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摘 要本课题针对国内目前尚无全自动的塑料管热熔焊接机的情况,采用高性能的ARM7控制器及嵌入式操作系统uC/OSII,实现焊接过程的全自动化；该设备实现了大容量焊接数据存储,记录打印,USB转存等功能；论文提出了PE管材热焊接的工艺管理概念,将推动国内相关标准的制定.
关 键 词热熔焊接；ARM；uC/OSII；USB
中图分类号：TP273.5文献标识码：A文章编号：1671-7597（2013）11-0000-00
1课题背景及研究意义
在天然气输送塑料管道铺设过程中,对于主、支干线管材管径较大（D≥110mm）的塑料管材连接主要采用热熔焊接方法.
目前,国外一些厂家采用了高性能的工业控制计算机和触摸屏显示器,生产了自动化程度较高的焊接机.但是,这些设备造价昂贵,难于在国内推广.有些则体积庞大,不利于现场施工.而且这些设备不支持U盘转存数据等.
随着国内市场的需求逐渐增大,国内一些机械生产厂家也开始生产塑料管材热熔焊接的产品.但是,这些设备缺乏高性能控制器的支持,焊接过程未能实现全程自动化,也没有人性化的操作界面,更不能对焊接数据进行有效的管理.
由于国内尚无同类的全自动塑料管材焊接机设备,因此,本课题所研究的全自动热熔焊接机将添补国内这一领域的空白,对国内的基础设施建设有着积极的作用.
2系统分析及总体设计
2.1热熔焊接原理
热熔焊接（Buttwelding）是PE管道系统中最常用的焊接方式,它是在两管的两个端面间,插入一个加热板（Heater-Plate）,在压力的作用下,使两管的端面变成熔融状态,然后再撤走加热板,使两管的端面接合,并在压力的作用下冷却.热熔焊接可以实现高抗拉性能的无缝连接.
2.2热熔焊接机工作过程及系统分析
热熔焊接机的工作过程包括管材端面的铣削、拖动压力辨识、管材端面的加热（预热过程和吸热过程）、管材对接（加压过程、保压过程及冷却过程）.
因此,焊接机控制器首先需要根据管材规格、环境温度、辨识压力等参数,计算各工作阶段所需要的压力、时间等数据；并能够根据这些数据控制压力输出大小及时延的长短.系统还必须保存焊接机的设置参数及每一次的焊接数据,并能够提供完善的记录管理功能,包括对记录的查看,删除,打印及U盘转存等.
2.3热熔焊接机控制系统的总体设计
从以上分析得出,系统由输入、输出、数据管理,人机交互几大部分组成.系统的结构框图如图1所示.
模拟输入用于对液压压力、动卡套的位移、加热板温度及环境温度等进行检测；数字量输入则用于判断铣刀位置和加热板的位置.
模拟输出口将调节电液比例伺服阀,控制输出的压力.数字量输出则用于铣刀的铣销控制、加热板温度控制、液压缸的启停及其换向控制和声光报警等.
数据管理部分硬件包括,数据存储器、USB主机控制器和打印机等.人机交互由键盘和显示模块组成.
CPU作为系统的控制核心将统筹以上所有部件,实现焊接机整体的功能.
3系统硬件设计
3.1主要器件选型
本系统的CPU采用飞利浦公司的LPC213X系列ARM7控制器,LPC213X集成了丰富的外设接口及功能部件.本系统中,使用其中的5路AD采集各种模拟输入；1路DA用于控制比例伺服阀；I2C总线挂接一个数据存储器；UART1驱动串行打印机；RTC作为系统日期时钟管理.因此,采用LPC213X控制器,最大限度地压缩了本系统的电路结构,减少了本系统硬件电路的设计工作量及硬件成本.
显示模块可采用单色点阵图形液晶显示器,为了更好的支持个性化的操作界面,可选择带点操作功能的T6963C控制器的液晶模块.根据需求,分辨率为240X64可满足中英文显示要求.
预期设计系统管理焊接记录需1000条以上.按每条记录32个字节来算,所需的存储器的大小大约需32000字节以上.因此,可选用I2C接口的串行EEPROMAT24C256.
USB主机控制器采用Cypress公司的SL811HS,SL811HS实现了USB主机结构的接口层的功能,支持USB1.1协议,片上集成了SIE、USB收发器和256字节的SRAM,还具有硬件自动产生帧起始包SOF和CRR5/16校验的功能.
打印机选择北京公达数码科技有限公司生产的TPUP-AF系列高速面板式微型打印机,该打印机可实现汉字和图形的高速打印,面板结构可嵌入到仪器设备的面板上,与仪器设备成为一体,该打印机的串行接口与RS-232C兼容,并支持XON/XOFF握手协议.
3.2控制主板的设计
在本系统中,液晶模块和SL811HS均需要总线驱动.但由于LPC213X系列ARM均不带外部存储扩展接口,为了实现IO口的共享,以上两种器件均使用同一套的模拟的读写总线.模拟总线接口提供8位数据线、读写信号线、地址线及片选信号线等.
由于ARM芯片的高速,低功耗和低工作电压导致其噪声容限低,为了提高系统的可靠性,系统对所有与外部设备连接的接口都加了光电隔离电路,包括：数字量IO口的隔离、模拟量的输入输出的隔离、串口打印机驱动隔离等.
系统提供了10个键盘,用于对焊接机的操作.
4系统软件设计
4.1焊接机控制器软件系统总体设计
uC/OSII是由JeanJ.Labrosse编写的一个嵌入式多任务实时操作系统,该操作系统构思巧妙,结构简洁精练,被广泛用于各种控制系统中.uC/OS-II体系中包括多任务的管理、中断与时钟控制机制和任务间的同步与通信等,使应用程序设计人员节省了大量的开发时间,而且完善了软件系统的结构,也提高了系统的可靠性.图2为焊接机控制器的软件系统框图.本系统使用7个任务,任务之间通过OS的消息机制来通信协调,每个任务又有来自子程序库的支持,从而完成整个系统的软件设计.
4.2各部分子程序的实现
1）图形接口子程序库,提供对液晶操作的一系列应用程序接口,如显示字符,显示汉字,几何操作（显示直线和矩形）、菜单操作、波形显示以及文本显示等.
2）工程应用子程序库,主要完成焊接机的关键控制程序,这部分程序是焊接机功能的最基本实现,主要对几个焊接时的重要参数进行识别或确定、对操作过程的引导及压力曲线显示.
3）小型记录系统管理子程序库,该程序库采用了FAT文件系统的设计思想,将存储空间以扇区为单位分为索引区和数据区,数据区还包括保留区,供系统其它程序使用.本程序库提供了大量基于记录索引的操作函数,与图形接口程序一起,形成了非常简洁易用的记录管理系统.
4、本系统中使用的串行打印驱动程序是一个使用了先入先出（FIFO）数据队列和串行口中断的驱动程序.该驱动程序可以有效地平衡速率不同的两个部件,使快速部件无须等待慢速部件.
4）USB主机协议栈,主要由三大部分组成,USB的设备的枚举、USBMassStorage设备类协议和FAT文件系统的支持协议.
5）片上部件子程序库,主要对LPC213X控制器的片上部件进行初始化及其它操作,如I2C总线控制,利用RTC实现时钟日历功能等.
5结论
本系统使用高性能的ARM7控制器及嵌入式操作系统实现了热熔焊接机的自动控制,可靠的硬件设计给系统带来了出色的抗干扰性能；人性化的图形接口程序及采用了FAT文件系统管理思想的记录管理系统,使焊接机的操作及对焊接记录的管理操作变得简洁易用；使用了数据队列的串行打印机驱动,保证了CPU的响应速度；系统还引入了目前流行的USB总线,实现焊接数据的大容量转存.
综上所述,本系统较好地实现了预期的目标,为国内这一领域提供了较好的解决方案.