果
通过上述研究，本课题已经实现了以下设计目标：
1. 实现了stm32对电子束焊机栅偏电压、灯丝电流、高压和束流的采集。
2. 完成了上位机与下位机之间的CAN通信。
3. 用Qt软件实现了上位机的显示界面。
参考文献：
[1]马正斌，刘金合，卢施宇，王世清.电子束焊接技术研究及进展[J].电焊机，2012.04，42（4）：93-96.