基于LabView的弧焊电参数虚拟检测分析系统设计

　　摘 要： 以USB型单片机C8051F320为采集系统硬件控制核心，构筑兼容USB2.0总线协议的焊接参数实时高速采集虚拟检测分析系统，为焊接生产、试验提供一套评价焊接工艺、预测焊接质量的高效虚拟检测分析系统，并可与数字化焊机结合实现嵌入式系统集成，实现产品数字化。
　　关键词： USB； 单片机； PC机； 电弧焊； LabView

　　弧焊过程是一种受多种参数制约，而且又受许多随机干扰因素影响的复杂的工艺过程。要实现弧焊过程所有质量的实时传感与控制是很复杂的问题。至今，人们也还无法对焊接过程在线实时地直接检测和控制直接焊接质量，而只是利用焊接人员的感官或现有的传感技术，对一些与直接焊接质量有关的间接焊接质量，在焊接过程中进行在线和实时地检测和控制。这种间接焊接质量虽然不能直接说明焊接接头的使用性能，但它们却在一定程度上决定着某些直接焊接质量或者与直接焊接质量存在着定量关系^[1]。由电弧理论和对飞溅问题的研究分析可知，CO2短路过渡焊接过程的电弧电压和焊接电流信号中蕴藏了丰富的电弧信息，飞溅的产生和其他与焊接质量有关的信息就蕴藏在电弧电压和焊接电流的波动中。建立基于计算机的在线检测及分析系统后，通过实时采集焊接过程的电流、电压信号并经过一定的信号处理和相关的分析，可以客观地监控焊接过程的状态和行为，及时地检测出焊接过程中的干扰或误差信号，实现对焊接质量的检测和评估，并为全面评价焊接过程工艺，分析缺陷产生的原因提供重要的客观依据。
1 基于USB总线的系统建立
1.1 系统的整体结构
　　目前国内外应用于焊接过程信号检测的测试系统均为插入板卡式^[2]，尚无将USB总线技术应用于焊接过程信号检测数据通信的公开报道。而USB总线技术是未来测控领域发展的方向，其与高性能单片机技术的结合可兼顾单片机的实时性、灵活性与PC机功能强大的优点，从而完成在焊接过程信号检测的大数据量采集和高速传输。故本系统采用基于USB总路线的基于LabView的弧焊电参数虚拟检测的分析系统。其系统整体结构如图1所示。

　　该系统主要是以美国Cygnal公司的USB型单片机C8051F320为硬件控制核心，构建弧焊电参数实时采集系统，结合USB总线技术，实现USB型单片机与虚拟仪器开发平台LabView的数据通信，在此基础上开发虚拟仪器软件系统，实现对弧焊过程焊接电流、电弧电压信号的在线监测和自动记录，并重点对采集信号提取各种特征信息进行分析，最终达到对弧焊品质、电焊机性能、焊接材料等方面的评估。
1.2 基于USB型单片机C8051F320的固件程序的开发
　　USB设备的固件程序设计主要完成两个基本功能：数据采集功能和满足USB传输协议的功能^[3]。
　　主程序流程图如图2所示，主要完成对时钟、数字交叉开关、USB控制器、定时器、A/D转换模块的初始化设置，以及调用事件处理子程序。采用中断方式，基于定时器2的溢出中断频率对两路模拟信号进行采集，采样频率设置为20kHz，以满足采样定理要求。通过设置特殊功能寄存器P2MDIN(端口2输入方式寄存器)，配置P2.4、P2.5为模拟输入模式；通过设置特殊功能寄存器P2SKIP(端口2跳过寄存器)，使P2.2、P2.3、P2.4、P2.5被数字交叉开关编码器跳过，避免与被使用的其他数字资源冲突。

　　中断采集基于定时器2的溢出频率，当定时器2产生溢出中断时，C8051F320芯片内部对某一端口输入的模拟信号进行A/D转换。当转换任务完成，同样会产生一个中断，即A/D转换完成中断，在该中断服务子程序中进行端口的替换，以及A/D转换后放在A/D转换模块特殊功能寄存器ADC0H和ADC0L中的数据向单片机数据存储器RAM的传输。
1.3 USB驱动程序设计
　　USB设备驱动程序的作用是使计算机能够识别出自行设计的数据系统，并访问设备的接口^[4]。它包含了.inf和.sys两个文件设计。.inf文件的作用是在计算机发现一个新的USB系统时，通过它寻找相应的驱动程序(.sys)加以加载。设备驱动程序（.sys）通常在计算机内核运行，可以使应用程序通过它来访问硬件设备。外部数据采集系统只需通过单片机ROM存储的特定的VID/PID（厂商ID/产品ID）来与驱动程序相关联。
　　本文采用NI公司提供的VISA(Virtual Instrument Software Architecture)软件包来生成USB驱动程序，实现对USB设备的控制。VISA是一个用来与各种仪器总线进行通信的高级应用编程接口(API)，它不受平台、总线和环境的限制。换言之，与USB设备进行通信的程序，无论是在运行Windows2000的机器上用LabView开发出来的，还是在运行Mac OS X的机器上用C语言编写的，都可以使用同一个API。
2 系统实现的主要功能
　　本软件系统实现的功能有数据采集、回放、存储及打印输出，同时还具有时域分析、频域分析、统计分析等模块。系统的软件整体架构框图如图3所示。本文重点介绍小波分析和弧焊质量评估两上模块。

2.1 弧焊过程电信号的小波消噪与奇异性提取
　　小波分析是目前信号分析中一种十分有用的时频局部化分析方法^[5-6]。小波（Wavelet）即小区域的波，是一种特殊的长度有限、平均值为0的波形。小波具有以下三个性质：
(1) 对称性。从视觉的角度而言，人们对不对称的误差比对称性的误差更敏感。
(2) 正交性。正交性能有效地去除信号的相关性。
(3) 紧支撑。在实际的应用中，希望获得有限长滤波器，因为有限长滤波器便于计算与实现，并且可以避免无限长滤波器因截断而带来的系统误差，这就要求滤波是紧支撑的。
傅里叶分析是将信号分解成一系列不同频率的正弦波的叠加，而小波分析是将信号分解成一系列小波函数的叠加，而这些小波函数都是由一个母小波函数经过平移与尺度伸缩得来的。现有小波理论与实践证明，用不规则的小波函数来逼近尖锐变化的信号要比光滑的正弦曲线要好，信号局部的奇异性用小波函数来逼近显然要比用光滑的正弦函数来逼近要好。
　　小波分析的重要应用之一就是用于信号消噪。焊接过程信号消噪，就是要除去信号中的高频干扰部分，保留低频部分，而且又不丢失有用的高频特征信息。
　　信号和噪声具有不同的奇异性^[7]，对于信号的奇异性，往往用Lipschitz a指数来衡量。对于连续的函数，其Lipschitz为正，满足0

　　基数B——样条双正交小波Bior2.4，Bior2.4小波重构尺度、小波函数有2阶消失矩，分解尺度、小波函数有4阶消失矩，它们是紧支撑的且有明确的解析表达式，焊接电流及其在尺度2⁴、2⁵、2⁶时的小波变换细节部分如图5所示。如图中小波变换细节部分d_n⁵波形中方框所示，与信号奇异点相应的小波函数支撑域中最大的模极大值较好地检测了信号的局部奇异性，并且可以作为信号的特征提取出来。至此可以得到如下结论：对于熔滴短路过渡CO₂气体保护焊的电流信号，应用双正交小波Bior2.4在尺度2⁵时，可以由细节部分的模极大值较好地检测信号的局部奇异性，并可将其作为信号的信息特征提取出来。
2.2 人工神经网络评定弧焊质量
人工神经网络ANN(Artificial Neural Networks)，是基于模仿人类生物大脑的结构和功能而构成的一种信息处理系统，由大量高度互联的简单处理单元组成^[8]。这种简单的处理单元称为神经元。焊接过程是一个高度非线性、多变量耦合作用，同时具有大量随机不确定因素的复杂过程。这种复杂性决定了其数学模型建立的困难性，而神经网络则可在不做任何假设的情况下对过程建模及控制^[9]。针对CO2短路过渡焊，利用MATLAB提供的神经网络工具箱，采用BP网络建立焊接过程统计参数和质量等级参数L之间的关系模型，即用6个评价参数P₁、P₂、P₃、P₄、P₅、P₆为神经网络的输入层，以质量等级参数L为神经网络的输出层，构造一个三层BP神经网络。若用一定试验数据作为训练样本，对网络进行训练，然后把待评估的焊接试验样本输入训练好的网络，就可得到网络估测的焊接质量参数L。输出的质量参数L可以作为焊接质量评估的指标，对于实际生产有一定指导意义。
　　本文基于USB总线技术所开发的针对CO2焊接电参数检测的C8051F320高速SOC虚拟仪器检测分析系统，将USB总线技术成功应用于焊接过程的信号检测，实现了对焊接过程的大数据量采集和高速实时数据传输通信，具有一定的开创性；成功实现了Cygnal公司的USB型单片机C8051F320与LabView软件开发平台的数据通信；开发的USB接口硬件采集设备可热插拔、即插即用、使用便捷，大大方便了传统的数据采集卡；开发的客户端高级应用程序界面逼真于传统硬件仪器界面，操作简便，可满足实际焊接生产中长时间、不间断的实时监测和记录焊接工艺参数的需要；具备多种焊接数据分析功能：瞬时U-I图、小波消噪、小波分析提取焊接过程特征信息、电弧电压概率密度分布图、焊接电流概率密度分布图、短路时间频数图、燃弧时间频数图、特征参数统计、神经网络评定焊接质量，可基本满足对弧焊过程分析的需求，对焊接生产具有一定指导意义。

参考文献
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