摘要：論述了系統的組成原理和實(shí)現方法。充分利用上、下位機的性能特點(diǎn)，定制合理的通信協(xié)議，實(shí)現了PC機與單片機之間的串行通信。主要論述了下位機各功能模塊的組成和編程方法。
關(guān)鍵詞：上位機 通信協(xié)議 下位機 步進(jìn)電機 焊接功率
平行縫焊機用于封裝集成電路芯片。目前我國使用的封裝集成電路芯片的設備基本來(lái)自于美國和日本等*，價(jià)格昂貴，因此使其變得國產(chǎn)化、價(jià)位低具有深遠的意義。
1 系統的主要組成與功能
系統由上位機（PC機）和下位機（單片機）兩部分組成，硬件結構如圖1所示。
上位機（PC機）軟件采用可視化編程語(yǔ)言VB6.0開(kāi)發(fā)，使用Mscomm控件完成PC機與單片機的數據通信，傳送控制信息、狀態(tài)信息和焊接參數；并利用VB6.0具有的對各種數據庫的操作能力實(shí)現焊接的人性化。下位機（單片機）通過(guò)串行接口接收PC機發(fā)送的命令，啟動(dòng)工作程序，控制6個(gè)步進(jìn)電機（其中x軸兩個(gè)、y軸1個(gè)、z軸兩個(gè)，旋轉θ軸1個(gè)），通過(guò)絲杠將電機的角位移轉換為線(xiàn)位移，帶動(dòng)焊接電極按設計的軌跡運行，并實(shí)時(shí)向PC機傳送當前的運行狀態(tài)。系統的主要功能有：
①上位機實(shí)時(shí)監視下位機的工作狀態(tài)，控制下位機的工作過(guò)程；設置下位機的工作參數，接收和發(fā)送數據信息、控制信息和狀態(tài)信息；記錄歷史芯片的焊接參數。系統在重新上電時(shí)，將*的焊接參數作為本次焊接參數的默認值；進(jìn)行數據處理并顯示數據和工作狀態(tài)，指導操作過(guò)程；
②下位機控制6個(gè)步進(jìn)電機的轉動(dòng)，最終控制焊接電極的移動(dòng)；控制焊接功率的大小并實(shí)現間歇控制；實(shí)現焊接電極的微調。
2.1 系統資源的利用
為充分利用PC機強大的數據處理能力、海量的存儲空間，有效地發(fā)揮單片機數據存儲器的作用，必須合理地分配系統資源。具體做法之一是PC機在發(fā)送焊接數據時(shí)，將其以浮點(diǎn)數存儲的焊接參數根據步進(jìn)電機的步角和絲杠比轉換為脈沖數發(fā)送給單片機；二是當脈沖數占用的位數略大于單字節整數倍N位時(shí)，在滿(mǎn)足精度要求的前提下有：發(fā)送的數據=原數據/2n，這時(shí)對發(fā)送數據取整，單片機接收到該整數數據后，左移N位便可恢復真實(shí)數據。這樣既提高了通信效率，又減小了對單片機RAM的占用。
2.2 系統通信協(xié)議
波特率設置為4800bps；數據幀結構設置為：起始位1bit，數據位8bit，停止位1bit。
PC機向單片機發(fā)送的信息包包括數據信息包和控制信息包。數據信息包括結構為：以“S”字符開(kāi)頭，其后為22字節的16進(jìn)制數。發(fā)送時(shí)按ASCII碼格式（文本格式）發(fā)送，實(shí)際發(fā)送44個(gè)ASCII碼。下位機正確收到后，向PC機發(fā)“K”作為確認應答信號。若在規定的時(shí)間內，PC機未收到“K”信號，則重發(fā)。若三次未成功，則在屏幕上給出顯示信息。PC機必須保證44個(gè)ASCII碼的包長(cháng)度，以免系統誤動(dòng)?？刂菩畔Y構為：以大寫(xiě)“O”開(kāi)始，其后為單字節16進(jìn)制數的控制字，實(shí)際發(fā)送兩個(gè)字節ASCII碼，也是以“K”作為應答信號，采用等比碼3/8。發(fā)送時(shí)高位在前，低位在后。
PC機從單片機接收的信息包括結構的主要內容為數據信息和狀態(tài)信號，且數據信息和狀態(tài)信息被同時(shí)發(fā)送。該信息以“S”開(kāi)關(guān)，其后為32個(gè)1位16進(jìn)制數的ASCII碼，以“K”作為結束信號。若PC機收到單片機發(fā)來(lái)的完整信息包，則有屏幕提示，指示用戶(hù)進(jìn)行操作。
以上的信息由雙字節數、單字節數混合構成，信息包的頭與尾均采用非十六進(jìn)制的ASCII碼字符，以示區分。接收方則按照協(xié)議雙方規定的算法進(jìn)行解包，發(fā)送方按照雙方規定的數據結構組包。
3 下位機的主要組成模塊及設計思想
3 下位機的主要組成模塊及設計思想
3.1 模信模塊
通信模塊的硬件組成由于令使用了一片MAX232完成電平的轉換功能而變得較為簡(jiǎn)單，免去了一般芯片使用±12V～15V電壓帶來(lái)的麻煩，而且與PC機的連接方式是最為簡(jiǎn)單的，不需要進(jìn)行硬握手，大量的工作都由軟件完成。
其主要程序設計方法如下：
①下位機接收PC機發(fā)送的數據包，以中斷方式（且設置為高級中斷）來(lái)接收，以滿(mǎn)足通信的實(shí)時(shí)性要求。這里僅是觸發(fā)接收中斷服務(wù)程序的執行并且接收首字節，一旦進(jìn)入該中斷程序后，就用程序查詢(xún)的方法來(lái)接收剩余的字節。接收標志RI是硬件置位、軟件復位的，數據后，接協(xié)議規定對數據進(jìn)行解碼和驗證，并向PC機返回驗證信息。②下位機向PC機發(fā)送運行狀態(tài)信息的子程序是根據程序工作過(guò)程的需要而調用的。在調用過(guò)程中為保證程序邏輯清晰性，使CPU關(guān)中斷，利用程序查詢(xún)發(fā)送標志TI（TI的使用同RI相似），按協(xié)議要求進(jìn)行數據變換并發(fā)送完整個(gè)信息包，再使CPU開(kāi)中斷，整個(gè)程序執行完畢。
3.2 步進(jìn)電機控制模塊
3.2 步進(jìn)電機控制模塊
步進(jìn)電機是機電一體化產(chǎn)品中重要的執行元件之一。對于三相反應式步進(jìn)電機，其工作方式分為兩種。本系統選用三相單、雙六拍通電方式，這種方式不容易失步，在轉子平衡位置附近不易產(chǎn)生振蕩，運行的穩定性較好，而且控制的精度也提高了一倍，為使步進(jìn)電機的運行更平穩，控制精度更高，系統采用了具有細分的步進(jìn)電機驅動(dòng)器來(lái)控制。步進(jìn)電機的轉速取決于步進(jìn)脈沖序列的頻率。其硬件接口電路如圖2所示。圖中只是X軸左側步進(jìn)電機的連接示意圖，其余電機的連接方式與圖中相似，但使用8155A其它的引腳。步進(jìn)電機驅動(dòng)器的CP+和CP-是步進(jìn)脈沖輸入端，U/D+和U/D-是方向控制輸入端，PD+和PD-為脫機控制輸入端（本系統未使用），且各具有光電隔離電路，有利于實(shí)現系統工作的安全性和可靠性，連線(xiàn)采用共陽(yáng)極接法是因為邏輯電路的灌電流負載能力通常大于拉電流負載能力；DC和GND為電源接線(xiàn)端，要求為直流20～60V,電流為4A；輸出端A+和A-、B+和B-、C+和C-分別與步進(jìn)電機A、B、C三相引出線(xiàn)對應連接。對步進(jìn)電機的控制主要有邏輯控制和速度控制。
邏輯控制包括電機旋轉方向控制和發(fā)送步進(jìn)脈沖序列。由于訪(fǎng)問(wèn)8155的PA口和PB口需以字節方式進(jìn)行，因此根據旋轉方向控制和步進(jìn)脈沖序列發(fā)送的需要，組成邏輯置位和復位兩個(gè)控制字，交替地輸出到對應的端口，即可實(shí)現對電機旋轉的控制。系統最多控制兩個(gè)電機同時(shí)工作，共有16個(gè)控制字。具體編程思想是：脈沖數經(jīng)步進(jìn)角到角位移，再經(jīng)絲杠到位移，即可實(shí)現脈沖數正比于線(xiàn)位移。
速度控制是通過(guò)在置位和復位兩個(gè)控制字交替輸出期間插入延時(shí)子程序而實(shí)現的，所以速度的快慢是由延時(shí)子程序的執行時(shí)間決定的。在本系統的電機工作的低速區，非焊接運行時(shí)控制線(xiàn)速為4mm/s；焊接運行時(shí)線(xiàn)速為1～8mm/s，由PC機根據需要實(shí)時(shí)控制。
3.3 PWM模塊
為滿(mǎn)足IC芯片縫焊的技術(shù)條件，要求焊接過(guò)程的功率加載是間歇的，為此設計了PWM脈沖寬度調制模塊，以實(shí)現對功率的間歇控制。圖3是本模塊的電路組成。核心器件為SG3524，它的輸出為周期脈沖序列，其周期受RT、CT端對地的接入電阻RT和接入電容CT的控制，周期T=0.77Rt×Ct，所以在此串入數字電位器X9C104用以實(shí)現對T的控制。按圖中數字電位器的使用方法，則其電阻R的表達式為：R=(99-n)×100kΩ,其中n是通過(guò)編程進(jìn)行控制的。SG3524的輸出信號的占空比由D/A轉換電路通過(guò)編程控制。本系統實(shí)現了T=40ms～80ms，占空比為0～*，由上位機控制。
圖4 功率控制模塊電路圖
3.4 焊接功能控制模塊
圖4 功率控制模塊電路圖
3.4 焊接功能控制模塊
焊接功率的控制實(shí)際上是通過(guò)控制輸出電壓來(lái)間接實(shí)現的。由單片機輸出數字信號到DAC0832進(jìn)行數/模轉換，轉換的結果經(jīng)SG3524控制的模擬開(kāi)關(guān)后，再控制固態(tài)調壓模塊EVU—40A，使其輸出的交流電壓與輸入的數字信號成線(xiàn)性比例。將輸出電壓將至焊接變換器，轉換為低電壓高電流加到焊接電極，通過(guò)產(chǎn)生高溫對IC芯片進(jìn)行縫焊。實(shí)現電路如圖4所示。另外由于EVU—40A調壓模塊在實(shí)際運用過(guò)程中存在殘留電壓，致使在調節焊接參數時(shí)電極焊輪出現打火現象，致使不必要的損失，因此在調壓模塊的輸入回路串接交流固態(tài)繼電器GJH25—W進(jìn)行阻斷。
對焊接功率模塊控制折編程方法如下：?jiǎn)纹瑱C接收上位機的功率控制信息并寫(xiě)入地址為6000H的DAC0832芯片，同時(shí)GJH25-W送有效控制信號使其導通，焊接電極就有相應的功率輸出，進(jìn)行縫焊。不進(jìn)行焊接時(shí)，使GJH25—W截止，同時(shí)向DAC0832發(fā)送OFFH，實(shí)現焊接完全可靠的斷開(kāi)。
4 實(shí)驗測試結果
X、Y軸絲杠的線(xiàn)位移/角位移=4mm/360度，Z軸線(xiàn)絲杠的線(xiàn)位移/角位移=1.5mm/360度，步進(jìn)角均為0.36度。實(shí)驗方法是：利用計算機發(fā)送脈沖數并計算理論值，用千分尺實(shí)際測量并計算絕對誤差值（見(jiàn)表1）。分析結果滿(mǎn)足設計要求。
表1 實(shí)驗數據測試表
表1 實(shí)驗數據測試表
| 序 號 | 脈沖數 | 理論值/mm | 實(shí)際值/mm | 誤差/mm | ||||||
| X | Y | Z | X | Y | Z | X | Y | Z | ||
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 |
1000 1000 1000 1500 1500 1500 2000 2000 2000 |
4.00 4.00 4.00 6.00 6.00 6.00 8.00 8.00 8.00 |
4.00 4.00 4.00 6.00 6.00 6.00 8.00 8.00 8.00 |
1.50 1.50 1.50 2.25 2.25 2.25 3.00 3.00 3.00 |
4.01 4.01 4.00 6.01 6.01 5.99 8.00 7.99 7.99 |
3.99 4.00 4.01 6.00 5.99 5.98 8.01 8.02 8.01 |
1.51 1.49 1.51 2.24 2.25 2.26 2.99 2.98 2.99 |
0.01 0.01 0.00 0.01 0.01 -0.01 0.00 -0.01 -0.01 |
-0.01 0.00 0.01 0.00 -0.01 -0.02 0.01 0.02 0.01 |
0.01 -0.01 0.01 -0.01 0.00 0.01 -0.01 -0.02 -0.01 |
| *絕對誤差 | 0.01 | 0.02 | 0.02 | |||||||
本系統經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的試驗運行，證明通信實(shí)時(shí)性好、控制精度高，滿(mǎn)足了設計要求。
