扩频通信技术在电焊机中的应用

第３６卷第１Ｏ期　重珲墩　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｗｅｌｄｉｎｇ　Ｍａｃｈｉｎｅ　Ｖｏ１．３６　Ｎｏ．１Ｏ　Ｏｃｔ．２０ｏ６　２００６年１Ｏ月　扩频通信技术在电焊、机中的应用　刁志宏。李　铜。王治坤　ｆ唐山松下产业机器有限公司，河北唐山０６３０２０）　摘要：利用电力线载波通信技术，通过单片机控制，实现电焊机用裁波遥控器的数据传输：　辜服了电　焊机用有线遥控器的诸多缺点。实际使用表明：扩频通信技术的应用使得该装置操作劣镍ｉ謦接控制　信号传输准确，抗干扰能力强。　关键词：扩频通信；信号调制；ＳＣ１１２８；ＭＣＵ　中图分类号：ＴＰ３６８．１　文献标识码：Ａ　箍；｜ｌ≥　＿　。　。　＋　０ｌ　ｌ文章编号：１００ｌ　０３（２　１０－００　４５０　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＦＳＫ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｎ　ｗｅｌｄｉｎｇ　ｍａｃｈｉｎｅ　ＤＩＡＯ　Ｚｈｉ—ｈｏｎｇ，ＬＩ　Ｔｏｎｇ，ＷＡＮＧ　Ｚｈｉ—ｋｕｎ　ｆＰａｎａｓｏｎｉｅ　Ｗｅｌｄｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍｓ（Ｔａｎｇｓｈａｎ）Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｔａｎｇｓｈａｎ　０６３０２０，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｒｅｍｏｔｅｒ　ｏｆ　ｗｅｌｄｉｎｇ　ｍａｃｈｉｎｅ　ｔｒａｎｓｆｅｒｓ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ　ｓｉｇｎａｌｓ　ｂｙ　ＦＳＫ＆ＭＣＵ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｏｆｔｅｎ　ｕｓｅｄ　ｏｎ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｐｏｗｅｒ．Ｉｔ　ｏｖｅｒｃｏｍｅｓ　ｔｈｅ　ｓｈｏｒｔｃｏｍｉｎｇｓ　ｏｆ　ｗｉｒｅ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ．Ｉｔ　ｉｎｄｉｃａｔｅｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｒｅｍｏｔｅｒ　ｃａｎ　ｂｅ　ｕｓｅｄ　ｍｏｒｅ　ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔｌｙ，ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ　ｓｉｎａｌｇｓ　ｔｒａｎｓｆｅｒｓ　ｍｏｒｅ　ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ，ａｎｄ　ｈａｓ　ｂｅｔｔｅｒ　ａｎｔｉ－ｊａｍｉｎｇｓ　ｂｙ　ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＦＳＫ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＦＳＫ；ｓｉｇｎａｌ　ｍｏｄｕｌａｔｅ；ＳＣ１１２８；ＭＣＵ　０　引言　在许多焊接施工现场，如电建行业、石化行业　等，焊工作业位置距离焊机安放处较远，在焊接过　控器之问距离２００　ｍ以上仍可进行可靠的数据传　输，克服了多芯控制电缆实际使用中的诸多缺点。　扩频通信技术和单片机技术的结合应用，能够　实现快速、高精度、灵活、多功能的信号传输控制，　解决了远距离信号传输的不可靠性问题，同时提供　了良好的人机互动界面。　程中不便于调节焊接参数和其他一些需要在焊机　处完成的操作，因此需要有遥控调节装置对焊机参　数进行远距离调节。目前常用的焊机遥控器是有线　遥控器，即从焊机引出多芯控制电缆和遥控盒相　连，通过遥控盒上的电位器和控制开关，实现对焊　接规范参数的调节。多芯控制电缆长度一般在５０－　２００　ｍ，焊工每次施工前后都要布线、收线，不仅劳　动强度大且使焊接现场混乱，不便于管理；另一方　面，施工现场环境较恶劣，多芯电缆很容易磨损或　断裂，以致无法正常工作；同时过长的控制电缆增　１扩频通信技术　扩频技术是指用比信号带宽宽得多的频带宽　度来传输信息的技术。为了扩展发射信号的频谱，　可采用不同技术对所传信息进行处理，从而产生了　不同的扩频调制类型。常见的扩频类型有：直接序　列（ＤＳ）、跳频（ｖｎ）、跳时（ＴＨ）和线性调频脉冲（Ｃｈｉ￣）　等；另外，这些技术也常常组合起来使用，形成组合　加了设备成本。利用扩频通信技术实现的电焊机用　载波遥控器可较好地解决上述问题，它以扩频通信　芯片ＳＣ１１２８为核心，通过单片机的控制巧妙实现　了焊接电流、推力电流、焊接方式等参数的设定、显　示、传输。该遥控器无控制电缆，携带方便，便于施　工现场管理；焊接电流和推力电流等参数采用数字　显示，直观并且调整方便，可精确到１　Ａ，焊机与遥　收稿１３期：２００６—０１—２７；修回日期：２（）ｏ６—０５—２３　作者简介：刁￣（１９７７－－）．男，河北衡水人，丁程师．主要从　事逆变焊机研发工作。　或混合类型的扩频技术。以此技术进行信号的传输　便形成了扩频通信技术【Ｊ】。在此重点介绍载波遥控　器中选用的扩频通信芯片ＳＣ１　１２８。　１．１　ＳＣ１１２８简介　ＳＣ１１２８芯片是面向电力线载波通信市场而研　制的专用扩频调制／解调器电路。由于采用了直接　序列扩频、数字信号处理、直接数字频率合成等新　技术，因此该电路应用在电力线通信方面具有较强　的抗干扰和抗衰落性能。焊接设备的应用场所同样　ｇ　ａ　锄．　・４５。　维普资讯 http://www.cqvip.com

研究与设计　重珲梭　第３６卷　很恶劣，存在严重的电磁干扰，所以把它引入电焊　机的数据传输中可以说恰到好处。ＳＣ１１２８芯片内　部集成了扩频／解扩、调制／解调、Ｄ／Ａ和Ａ／Ｄ转换、　该芯片在小型多功能应用系统中可以起到降低系　统成本并提高系统功能的作用。　１．２　ＳＣｌｌ２８逻辑框图及部分引脚定义说明　ＳＣ１１２８逻辑框图如图１所示，ＳＣ１１２８部分引　内置电子表、输出驱动、输入信号放大、看门狗、Ｔ　作电压检测以及与单片机（ＭＣＵ）串口通信等功能。　（４３）（２５）（２９）（２１）（６）（１０）　脚定义及说明如表１所示。　（２２）　ＶＴ　ＶＰ　ＶＤ　．ＡＧＮＤ　ＧＮＤＡＧＮＤＰ　０８）ＴＸ　发射数据　锁１竽器　发送数据编码　ＢＣＨ编码　Ｊ扩频编码Ｌ　Ｉ　Ｉ　Ｎ序列　ＰＮ码发生器　号处　ＤＳＰ　ＤＰＳＸ　ＢＰＦ　凋制　——厂　滤波　工　（３７１　ＳＹＮ　１　蕉　ｆ　接收数据　锁俘器　接收数据解码　ＢＣＨ解码　６４Ｘ６　ＳＲＡＮ　——ＰＣ载波　发生器　信号处　理ＤＳＰ　ＤＰＳＫ　　功率放　ＳＥＮＤ　ｆ２４）大ＨＰＡ　ＳＩＮＯＵＴ　ｆ２３）　ＰＩＢＩＮｆ２６）　Ｉ　ＰＮＳＳ　Ｊ　．　解调　ＦＩＲＯＵＴｆ２ｏ１　ｆ３６）ＳＲ　ｆ４Ｉ１　ＣＳ　ｆ３９）ＬＩＮＥ　ｆ４０１ＳＥＴＣＬＫ　申行总　线接ｎ　一ＲＯＮ　ＢＰＦ　滤波　ＬＩＭ／ＡＧＣ　中频放大　过零比　较输入　ＶＣＮＰＩＮ（１９）　ＬＯ　ｆ３Ｄ１ＣＰＯＵＴ　０Ｉ１　ＣＰ　ｆ２７）ＣＰ６Ｎ　振荡器，分频器　电了表，定时器　丁作状态ＲＥＧ　电表功率ＲＥＧ　电子表设置　ＲＥＧ　奉振发生器　看门狗　、＾　ＴＣＨＤＯＧ　电压榆测Ｉ　Ｉ　模拟信号处理ＡＳＰ　ＣＡＰ（１１）　ＣＰｌ２Ｎ　ＣＰ３２ＯＵＴ　ＣＰ３２　ＳＰＬＤＯＧ　ＤＯＧＯＵｌ　ＰｏＡｌＭ　Ｐａ　ＬＭ　Ｖ＋Ｖ—ＶＯＵＴ　Ｖｉｌ　ＶＯｌ　Ｖｉ２、ｏ２　（２６）　（４４）　（１）　（３３）　（３４）　（３２）　（３５）（１２）（１３）（１４）（１５）（１６）（１）（１８）７　图１　ＳＣ１１２８逻辑框图　Ｆｉｇ．１　Ｌｏｇｉｃ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ＳＣｌ　１２８　表１　ＳＣｌ１２８部分引脚定义　Ｔａｂ．１　Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ＳＣ１１２８　一次高低电位变化；３４脚看门狗输出端，与３３脚配　合，正常时输出低电平，否则输出１／３占空比的复　位脉冲；３５脚与３２脚配合，当电源信号低于监测值　时，输出低电平，当高于监测值，则输出高电平；３６　脚收发控制端，０为接收，１为发射；３７脚在发射和　接收同步后产生同步脉冲信号，频率随工作主时钟　和周波的变化而变化；３８脚为输出发送和接收的　数据；３９脚为设置数据和状态的输入输出端；４０脚　为同步设置时钟输入端；４１脚为片选输入端。　数据收发流程：发射状态时，单片机将ＳＲ端　（３６脚）置高，１１２８芯片发出同步信号（３７脚），单片机　通过ＴＸ端（３８脚）同步发送数据；接收状态时，单片　机将ＳＲ端（３６脚）置低，１１２８芯片若接收到数据，　则产生同步信号，通过ＴＸ端（３８脚）将数据同步发　送到单片机。　２　ＳＣｌ１２８与单片机的接口　ＳＣ１ｌ２８与ＭＣＵ的接口电路如图２所示。ＳＣ１１２８　３载波遥控器设计　单片机的结构和指令功能都是按照工业控制　要求设计的，体积小，质量轻，价格低，功能强；而且　数据大部分在单片机内部传送，运行速度快，抗干　扰能力强，可靠性高。随着微处理器技术的发展，单　第２８脚为电路＿Ｔ作主时钟的二分之一的晶振输出　（峰值电压４　Ｖ），近似正弦波；３２脚电压监测端；３３　脚看门狗输入端，正常工作时应该在７６８ｍｓ内产生　・４６・荔　ａ　；　，鳜　，　。　维普资讯 http://www.cqvip.com

研究与设计　刁志宏等：扩频通信技术在电焊机中的应用　第１Ｏ期　图２　ＳＣ１１２８与ＭＣＵ的接口电路　Ｆｉｇ．２　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｏｆ　ＳＣｌ１２８　ａｎｄ　ＭＣＵ　片机的速度越来越快，功能越来越强ｌ２１。结合扩频通　信芯片ＳＣ１１２８的特点，充分发挥单片机的数据处　理能力、逻辑判断能力和可编程的特点，结合软件　设计，可完成载波遥控器的各种要求。　３．１载波遥控器设计要求　遥控器可进行焊接电流、推力电流选择和设　定值显示，氩弧焊、手工焊焊接方式的选择，焊机关　闭、起动选择以及这些状态的指示；焊接电流、推力　电流的连续可调；最近一次操作状态的记忆功能；　接收成功后的反馈信息显示功能。　３．２硬件电路设计　载波遥控器的硬件结构图如图３所示。控制硬　件电路的设计主要考虑功能的完善性、可扩展性，　人机界面的灵活性、可操作性。载波遥控器主要由６　部分组成：单片机、显示器单元、键盘单元、接口单　元、电源单元和信号调制单元。单片机选用美国　ＳｓＴ公司的ｎＡＳＨ型Ｓｓ１　９Ｅ５２ＲＤ２。它除了具有　８０５１单片机的全部功能之外，又增加了许多实用的　资源，可以在线应用编程（１ＡＰ），省去编程器，协议自　定的远程升级，维护安全又方便。具有１６　ｋＢ的非　易失性存储空间，掉电后数据不丢失，内嵌２块小　扇区的ＦＩＡＳＨ存储器，任意一块可做为数据或程序　存储器，并且可省掉外挂的Ｅ　ＲＯＭ，节省有限的载　波遥控器ＰＣＢ板空间。内置的看门狗定时器能够防　止系统的死机。另外，单片机ＳＳＴ８９Ｅ５２ＲＤ２还具有　５通道的可编程计数器阵列（ＰＣＡ），便于以后载波遥　控器功能的扩展。选用ＳＳＴ单片机的一个最大好处　是：它具有很强的抗干扰能力。信号调制单元以扩频　通信芯片ＳＣ１１２８为核心，完成各个设置参数的发送　任务和对方接收成功的反馈信号。单片机将发送信　号通过串口发给ＳＣ１１２８，将信号进一步处理后，发　给信号放大器，再经过高频耦合变压器传到电焊机　输出电缆上，安装在电焊机中的接收部分将此信号　取出，滤波放大后给ＳＣ１１２８。ＳＣ１１２８和ＭＣＵ的接　口电路如图２所示。接收部分的工作原理和发送部　分相同。接口单元中由一个带通滤波器和对电焊机　输出电压的整流部分组成，带通滤波器不仅滤除带　外杂波，还要保证前后级之间的阻抗匹配，以达到　顺利传递信号的目的。由于主晶振的工作频率不　同，载频也不同；调制周波数和数据传输速率不同，　带宽也不同。因此，滤波器的参数在主晶振频率不　同时也将有所变化。本研究设计的载波遥控器选用　１０ＭＨｚ的晶振频率，数据速率１　ｋｂｐｓ、四周波调制、　２５０　ｋＨｚ载频，带宽为１００　ｋＨｚ（２００－３００　ｋＨｚ）。载波遥　控器用滤波电路如图４所示。　信　显　接　号　一　电焊　ｎ　调　Ｊ　＝＝　器　堕　制　兀　堕　一　片　）［　●　兀　电　机　键　源　蕊　堕　＜—一　堕　一　一　兀　兀　图３载波遥控装置结构　Ｆｉｇ．３　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｃａｒｒｉｅｒ　ｒｅｍｏｔｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｉｎｓｔａｌｌｍｅｎｔ　＂、ｌ　Ｉ．　１．６　ｎＦ　Ｉ．１．６　ｎＦ　ＯＵＴ　ｚ　‰　图４载波遥控器用滤波电路　Ｆｉｇ．４　Ｆｉｌｅｔｒ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｏｆ　ｃａｒｒｉｅｒ　ｒｅｍｏｔｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　硬件电路的设计注重信号的隔离、分立元件的　参数选择、芯片的驱动能力和整个载波遥控器的可　靠性。电源单元在做好降压的同时应保证尽量减少　干扰，在此选用稳压芯片ＵＰＣ７８０５，输入端加上共　扼滤波磁环，为ＭＣＵ和ＳＣ１１２８提供稳定的供电。　因为载波遥控器体积较小，应充分考虑散热问题，　在选择相关的电阻、电容、晶体管时，慎重分析它们　在最大负荷下的功耗参数。显示器单元由３位８段　共阳数码管来完成，和ＭＣＵ一起采用动态扫描的方　式通过７４ＨＣ５７３并行传输数据。按键选用欧姆龙公　维普资讯 http://www.cqvip.com

研究与设计　雹珲拽　第３６卷　司的Ｂ３Ｗ一１０４２系列产品，以保证可靠性。　３－３软件系统设计　（１）软件部分围绕单片机和ＳＣ１１２８的通信来　完成，主程序流程如图５所示。为了更好地理解程　序控制部分，图６是该载波遥控器的控制面板局部　图，按键分配按“Ｚ”方向依次为ＫＥＹ１－ＫＥＹ６。　图５主程序流程　Ｆｉｇ．５　Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ　ｏｆ　ｍａｉｎ　ｐｒｏｇｒａｍ　（２）ＳＣ１１２８和ＭＣＵ的通信。　ＳＣ１　１２８发射或接收数据是通过ＳＲ（发射／接收　控制端）、ＴＸ（发射／接收数据端）和ＳＹＮ（发射／接收同　步脉冲端）３个端进行的。ＳＲ＝０电路处于接收状态，　ＳＲ＝Ｉ电路处于发射状态。　①发射状态。当ＳＲ＝１，发射／接收同步脉冲端　ＳＹＮ输出同步脉冲。当电路处于发射状态时，电路　内部在ＳＹＮ的上跳沿对ＴＸ端输入的数据进行锁　存，所以外部ＭＣＵ应当在ＳＹＮ的上跳沿保持ＴＸ　端的数据不变化，而在ＳＹＮ的下跳沿可以给出发射　的数据。具体时序如图７所示。　接收状态。当ＳＲ＝０，电路处于接收态，ＳＹＮ端　不会立刻输出同步脉冲，只有当电路接收到的数据　与本电路“同步”之后，ＳＹＮ端才能输出同步脉冲。　Ｏ　Ｏ⑧　增加　减少　发送　图６遥控器控制面板局部　Ｆｉｇ．６　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ｌｏｃａｌ　ｏｆ　ｒｅｍｏｔｅ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ｎ丌ｎ几ｎ　ｎ几几　图７发射时序波形　Ｆｉｇ．７　ｗａｖｅｆｏｒｍ　ｏｆ　ｌａｕｃｈ　ｓｕｃｃｅｓｓｉｏｎ　ＳＹＮ端输出上跳沿时接收数据从ＴＸ端锁存输出，　并一直保持到下一个上跳沿，因此ＭＣＵ应在ＳＹＮ同　步脉冲的下跳沿之后从ＴＸ端读出数据。具体时序　如图８所示。在图８中，当ＳＲ刚为低电平时，ＳＹＮ　输出为低电平。　ｓ　：　厂　未同步　已同步　；　ｓＹＮ　ｌ　１　Ｉ　Ｔ砌眍　正圈髓Ｃ　图８接收时序波形　Ｆｉｇ．８　ｗａｖｅｆｏｒｍ　ｏｆ　ｒｅｃｅｉｖｅ　ｓｕｃｃｅｓｓｉｏｎ　４　结论　扩频通信芯片ＳＣ１１２８和ＭＣＵ的结合应用，使　得载波遥控器抗干扰能力强，功能多样并可进行扩　展，人机交互界面良好。新技术的应用有效解决了传　统有线遥控器的缺点，具有较大的推广价值。　参考文献：　［１】　王新．通信原理简明教程呻北京：电子工业出版社，２Ｏ０５