基于ARM的脉冲MIG焊数字化系统的研究
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摘要
数字控制具有稳定、灵活、精确、可靠、快速和集成度高等特点，为保证脉冲MIG焊的焊接工艺稳定性和工艺效果、保证焊接设备体积小质量轻等提供了必要条件。在设备研究上，国内外采用先进的数字化技术，已经实现了对焊接电源的优化与管理，提高了焊接过程的稳定性和生产效率。但从整体上看，国内的研究中，多数都将重点放在焊接电源的性能提高上，对焊接设备整体协调、人工智能及专家系统的应用、以及基于网络的多机系统的研究开展的还比较少。
本课题在研究了现有高性能嵌入式处理器的基础上，选择了当前较流行的、具有网络应用能力的ARM9系列嵌入式芯片作为核心处理器，对脉冲MIG焊数字化系统进行了全面的规划与设计，研究了嵌入式系统在焊接电源控制、网络应用以及小型专家系统等问题上的解决方案，设计了完整的脉冲MIG焊数字化系统的应用结构模型。
本文分析了ARM920的嵌入式处理器的内核组成结构，分析了嵌入式操作系统RTOS(本文使用的是Linux 2.4版)的基本特性，讨论了嵌入式系统的软件基本工作模式及其控制方法，并根据数字化系统设计方案，使用广州斯道S3C2410嵌入式系统普及板建立了基础实验环境，给出了基于ARM920处理器内建的四路PWM来驱动移相全桥逆变主电路的硬件结构和软件设计方法，给出了基于CS8900A网络芯片的嵌入式系统的设备硬件接口电路和驱动程序设计，给出了基于嵌入式数据库系统mSQL的网络数据库的简单应用，另外，本文还对嵌入式环境下电磁干扰和保护开展基础性的研究工作。
将高性能ARM嵌入式系统应用MIG焊数字化系统上，在硬件上，简化了一般微机控制的体系结构，缩小了设备体积，增强了设备的适应性和可扩展性；在软件上，充分利用其操作系统资源及网络资源，能够方便的实现数据的传输和处理，为实现专家系统应用和在线升级提供了便利条件。本课题为焊接设备的数字化系统提供更符合当前应用发展的解决方案，也使网络化先进集成制造和焊接智能专家系统的提供了可能。
Digital control has the characteristics of stabilization, portability, accurateness, reliability, rapidity and highly integration, which provide necessary support to ensure the stability and technique effect of pulse MIG welding, to ensure the welding device in a small volume and with a light weight. In the device researching, based on advanced digital technique, The optimization and management of welding power has realized and was improved the stability and working efficiency of welding process. However, most research, especially in domestic field, is focused on the improvement of welding power. Further research such as collaboration of welding device, network multi-machine system, application of Artificial Intelligence system, are still in the primary stage.
Based on the study of high-powered embedded CPU, this project chose the ARM9 embeded chip as CPU, which is widely used and has network function. The project also designed pulse MIG welding digital system, studied the solution of the embedded system application in welding power control, network application and Intelligence system, designed the application structure model of pulse MIG welding digital control system.
This thesis analyzed the core structure of ARM920 embeded chip and basic function of RTOS embeded operation system(thesis use Linux verson2.4 as a example), discussed the software working model and control method of embedded system. According to the digital design solution, the project established the basic working environment based on Guangzhou Store S3C2410 embeded system development board, provided hardware and software design solution to drive the main circuit of phase shifting entire bridge inversion based on the four PWM in ARM920 chip, designed the driver program and the hardware device interface circuit based on CS8900A net chip, realized the application of network database based on embedded database system which is mSQL. In addition, the thesis also studied the electronmagetic interference and protection under embedded evelment.
From the hardware point of view, the application of high-powered ARM embedded system on pulse MIG welding digital control system, reduced the architecture of microcomputer control and device volume, improved the adaptability and expansibility of the device. From software point of view, using the operating system and network resources, the system can easily realized the data process and transport, which make it much easier to the application and online update for the intelligence system. The project provide a executable solution for the digital system of welding equipment, it also provide workspace for the intelligence machine useing in net and intelligence system.
本课题在研究了现有高性能嵌入式处理器的基础上，选择了当前较流行的、具有网络应用能力的ARM9系列嵌入式芯片作为核心处理器，对脉冲MIG焊数字化系统进行了全面的规划与设计，研究了嵌入式系统在焊接电源控制、网络应用以及小型专家系统等问题上的解决方案，设计了完整的脉冲MIG焊数字化系统的应用结构模型。
本文分析了ARM920的嵌入式处理器的内核组成结构，分析了嵌入式操作系统RTOS(本文使用的是Linux 2.4版)的基本特性，讨论了嵌入式系统的软件基本工作模式及其控制方法，并根据数字化系统设计方案，使用广州斯道S3C2410嵌入式系统普及板建立了基础实验环境，给出了基于ARM920处理器内建的四路PWM来驱动移相全桥逆变主电路的硬件结构和软件设计方法，给出了基于CS8900A网络芯片的嵌入式系统的设备硬件接口电路和驱动程序设计，给出了基于嵌入式数据库系统mSQL的网络数据库的简单应用，另外，本文还对嵌入式环境下电磁干扰和保护开展基础性的研究工作。
将高性能ARM嵌入式系统应用MIG焊数字化系统上，在硬件上，简化了一般微机控制的体系结构，缩小了设备体积，增强了设备的适应性和可扩展性；在软件上，充分利用其操作系统资源及网络资源，能够方便的实现数据的传输和处理，为实现专家系统应用和在线升级提供了便利条件。本课题为焊接设备的数字化系统提供更符合当前应用发展的解决方案，也使网络化先进集成制造和焊接智能专家系统的提供了可能。
Digital control has the characteristics of stabilization, portability, accurateness, reliability, rapidity and highly integration, which provide necessary support to ensure the stability and technique effect of pulse MIG welding, to ensure the welding device in a small volume and with a light weight. In the device researching, based on advanced digital technique, The optimization and management of welding power has realized and was improved the stability and working efficiency of welding process. However, most research, especially in domestic field, is focused on the improvement of welding power. Further research such as collaboration of welding device, network multi-machine system, application of Artificial Intelligence system, are still in the primary stage.
Based on the study of high-powered embedded CPU, this project chose the ARM9 embeded chip as CPU, which is widely used and has network function. The project also designed pulse MIG welding digital system, studied the solution of the embedded system application in welding power control, network application and Intelligence system, designed the application structure model of pulse MIG welding digital control system.
This thesis analyzed the core structure of ARM920 embeded chip and basic function of RTOS embeded operation system(thesis use Linux verson2.4 as a example), discussed the software working model and control method of embedded system. According to the digital design solution, the project established the basic working environment based on Guangzhou Store S3C2410 embeded system development board, provided hardware and software design solution to drive the main circuit of phase shifting entire bridge inversion based on the four PWM in ARM920 chip, designed the driver program and the hardware device interface circuit based on CS8900A net chip, realized the application of network database based on embedded database system which is mSQL. In addition, the thesis also studied the electronmagetic interference and protection under embedded evelment.
From the hardware point of view, the application of high-powered ARM embedded system on pulse MIG welding digital control system, reduced the architecture of microcomputer control and device volume, improved the adaptability and expansibility of the device. From software point of view, using the operating system and network resources, the system can easily realized the data process and transport, which make it much easier to the application and online update for the intelligence system. The project provide a executable solution for the digital system of welding equipment, it also provide workspace for the intelligence machine useing in net and intelligence system.
引文
[1] 黄石生．逆变焊接电源的研究．电焊机，2001，31(2)：8-11．
[2] 殷树言，陈树君，刘嘉等．逆变焊接电源及现代焊接技术现状与思考．电焊机，2003，33(8)：12-17．
[3] 尤志春，李鹤岐．基于DSP-MCU数字化焊接电源系统的设计．甘肃科学学报，2005，17(6)：100-104．
[4] 刘嘉，卢振洋，殷树言等．电焊机的数字化．焊接学报，2002，23(1)：88-92．
[5] 程杰斌，王华民，李劲松等．基于CPLD的全数字脉宽调制器的设计．电力电子技术，2003，37(3)：76-78．
[6] Mizi. Online Reference Documemtation. http://www.mizi.com/deve12oper/s3c2410x,2003-12.
[7] 徐德进．微机控制多功能IGBT逆变焊机的研制[硕士学位论文]．兰州：甘肃工业大学材料科学与工程学院，2003．
[8] 蒋晓明，李远波，黄石生．软开关逆变器在CO2波控电源中的应用研究．电焊机，2006，36(4)：56-59．
[9] 潘际銮．二十一世纪焊接科学研究的展望．第九次全国焊接会议论文集第一册．哈尔滨：黑龙江人民出版社，1999．
[10] 赵楠员，李芳员，华学明等．数字化埋弧焊机人机界面的研制．电焊机，2005，35(12)：52-55
[11] 马林．一种基于ARM核处理器的嵌入式网络温度传感器设计．国外电子测量技术，2006，25(1)：12-14．
[12] 任善全，吕强，钱培德等．一个基于Qt／Embedded的嵌入式Linux应用程序的实现．计算机应用与软件，2006，23(2)：105-107
[13] 赵立民．可编程逻辑器件与数字系统设计．北京：机械工业出版社，2003．
[14] 马忠梅，马广云等．ARM嵌入式处理其结构与应用基础．北京：北京航空航天大学出版社，2002．
[15] 曾敏．机器人波控CO_2高速焊模糊控制的研究[博士学位论文]．广州：华南理工大学机械工程学院．2001
[16] 刘峥嵘，张智超，许振山等．嵌入式Linux应用开发详解．北京：机械工业出版社，2004．
[17] 石迂，樊丁，谢新明等．基于嵌入式网关的数字电焊机网络控制系统研究．兰州工业大学学报，2004，30(6)：9-12．
[18] 周洁．逆变电源数字控制技术的应用．广东：广东电力，2005，18(1)：32-35．
[19] Willian R, Ji M G. Networking of welding applications: Atutorial. Welding Journal, 2000,79(1):49-51.
[20] 樊江涛，陈建云，韦宝泉．ARM处理器+DSP构架的微机馈线保护装置的研制．电力系统自动化，2005(1)：77-80．
[21] 熊蕊，朱秋花，王国锋．SPWM逆变电源输出电压波形重复控制技术的研究．电力电子技术，2001(4)：45-48．
[22] 杨大江．新型功率器件IGCT的研究[硕士学位论文]．西安交通大学，2000．
[23] 冯欣．基于CAN总线的分布式嵌入式远程监控系统研制．电气传动，2004(6)．
[24] 李嘉，杨俪福．嵌入式远程监控系统开发．自动化仪表，2002(4)：5-7．
[25] 广州周立功单片机发展有限公司．常用ARM指令集汇编．ver：1.0.12，2004
[26] 谢玉章，李迪．嵌入式系统和基于WindowsCE的在线检测设备．电测与仪表，2003，40(6)：40-42．
[27] Clarke, K. S. P., Kershaw, D. The system design of a Windows CE ARM based micro-controller. Computer Design: VLSI in Computers and Processors, 1998, ICCD 98, Proceedings., International Conference on,5.-7 Oct 1998.
[28] 微软公司．Microsoft Windows CE．NET Help．
[29] 邹思轶．嵌入式Linux设计与应用．北京：清华大学出版社，2001
[30] 毛德操，胡希明．Linux内核源代码情景分析．杭州：浙江大学出版社，2001．
[31] 吴忠，李红，左鹏等．自然采样SPWM逆变电源的谐波分析及抑制策略．电网技术，2001，25(4)
[32] Hamman J, Van Der Merwc F S. Voltage Harm on ics generated by voltage-fed inverters using PWM natural sam pling IEEE Transactions on Power Electronics, 1988, 3(3): 297-302.
[33] 李鹤岐，路广，李虹等．脉冲MIG／MAG焊机控制系统优化．兰州：兰州理工大学学报，2004，30(10)．
[34] 胡长生，林平，张仲超．基于EPROM存储的廉价的数字式SPWM调制器．电气传动，2001(6)．
[35] 吴祥淼，黄石生，王志强等，逆变焊接电源的发展及其可靠性研究．电焊机，2001，31(2)：8-11，19．
[36] 张滨，王克争，龙光华．提高IGBT逆变焊机性能的研究．电焊机，2001，31(7)：3-5．
[37] Sumsung Electrienic. S3C2410A 200MHz & 266MHz 32-BIT RISC MICROPROCESSOR USER'S MANUAL. Revision 1.0.
[38] 丁贤后．400A全桥零电压逆变手弧焊电源的研究[硕士学位论文]．北京：清华大学机械工程系，1999．
[39] 任旭龙，周纬杰．基于嵌入式Linux操作系统内核实时性的改进方法研究．北京：计算机工程与科学，2006，28(1)，125-127，138．
[40] Ing Habil. Innovations in welding technology in 2000. Welding and Cutting, 2000(6): 8-18.
[41] 魏永明．嵌入式Linux系统图形及图形用户界面综述．http://www.softhouse.com.cn/linux/knowledge/tech/6626.html,2004,3．
[42] 王策．基于Linux的嵌入式系统开发．计算机应用，2002(7)：8-12．
[43] 张娟．基于嵌入式Linux的GUI应用程序的实现．计算机应用，2003(4)：19-21．
[44] Trolltech, Online Reference Documemtation, http://doc.Trolltech.com/,2003(9):16-21.
[45] 郭胜超．一个嵌入式Linux应用系统在Lubbock开发板上的实现．计算机应用，2003(12)：22-24．
[46] Qtop ia.http://www.trolltech.com/products/qtopia/index.html,2003,9.
[47] http://www.linuxdevices.com/links/LK7432493143.html,2000,1.
[48] 陆沛涛，袁江明，黄石生．软开关逆变式IGBT弧焊电源的可靠性研究．电焊机，2005，35(12)：46-48．
[49] 唐寅．实时操作系统应用开发指南．北京：中国电力出版社，2002．
[50] 邓集杰，路登平，刘建屏等．国内弧焊设备电磁兼容性研究进展．http://web.3w21.com/wz/lunwen/20050523081827.html
[51] 欧阳黎明．MATLAB控制系统设计．北京：国防工业出版社，2001．
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