基于ARM微控制器及USB接口的弧焊电参数检测分析系统

摘要

焊接电弧的行为和状态可由焊接电流和电弧电压反映，以电压、电流信号作为信号源进行采集和分析是实现焊接过程实时监测和焊接质量判别的有效方法。由于电弧的不可预测性，信号的连续采集成为必要，但现有的基于数据采集卡的连续采集系统从成本和便携性两方面制约了这一方法的广泛使用。本文对现有焊接电参数采集和分析方法进行了较为全面的分析。在此基础上，基于32位ARM微处理器和USB接口，对使用单片微处理器构建连续采集系统、USB传输模式的选择、USB数据流在目标硬件上的实现、连续采集系统实现的关键、基于队列模型在处理器片上RAM中构建数据缓冲区，以替代FIFO芯片(或FPGA)、时间关键任务的优先级分配和中断嵌套对采集速度的影响、以及数据流盘等进行了较为系统的研究。使用C语言和虚拟仪器软件LabVIEW分别编制了下位机采集子系统和上位机分析系统软件，并利用示波器和分析软件对采集分析系统的工作及采集数据的完整性与连续性进行了实验验证。最后对实际焊接信号计算了共22个特征参数，进行了波形分析、统计分析，U-I图分析等，并在传统分析方法基础上，基于非平稳随机信号的现代分析方法，引入短时傅立叶变换和Gabor展开，用于焊接电信号的分析。
　　 研究和实验结果表明：(1)使用单片微处理器完全可以建立适用于电弧焊的连续数据采集系统，配合工控/PC机，即可完成数据的实时显示和离线分析。相比数据采集卡，大幅降低了成本，USB接口使系统具备极佳的便携性。本研究实现的连续采样频率为双通道70K(单通道140K)，采集时长仅受计算机硬盘限制。(2)对数据采集应用，USB批量传输是最佳的传输模式。(3)实现连续数据采集的关键是平衡数据输入输出系统的数据缓冲区。(4)基于队列模型，可在单片微处理器片上RAM中编程构建“软FIFO”①，以裁剪掉专门的FIFO芯片(或FPGA芯片)，不仅大幅降低成本，并使系统稳定性得以提高。RAM的使用量和欲实现的采样频率及接口速度有关。(5)在适当的USB数据传输机制下，中断嵌套对采集速度的影响甚小。(6)在LabVIEW中使用基于队列的并行循环，是数据流盘的极佳方式。流盘性能对硬件平台有一定要求。(7)联合时频分析可以用于焊接电信号的分析。无需对原始采集信号进行滤波，即可准确识别出燃弧点、短路点和瞬时短路。在同样的窗宽下，Gabor展开的时频聚集性好于短时傅立叶变换。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1课题研究背景

1.2国内外研究现状

1.2.1引言

1.2.2过程参量的传感和采集

1.2.3信号分类及特点

1.2.4时域分析与频域分析

1.2.5联合时频分析

1.2.6小波分析

1.2.7统计分析

1.2.8光谱分析

1.3本文的研究目的、研究内容与创新点

1.3.1研究目的

1.3.2研究内容

1.3.3本文的创新点

2测试技术与非平稳信号处理、分析

2.1测试技术基础

2.2非平稳信号分析与处理

2.2.1统计分析

2.2.2联合时频分析

3弧焊电参数采集分析系统硬件平台

3.1现有采集系统硬件平台对比

3.2系统总体结构

3.3 ARM及LPC2142简介

3.3.1嵌入式微处理器

3.3.2 ARM简介

3.3.3 LPC2142简介

3.3.4 LPC2142 USB设备控制器

3.4传感器与信号调理

3.4.1传感器

3.4.2信号调理

3.5 USB传输模式选择

3.6系统关键性能指标

4弧焊电参数采集分析系统软件结构及设计

4.1下位机软件设计

4.1.1USB数据流

4.1.2下位机软件结构

4.1.3连续数据采集系统的关键要素

4.1.4基于队列模型与片上RAM的软FIFO

4.1.5软FIFO实现及注意事项

4.1.6关于采集速度的讨论

4.1.7时间关键任务的优先级分配及中断嵌套

4.2上位机软件设计

4.2.1上位机软件结构

4.2.2基于事件驱动模型的编程

4.2.3 USB设备驱动程序

4.2.4数据流盘与文件格式

4.2.5数据回放与信号截取

4.2.6软件提供的特征参数

4.2.7软件实现的分析功能

5实验及分析

5.1数据采集完整性与连续性实验

5.1.1实验装置与条件

5.1.2试验结果

5.2焊接实验

5.2.1实验装置及条件

5.2.2电压电流波形分析

5.2.3 U-1分析

5.2.4概率密度及频数分析

5.2.5 STFT(短时傅立叶变换)分析

5.2.6 Gabor变换分析

6结论与展望

6.1结论

6.2展望

致 谢

参考文献

附录 攻读硕士学位期间发表的论文情况