多功能數(shù)字焊機(jī)的人機(jī)交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)

袁東旭 王瑛 唐志博 黃贊植

摘? 要：為了更好地改善焊機(jī)焊接效果，通過對焊機(jī)對于人機(jī)交互界面的應(yīng)用需要進(jìn)行分析，以Cortex-F4內(nèi)核控制為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)人機(jī)交互實(shí)現(xiàn)方案。最終設(shè)計(jì)出了焊機(jī)的人機(jī)交互系統(tǒng)。通過實(shí)驗(yàn)表明本設(shè)計(jì)具備焊機(jī)多個(gè)模式、多個(gè)數(shù)據(jù)的人機(jī)交互功能，同時(shí)具備焊接參數(shù)的存儲與讀取功能，在焊機(jī)界面應(yīng)用中具有較好的實(shí)用性和通用性，該焊機(jī)人機(jī)交互系統(tǒng)值得推廣。

關(guān)鍵詞：嵌入式控制;人機(jī)交互;多模式;LCD

中圖分類號：TG43? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）06-0045-03

Abstract：In order to better improve the welding effect of welding machine，through the analysis of the application needs of human-computer interface of welding machine，the realization scheme of human-computer interaction is designed based on Cortex-F4 core control. Finally，the human-computer interaction system of welding machine is designed. The experiment shows that the design has the function of human-computer interaction of multiple modes and data of welding machine，and has the function of storage and reading of welding parameters. It has better practicability and generality in the application of welding machine interface. The system is worth popularizing.

Keywords：embedded control;human-computer interaction;multimode;LCD

0? 引? 言

目前焊機(jī)控制界面大多數(shù)為數(shù)碼管或者較小的LCD屏幕，顯示內(nèi)容單一、智能焊機(jī)操作過于復(fù)雜，并不能滿足現(xiàn)代智能焊機(jī)的顯示要求。人機(jī)交互的作用是完成人類對控制器的命令輸入、控制器向人類完成結(jié)果展示。因此設(shè)計(jì)出一款多功能、操作簡單的人機(jī)交互系統(tǒng)顯得尤為重要。

本文設(shè)計(jì)的焊機(jī)人機(jī)交互系統(tǒng)可用于多種型號的焊機(jī)控制系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)時(shí)為了使該系統(tǒng)具有通用性，充分考慮了焊機(jī)的多種模式以及多個(gè)參數(shù)的顯示以及設(shè)定，本設(shè)計(jì)可以完成五種大模式，十九種小模式的人機(jī)交互功能，同時(shí)該人機(jī)交互系統(tǒng)可以對一次焊接中的多個(gè)參數(shù)完成人機(jī)交互工作。其操作簡單主要表現(xiàn)在通過編碼器即可完成人機(jī)交互工作，與觸摸屏相比減少了誤觸碰的風(fēng)險(xiǎn)，與鍵盤輸入相比減少了復(fù)雜的操作，在設(shè)計(jì)時(shí)采用分頁的設(shè)計(jì)模式，顯示界面簡單，易于學(xué)習(xí)，該設(shè)計(jì)符合現(xiàn)代人機(jī)交互系統(tǒng)的發(fā)展方向。本系統(tǒng)在北京工業(yè)大學(xué)嵌入式聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室中完成了多功能數(shù)字焊機(jī)人機(jī)交互系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1? 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案

人機(jī)交互系統(tǒng)一般以單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制單元，然后通過傳感器或者外設(shè)將外界信息采集進(jìn)單片機(jī)，之后通過運(yùn)算單元或者某些特定的算法對信號進(jìn)行處理，處理后的信號以圖片或者數(shù)字的形式顯示在屏幕上。本設(shè)計(jì)采用同樣的設(shè)計(jì)方案，焊機(jī)人機(jī)交互系統(tǒng)是一個(gè)整體，由控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、通信模塊、顯示模塊等多個(gè)模塊組成。硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

焊接過程是一個(gè)非線性時(shí)變系統(tǒng)，焊機(jī)人機(jī)交互系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)交換以及實(shí)時(shí)計(jì)算控制器在整個(gè)過程中需要同時(shí)處理的多個(gè)任務(wù)，因此選擇一款功能強(qiáng)大的處理器非常重要。本設(shè)計(jì)選用了STM32F405作為本設(shè)計(jì)的核心處理器，該型號的處理器具備浮點(diǎn)數(shù)計(jì)算單元，實(shí)時(shí)計(jì)算能力強(qiáng)，具備多任務(wù)的處理能力。顯示模塊經(jīng)過對比選用DGUS協(xié)議串口屏幕，具備智慧型圖形界面功能，屏幕內(nèi)部集成了K600內(nèi)核，內(nèi)核內(nèi)部具有操作系統(tǒng)。屏幕通過二次開發(fā)可實(shí)現(xiàn)特定的功能，二次開發(fā)通過特有的PC軟件配置工具，只需將配置好的工程文件進(jìn)行移植，同時(shí)屏幕所有的顯示以及控制過程都是通過PC軟件預(yù)先設(shè)定的，通過配置文件運(yùn)行。焊機(jī)工作環(huán)境復(fù)雜、干擾源較多，因此在控制器與屏幕之間的通信協(xié)議選用較為經(jīng)典的RS-232通信協(xié)議，RS-232協(xié)議為全雙工通訊，且采用負(fù)邏輯區(qū)分高低電平，具有較好的抗干擾能力，滿足控制器與屏幕之間的通信要求。

焊機(jī)人機(jī)交互系統(tǒng)舍棄了原來的觸摸輸入或者鍵盤輸入而選用雙編碼器輸入交互方式，這種方式操作簡單、且不會誤觸碰。編碼器型號選用EC11編碼器，單片機(jī)通過判斷編碼器產(chǎn)生的脈沖進(jìn)行左右旋轉(zhuǎn)以及按下等操作，左側(cè)按鈕旋轉(zhuǎn)完成模式選擇，中間按鈕來完成模式確定，右側(cè)按鈕主要完成參數(shù)的選定、大小輸入等工作。

2? 人機(jī)交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了使該系統(tǒng)具有通用性，該系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)計(jì)多個(gè)起弧方式、多個(gè)焊接模式等。同時(shí)人機(jī)交互系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到焊接工人的焊接工藝不同，程序編寫時(shí)設(shè)計(jì)了專業(yè)模式和普通模式。在專業(yè)模式下更多的焊接靠工人進(jìn)行操作，而普通模式下可以則通過參數(shù)輸入，通過控制器進(jìn)行焊接控制。

普通模式下為參數(shù)化焊接，需人為輸入?yún)?shù)。不同模式下輸入?yún)?shù)不同，不同材料輸入?yún)?shù)大小不同，同時(shí)可以保存幾組最優(yōu)焊接參數(shù)配置供使用者參考。為了節(jié)約時(shí)間，方便用戶，在每次關(guān)機(jī)后都會將參數(shù)進(jìn)行自動存儲，下次開機(jī)進(jìn)入該模式后會自動調(diào)出上次參數(shù)配置。

本設(shè)計(jì)分為友好界面、焊機(jī)模式選擇、焊接模式選擇、焊接參數(shù)輸入、焊接實(shí)時(shí)顯示、錯(cuò)誤提示六個(gè)界面。人機(jī)交互系統(tǒng)具備開機(jī)動畫功能，之后會進(jìn)入專業(yè)模式/普通模式選擇界面，通過左側(cè)焊接控制系統(tǒng)以及中間按鍵可以完成選擇，然后專業(yè)模式則會進(jìn)行引弧方式選擇，普通模式默認(rèn)高頻引弧。引弧方式之后則是焊接模式選擇界面，在普通模式和專業(yè)模式下將焊接分為NO CRATER、CRATER、REPEAT、SPOT、MMA五個(gè)焊接模式。這五種模式下包含了AC-NO-PULSE、AC-PULSE、DC-NO-PULSE、DC-PULSE、MIX-NO-PULSE五個(gè)小模式中的其中幾個(gè)。模式選擇界面左側(cè)為大模式選擇，右側(cè)為小模式選擇，同樣通過右編碼器中間按鍵進(jìn)行左右切換。模式選擇后進(jìn)入準(zhǔn)備焊接界面，該界面分為上下兩部分，左右編碼器中間按鍵同時(shí)按下完成界面上下切換動作，上面完成焊接設(shè)置，下面進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。不同模式需配置不同參數(shù)，整個(gè)人機(jī)交互系統(tǒng)預(yù)設(shè)了提前送氣時(shí)間、起弧時(shí)間、起弧電流、上升電流時(shí)間、峰值電流大小、峰值電流周期、基值電流時(shí)間、下降電流時(shí)間、吸弧電流、吸弧時(shí)間、滯后停氣等多個(gè)參數(shù)，參數(shù)配置完成后，焊機(jī)進(jìn)入等待焊接狀態(tài)。當(dāng)焊機(jī)存在故障或者操作錯(cuò)誤時(shí)，系統(tǒng)會自動進(jìn)入錯(cuò)誤提示界面，及時(shí)告知使用者該焊機(jī)存在錯(cuò)誤。

3? 系統(tǒng)軟件編寫及運(yùn)行結(jié)果

人機(jī)交互系統(tǒng)軟件分為屏幕配置工程制作以及程序編寫兩部分，屏幕配置工程由DGUS Tool V5.08版本進(jìn)行制作，主要完成命令的編輯、圖標(biāo)變量的設(shè)置、按鍵鍵值統(tǒng)一編碼、屏幕相關(guān)寄存器配置等工作，并通過SD將工程移植到屏幕中。單片機(jī)通過命令控制屏幕，在命令編輯過程時(shí)采用了給定的通信協(xié)議，將5A A5作為通信協(xié)議的開頭。本設(shè)計(jì)應(yīng)用到的圖片較多，如采用常規(guī)設(shè)計(jì)比較浪費(fèi)資源，因此采用了位變量的方式進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，所謂位變量方式就是可將圖片中的一部分通過設(shè)置位變量而被另一張圖片引用，如圖2、圖3所示，可以將圖3中的第一個(gè)位變量部分減下來移動到圖2相應(yīng)的位置，從而圖2由正常變?yōu)檫x中狀態(tài)。兩張圖片可以完成6張圖片的顯示工作，可以大大減少原圖片數(shù)量，節(jié)省內(nèi)存。

焊機(jī)人機(jī)交互系統(tǒng)軟件采用C語言編程語言開發(fā)，在Keil 5編譯環(huán)境下完成了整體軟件的編譯、調(diào)試、下載等工作。整個(gè)軟件包括主程序、串口程序、數(shù)據(jù)處理程序、數(shù)據(jù)采集程序、存儲程序等組成，軟件具體流程圖如圖4所示。

焊機(jī)需要焊接時(shí)序來控制焊接過程，本設(shè)計(jì)在軟件設(shè)計(jì)時(shí)完成了焊機(jī)時(shí)序設(shè)計(jì)，焊機(jī)時(shí)序是焊接有效進(jìn)行的保障。人機(jī)交互系統(tǒng)部分運(yùn)行結(jié)果如圖5所示。

4? 結(jié)? 論

本文設(shè)計(jì)了基于STM32F4單片機(jī)硬件系統(tǒng)的多功能焊機(jī)人機(jī)交互系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了人與控制器的信息共享，滿足現(xiàn)代焊機(jī)發(fā)展要求。在北京工業(yè)大學(xué)嵌入式聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室中完成了多功能數(shù)字焊機(jī)人機(jī)交互系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明雙編碼器式控制具備操作簡單、誤觸碰率低、顯示清晰、圖形切換平滑等優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)具通用性且系統(tǒng)成本較低的優(yōu)勢，因此對焊接人機(jī)交互進(jìn)一步發(fā)展具有重要意義。

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作者簡介：袁東旭（1992-），男，漢族，河北保定人，在讀碩士研究生，研究方向：電子與通信工程。