氬弧焊機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾研究

張金柏，吳曉光*，李宇

（1.武漢科技學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430073；2.武漢科技學(xué)院 電信工程學(xué)院，湖北 武漢 430073）

氬弧焊機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾研究

張金柏1，吳曉光1*，李宇2

（1.武漢科技學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430073；2.武漢科技學(xué)院 電信工程學(xué)院，湖北 武漢 430073）

隨著單片機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用，對(duì)其可靠性要求也越來越高。由于單片機(jī)控制系統(tǒng)必須具有較高的靈敏度，因此抗干擾技術(shù)己成為的單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的環(huán)節(jié)。分析了氬弧焊接機(jī)床的單片機(jī)控制系統(tǒng)干擾的主要來源，從硬件(主動(dòng)式抗干擾)和軟件(被動(dòng)式抗干擾)兩個(gè)方而進(jìn)行了抗干擾設(shè)計(jì)，得到了在復(fù)雜工作環(huán)境條件下穩(wěn)定地、可靠地運(yùn)行單片機(jī)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，解決了強(qiáng)電磁環(huán)境對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)的干擾難題。

單片機(jī)控制系統(tǒng)；干擾源；抗干擾

1 引言

單片機(jī)由于具有價(jià)格低、可靠性高和面向控制的特點(diǎn)，在檢測、控制系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，幾乎滲透到各個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域。單片機(jī)組成的控制系統(tǒng)必須具有較高的靈敏度，但是，靈敏度越高，越容易把干擾引入系統(tǒng)中。在實(shí)際應(yīng)用中，在實(shí)驗(yàn)室里設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)，在安裝、調(diào)試后是完全符合設(shè)計(jì)要求；可是，一旦把系統(tǒng)引入現(xiàn)場后，系統(tǒng)往往不能夠正常穩(wěn)定地工作，其原因在于，強(qiáng)噪聲淹沒了被測信號(hào)，使測量無法進(jìn)行。所以單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一，抗干擾性能的高低將決定系統(tǒng)能否在復(fù)雜環(huán)境下，尤其是在各種實(shí)時(shí)控制的遠(yuǎn)距離系統(tǒng)中穩(wěn)定、可靠地工作。

在焊接現(xiàn)場的工作環(huán)境中，往往存在多種干擾源，其中最主要的是焊接電源工作時(shí)產(chǎn)生的強(qiáng)電磁場干擾。各種干擾源以一種或者多種方式作用于焊接機(jī)床的計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)，對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生強(qiáng)烈的干擾，使得系統(tǒng)的性能指標(biāo)偏離設(shè)計(jì)要求，最終導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)果。因此，測控系統(tǒng)的抗干擾性能是系統(tǒng)可靠性的重要指標(biāo)，抗干擾設(shè)計(jì)是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)中不可忽視的一個(gè)重要內(nèi)容[1-5]。

本文分析了氬弧焊接機(jī)床中單片機(jī)控制系統(tǒng)干擾的主要來源，就如何通過硬件及軟件技術(shù)來全而提高單片機(jī)系統(tǒng)的抗干擾性，從而提高其可靠性等問題進(jìn)行研究，找出解決方案。

2 氬弧焊接機(jī)床的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 氬弧焊接機(jī)床的組成結(jié)構(gòu)

氬弧焊接機(jī)床由焊接機(jī)頭、電氣控制箱、行走裝置和焊接電源4部分組成，控制箱內(nèi)主要裝有發(fā)電機(jī)組，整流器，繼電器和接觸器以及引弧，熄弧等控制系統(tǒng)。電源由晶閘管式弧焊整流器和晶閘管式直流斷續(xù)器組成（如圖1所示）。

圖 1 氬弧焊接機(jī)床的組成結(jié)構(gòu)

自動(dòng)焊車主要由機(jī)頭，控制盤，焊絲盤及焊劑斗和行車機(jī)構(gòu)等部分組成。機(jī)械機(jī)構(gòu)主要由工作臺(tái)(機(jī)座)和機(jī)架組成。工作臺(tái)的傳動(dòng)方式采用滾珠絲杠螺母傳動(dòng)副，以保證一定的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性以及結(jié)構(gòu)的緊湊[6-8]。

2.2 氬弧焊接機(jī)床的控制系統(tǒng)

本控制系統(tǒng)是由單片機(jī)控制模塊，電機(jī)運(yùn)動(dòng)模塊，弧焊啟停模塊所組成，以單片機(jī)為核心，控制焊接過程的啟停和工作臺(tái)各裝置的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。氬弧焊接機(jī)床的x，y,z三坐標(biāo)軸方向的運(yùn)動(dòng)及焊接送絲過程由四臺(tái)獨(dú)立的步進(jìn)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)。

本文采用了80C51單片機(jī)控制系統(tǒng),主要用于工作程序、規(guī)范預(yù)置、引弧及自動(dòng)調(diào)節(jié)等控制功能。電氣控制部分要實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)方面的功能（見圖2）。

圖 2 單片機(jī)控制系統(tǒng)的工作流程圖

(1)完成整個(gè)焊機(jī)的動(dòng)作程序, 控制機(jī)械設(shè)備的運(yùn)動(dòng),包括依次完成機(jī)臂下降、引弧、電流遞增、焊接(轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng))、計(jì)時(shí)、電流衰減、熄弧、轉(zhuǎn)臺(tái)停轉(zhuǎn)、焊槍退出(機(jī)臂上升)和程序復(fù)位等動(dòng)作程序。

(2)機(jī)臂升降和引弧過程控制。若電弧引燃,則自動(dòng)進(jìn)入焊接程序; 若引弧失敗, 則焊槍能自動(dòng)進(jìn)行第二次引弧, 直至第5次引弧，若電弧仍不能引燃則自動(dòng)停機(jī)、報(bào)警, 以便操作人員進(jìn)行檢查[9-12]。

(3)焊接過程出現(xiàn)異常時(shí), 自動(dòng)報(bào)警。

3 硬件系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件電路性能的好壞直接影響整個(gè)系統(tǒng)工作質(zhì)量，應(yīng)用硬件抗干擾措施是經(jīng)常采用的一種有效方法。通過合理的硬件電路設(shè)計(jì)可以削弱或抑制絕大部分干擾。在單片機(jī)控制系統(tǒng)硬件抗干擾設(shè)計(jì)中，可以采用以下幾種抗干擾措施。

3.1 電源的抗干擾設(shè)計(jì)

電源變壓器的初級(jí)和次級(jí)線圈之間存在著分布電容CF, CF的高頻容抗很小，使高頻干擾以電場形式耦合到次級(jí)，造成嚴(yán)重干擾。利用靜電屏蔽原理，我們?cè)谧儔浩鞯某跫?jí)繞組和次級(jí)繞組之間增加接地的屏蔽層，切斷電場耦合通道，使高頻干擾信號(hào)通過屏蔽層直接旁路到地，減少電網(wǎng)的高頻干擾。

3.2 通道抗干擾設(shè)計(jì)

3.2.1 隔離式相互串?dāng)_的設(shè)計(jì)

在單片機(jī)控制的氬弧焊接系統(tǒng)中，單片機(jī)控制系統(tǒng)屬于弱電部分，而氬弧焊機(jī)則屬于強(qiáng)電部分，它們之間的功率接口直接控制著被控設(shè)備。當(dāng)被控設(shè)備啟停時(shí)會(huì)給單片機(jī)控制系統(tǒng)帶來很大的噪聲干擾，因而被控設(shè)備就成為單片機(jī)控制系統(tǒng)的主要干擾源。

本文采用了光電隔離器件將單片機(jī)的輸入輸出隔離開（見圖3），一方面使干擾信號(hào)不得進(jìn)入單片機(jī)系統(tǒng)，另一方面單片機(jī)系統(tǒng)本身的噪聲也不會(huì)以傳導(dǎo)的方式傳播出去。其主要優(yōu)點(diǎn)是能有效地抑制尖峰脈沖及各種噪聲干擾，從而使傳輸通道的信噪比大大提高。

圖3 光電耦合原理圖

3.2.2 防止線間串?dāng)_的設(shè)計(jì)

在預(yù)防線間串?dāng)_方面，我們采用的具體方法有：將強(qiáng)電信號(hào)線和弱電信號(hào)線分開；交流和直流分開；數(shù)字信號(hào)線和模擬信號(hào)線分開；傳輸線應(yīng)盡量遠(yuǎn)離電源等大功率器件；傳輸線采用雙絞線，并且要盡量短[13]。

在控制系統(tǒng)內(nèi)部，交直流電源線、繼電器、氣閥和引弧回路的控制線等，都有可能成為干擾源。同時(shí)，焊機(jī)和控制系統(tǒng)通過導(dǎo)線連接，導(dǎo)線本身也容易受到外界干擾，因此需要解決線間串?dāng)_問題。我們將信號(hào)線加以屏蔽，以提高抗干擾能力。屏蔽信號(hào)線的辦法是將機(jī)內(nèi)控制線都采用雙絞線。由于兩股導(dǎo)線上感應(yīng)電流流動(dòng)方向相反，感應(yīng)磁通引起的噪聲電流互相抵消，同時(shí)長度相等，特性阻抗以及輸人、輸出阻抗相同，抑制噪聲效果比較好。另外，雙絞線雖然有抵消電磁感應(yīng)干擾的作用，但兩股導(dǎo)線間的分布電容卻比較大，對(duì)靜電干擾幾乎沒有抵抗能力，而一端接地的屏蔽線對(duì)靜電干擾有較強(qiáng)的抑制作用，因此，連接焊機(jī)和單片機(jī)控制系統(tǒng)的導(dǎo)線選用屏蔽線，來抑制靜電感應(yīng)干擾。

3.3 電路布局的抗干擾設(shè)計(jì)

印刷電路板是器件、信號(hào)線、電源線的高密度集合體，設(shè)計(jì)得好壞對(duì)抗干擾能力影響很大。因此印刷電路板設(shè)計(jì)不是元器件和線路簡單布局，還必須符合抗干擾的原則。

單片機(jī)系統(tǒng)通常可分三區(qū)，即模擬電路區(qū)(怕干擾)，數(shù)字電路區(qū)(既怕干擾、又產(chǎn)生干擾)，功率驅(qū)動(dòng)區(qū)(干擾源)。而在焊接控制系統(tǒng)中，單片機(jī)及其外圍系統(tǒng)工作在l0MHz以上的高頻，PWM控制電路工作于20kHz左右的中頻，交流電源信號(hào)工作于50Hz的低頻，另外還有工作于直流和低頻的給定、反饋等模擬信號(hào)，電路的工作頻帶相當(dāng)寬。因此在電路板設(shè)計(jì)時(shí)，印刷板按單點(diǎn)按電源、單點(diǎn)按地原則送電。二個(gè)區(qū)域的電源線、地線由該點(diǎn)分二路引出；使用滿足系統(tǒng)要求的最低頻率的時(shí)鐘，時(shí)鐘產(chǎn)生器要盡量靠近用到該時(shí)鐘的器件；石英晶體振蕩器外殼要按地，時(shí)鐘線要盡量短；使用45°的折線布線，不要使用90°折線，以減小高頻信號(hào)的發(fā)射；單面板、雙面板，電源線、地線要盡量地粗；關(guān)鍵的線盡量短并且要盡量粗，并在兩邊加上保護(hù)地；單片機(jī)不用端接地或接正電源、閑置不用的門電路輸入端不懸空；引出線與地線要絞起來，圖4為實(shí)際設(shè)計(jì)的電路圖[14]。

圖4 設(shè)計(jì)電路圖

4 軟件系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)

軟件抗干擾技術(shù)是當(dāng)系統(tǒng)受干擾后，使系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行或輸入信號(hào)受干擾后去偽存真的一種輔助方法，此技術(shù)屬于一種被動(dòng)抗干擾措施。竄入微機(jī)測控系統(tǒng)的干擾，其頻譜往往很寬，且具有隨機(jī)性，采用硬件抗干擾措施，只能抑制某個(gè)頻率段的干擾，仍有些干擾會(huì)侵入系統(tǒng)。因此，僅采取硬件抗干擾方法是不夠的，采取軟件抗干擾是十分必要的。但是由于軟件抗干擾設(shè)計(jì)靈活，節(jié)省硬件資源，操作起來方便易行，所以軟件抗干擾技術(shù)在本研究中也得到了重視。

4.1 指令冗余

式中:EL為物流業(yè)能源消耗總量;Ej－L為物流業(yè)第j種能源消耗量;ET為第三產(chǎn)業(yè)能源消耗總量;GDP T為第三產(chǎn)業(yè)國內(nèi)生產(chǎn)總值;GDP為地區(qū)國內(nèi)生產(chǎn)總值;P為地區(qū)人口數(shù)量;area為地區(qū)城市建成區(qū)面積;Area為地區(qū)面積;R表示地區(qū)城市道路面積。

在程序的關(guān)鍵地方人為插入一些單字節(jié)指令，或?qū)⒂行巫止?jié)指令重寫，稱為指令冗余，通常是在雙字節(jié)指令和二字節(jié)指令后插入兩個(gè)字節(jié)以上的NOP指令。這樣即使跑飛程序飛，由于空操作指令NOP的存在，使得這條指令就不會(huì)被前面的失控程序拆散。此外，對(duì)系統(tǒng)流向起重要作用的指令，如RET、 RETI、LCALL、LMP、JC等，可以在這些指令之前插入兩條NOP指令，以確保這些重要指令的執(zhí)行[15]。

要注意的是，不宜加入太多的冗余指令，否則會(huì)降低程序的運(yùn)行效率。并且指令冗余不能主動(dòng)將程序的錯(cuò)誤執(zhí)行方向扭轉(zhuǎn)過來。

4.2 軟件“陷阱”

指令冗余不能完個(gè)解決程程序“跑飛”的問題，若“跑飛”的程序沒有落到程序區(qū)則指令冗余就無能為力了。對(duì)于此種情況，采用設(shè)置軟件陷阱的方法加以解決。所謂軟件“陷阱”，就是一條引導(dǎo)指令，該指令能強(qiáng)行將捕獲的程序引向錯(cuò)誤處理程序或復(fù)位地址0000H。

為了保證可靠的運(yùn)行，以及一旦發(fā)生“跑飛”，不但使其有出口而且便于判斷，實(shí)際應(yīng)用中在整個(gè)程序中設(shè)置了若干軟件陷阱，當(dāng)程序進(jìn)入陷阱后，讓其強(qiáng)制進(jìn)入一個(gè)指定地址執(zhí)行一段專門對(duì)程序出錯(cuò)進(jìn)行處理的程序。通過本項(xiàng)目使用中的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，在外場軟件編寫中，軟件陷阱的設(shè)置，主要是在正常的程序流程中，在認(rèn)為較為重要的程序段中隨機(jī)設(shè)置若干個(gè)故障信息顯示程序區(qū)，一方面是完成正常的故障信息的顯示，另一方面就是在程序“跑飛”的情況下，通過故障信息的顯示，可以快速判斷“跑飛”的程序段，從而使程序步入正軌。程序流程如圖5所示。

圖5 快速判斷“跑飛”的程序段

通常在程序存儲(chǔ)器中未使用的EROM空間填入空操作指令NOP(00H)，最后再填入一條跳轉(zhuǎn)指令，跳轉(zhuǎn)到跑飛處理程序，或者直接填入指令LMP 0000H(020000)，當(dāng)跑飛程序落到此區(qū)，即可在執(zhí)行一段空操作后轉(zhuǎn)入正軌。如果未使用的EROM空間比較大，可以均勻地填入幾條跳轉(zhuǎn)指令。軟件陷阱的一般結(jié)構(gòu)為：

NOP

NOP

如果程序正常執(zhí)行，軟件陷阱部分是永遠(yuǎn)也執(zhí)行不到的，只有在程序跑飛到陷阱里，軟件陷阱會(huì)立刻將程序跳轉(zhuǎn)到正常軌道。即使程序沒有跑飛到陷阱里，也可以在程序執(zhí)行一段錯(cuò)誤操作后遇到一個(gè)軟件陷阱，從而轉(zhuǎn)入正軌。

4.3 軟件“看門狗”技術(shù)

如果“跑飛”的程序落到個(gè)臨時(shí)構(gòu)成的死循環(huán)中時(shí)，也就是常說的“死機(jī)”，冗余指令和軟件陷阱都將無能為力了。這時(shí)可以采用人工復(fù)位的方法使系統(tǒng)恢復(fù)正常。實(shí)際上可以設(shè)計(jì)種模仿人工檢測的“程序監(jiān)視器”，俗稱“看門狗”（WATCHDOG)，使程序脫離“死循環(huán)”。硬件“看門狗”技術(shù)這里不再贅述，軟件“看門狗”技術(shù)的原理是通過不斷檢測程序循環(huán)運(yùn)行時(shí)間，若發(fā)現(xiàn)程序循環(huán)時(shí)間超過循環(huán)設(shè)定時(shí)間，則認(rèn)為系統(tǒng)陷入“死循環(huán)”，然后強(qiáng)迫程序返回到0000H入口地址，在0000H安排出錯(cuò)處理程序，使系統(tǒng)納入正規(guī).

以本項(xiàng)目采用的MCS-51系列單片機(jī)為例，采用8051芯片將T0的溢出中斷設(shè)置為低級(jí)中斷，如果系統(tǒng)采用6MHZ的時(shí)鐘，可用以下程序段使T0定時(shí)約l0ms，來形成軟件WATCHDOG:

MOV TMOD,#01H；

SETB ET0；

SETB PT0；

MOV TH0,#0E0H；定時(shí)約l0ms

SETB TR0；

SETB EA；

在本例的應(yīng)用中，若程序執(zhí)行了修改T0功能的指令(這此指令由操作數(shù)變形后形成)，或者嚴(yán)重的干擾破壞中斷方式控制字，關(guān)閉中斷，造成看門狗失效。這時(shí)可以在設(shè)計(jì)看門狗時(shí)可設(shè)計(jì)兩個(gè)定時(shí)器，一個(gè)為短定時(shí)器，一個(gè)為長定時(shí)器，并各自獨(dú)立，短定時(shí)器像典型看門狗一樣工作，它保證一般情況下看門狗有快的反映速度，長定時(shí)器的定時(shí)大于CPU執(zhí)行一個(gè)主循環(huán)程序的時(shí)間，用來防止看門狗失效。

4.4 輸入多次采樣

圖6 輸入口信號(hào)重復(fù)檢測程序流程圖

強(qiáng)烈的干擾會(huì)影響單片機(jī)的輸入信號(hào)，造成輸入信號(hào)瞬間采樣的誤差或誤讀，要避免干擾的影響，通常采取重復(fù)采樣、加權(quán)平均的方法。對(duì)于重要開關(guān)量輸入信號(hào)的檢測，實(shí)際應(yīng)用中采用3次或5次重復(fù)檢測的方法，即對(duì)接口中的輸入數(shù)據(jù)信息進(jìn)行重復(fù)進(jìn)行3次或5次檢測，若結(jié)果完全一致則認(rèn)為是“真”的輸入信號(hào)，若多次測試結(jié)果不一致，即可以停止檢測顯示故障信息，又可以重復(fù)進(jìn)行再次檢測（程序流程圖如圖6所示）。

4.5 檢查RAM區(qū)標(biāo)志數(shù)據(jù)

這種方法是在RAM區(qū)中選擇幾個(gè)固定單元，在初始化程序中將其設(shè)置成固定的數(shù)據(jù)，如“55H”，或“0AAH”等，只要程序正常運(yùn)行，這些單元的內(nèi)容是不會(huì)改變的。如果因?yàn)槌绦颉芭茱w”或其它干擾導(dǎo)致這些RAM中一元中的任何單元的數(shù)據(jù)發(fā)生了變化，說明中一片機(jī)系統(tǒng)己經(jīng)受到了嚴(yán)重的干擾，不能可靠地運(yùn)行下去了。我們可以在程序執(zhí)行的過程中適時(shí)地檢查這些RAM中一元的內(nèi)容，一旦發(fā)現(xiàn)有數(shù)據(jù)改變，立刻執(zhí)行語句LMP 0000H，強(qiáng)制單片機(jī)復(fù)位[16]。

5 結(jié)論

(1) 本文闡述了氬弧焊接機(jī)床單片機(jī)控制的工作任務(wù)流程、信號(hào)干擾源及抗干擾設(shè)計(jì)，采用硬件與軟件相結(jié)合的多種抗干擾設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)，得到了工作環(huán)境條件下穩(wěn)定的單片機(jī)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。經(jīng)過使用現(xiàn)場的強(qiáng)電磁環(huán)境驗(yàn)證，該單片機(jī)系統(tǒng)在惡劣環(huán)境下具有較好的抗干擾性能，保證了氬弧焊接機(jī)床的安全、可靠運(yùn)行，從而解決了強(qiáng)電磁環(huán)境對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)的干擾難題。

(2) 硬件抗干擾技術(shù)是一種主動(dòng)的方式，而軟件抗干擾技術(shù)是一種被動(dòng)的方式。軟件設(shè)計(jì)只有在合理的硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，才能最大限度地發(fā)揮其抗干擾的作用。

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The Anti-interfence Research of the system of TIG Control

ZHANG Jin-bai1, WU Xiao-guang1, LI Yu2
(1 School of Electrical and Mechanical Engineering, Wuhan University of Science and Engineering, Wuhan 430073, China 2 College of Electrical and Mechanical Engineering, Wuhan University of Science and Engineering, Wuhan 430073, China)

With the SCM (Single-chip microcomputer) widely applied in the industrial manufacturing, there is a higher demand for the reliability of SCM. High sensitivity plays an indispensable role in SCM system. Thus, anti-interference technology has become an indispensable consideration in SCM system design. This paper analyzes the main sources of the interference in SCM system of arc welding machine and elaborates on the anti-interference design in two aspects respectively, one is hardware (active anti-interference) and the other is software (passive anti-interference). In this way, a more reliable SCM real-time control system is achieved for steady work in the complex working circumstances and the interference puzzle of SCM system caused by intensive electromagnetic circumstances is also settled.

SCM system; source of interference; anti-interference

TG434

A

1009－5160(2010)01－0039－05

*通訊作者：吳曉光（1954－） 男，教授，研究方向：數(shù)字化關(guān)鍵技術(shù)、機(jī)電一體化.基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50775166).