CO2气体保护焊电信号采集系统设计

郭险峰，郭宗光，吴春梅，董云峰，孙鹏翔

(大庆师范学院 物理与电气信息工程学院，黑龙江 大庆 163712)

0 引言

CO2气体保护焊在管道、锅炉、造船等方面得到了广泛的应用[1]。弧焊检测的方法包括高速摄影法、高速摄像法、X射线法、电弧音频法、电信号法、光强法、光谱法等[2]。前三种方法由于成本高而多用于实验室。音频法、光强法由于信号的品质差而不被重视。光谱法实用性方面发展较慢，限制了其大量应用。电信号检测法由于具有信号品质较好、成本低廉、实时性和实用性好等优点得到了重视和发展。一般情况下，通过传感器采集电压和电流的模拟信号并由单片机进行数模转化后，由单片机串口将数据传输给主机，完成电信号采集的过程。近来随着USB数据传输速度的提高，利用USB口进行数据传输的方式逐渐占据了主流地位。MSP430F5529芯片内部集成了USB模块，利用MSP430F5520作为电信号数据采集系统的核心芯片不但可以实现焊接电信号的数模自动转换和自动保持，而且可以通过其USB模块高速传输数据。深入了解MSP430F5529的硬件结构后，结合MSP430单片机和Windows的API函数，利用VC++语言可以方便快捷地开发电信号采集的软件[3-4]。

1 霍尔传感器与MSP430

霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。霍尔传感器在工作温度区间内精度优于1%，该精度适合于任何波形的电流和电压，如直流、交流、脉冲波形测量，甚至瞬态峰值的测量。霍尔传感器线性度优于0.1%，动态性能好，响应时间小于1μs，跟踪速度di/dt高于50A/μs。霍尔传感器具有很强的抗外磁场干扰能力，当有很强的磁场干扰时，可采取加抗磁场干扰的金属屏蔽罩来减轻干扰。用于测量的霍尔线性电路分为直测式霍尔传感器和磁场平衡式霍尔传感器。直测式霍尔传感器的特点是无惯性，并具有良好的隔离作用，但在使用中应采取措施防止外界的电磁干扰。磁场平衡式霍尔传感器是主电流回路所产生的磁场，随时通过一个二次绕组所产生的磁场进行补偿，使霍尔期间始终处于检测零磁通的条件下工作，所以磁场平衡式霍尔传感器灵敏度高而且抗干扰能力强。CO2气体保护焊机电压范围0～35V，电流范围0～400A。在此选用北京世特美测控技术有限公司生产的SA1T50V25V6霍尔电压传感器和SP1T500C100V6霍尔闭环电流传感器，两种霍尔传感器皆基于磁场平衡原理。

美国德州仪器公司生产的MSP430系列单片机具有内部集成硬件乘法器、多个中断源、系统工作稳定、丰富的片上外围模块、方便高效的开发环境、价格低廉等特点。MSP430F5529芯片[5]为16位超低能耗微处理器，具有128KB闪存、8KB RAM、12位ADC等内外资源，同时内部集成USB模块。MSP430F5529的ADC12模块支持高速的12位的模数转换。该模块包括一个12位的SAR内核，模式选择控制，REF模式和一个16字的转化—控制缓冲器，在没有CPU干预下，该缓冲器允许对16路独立采集而来的ADC信号进行转化和存储。ADC12模块的采样—保持由采样周期控制，采样周期可通过设置软件或定时器确定，同时可利用软件选择芯片内部的基准电压发生器，其拥有12路独立可配置的外部输入通道和可选的单通道模式，重复单通道模式，序列模式和重复序列等采集转换模式，并有16位的转换结果存储寄存器。MSP430F5529的USB模块集成了12Mbps全速USB收发器；支持控制、中断和块传输；支持USB挂起、恢复和远程唤醒。USB模块的结构如图1所示，USB引擎将主机发送到USB设备的数据包转移到USB缓存，同时将有效的数据从缓存中传送给主机。USB串行接口引擎管理USB总线上的数据收发协议。USB缓存管理器为USB串行接口引擎和USB端点缓存之间的连接提供逻辑控制。

2 硬件系统

数据采集的硬件系统由霍尔传感器、MSP430F5529最小系统和主机组成，霍尔传感器与MSP430F5529由双绞线相连，而USB线连接主机和MSP430F5529，MSP430F5529的USB模块供电电路如图2所示。

图1 USB模块结构

图2 MSP430F5529的USB模块供电电路

SA1T50V25V6霍尔电压传感器接线如图3所示，由12V直流电源供电,传感器输出25mA，MSP430的ADC12外部接入电压为2.2～3.6V，RL取值为88～144Ω。SP1T500C100V6霍尔闭环电流传感器由±12V直流电源供电，传感器输出100mA，MSP430的ADC12外部接入电压为2.2～3.6V，RL取值为22～36Ω。

图3 SA1T50V25V6霍尔电压传感器接线

3 软件系统

因为电信号采集设计对电流和电压的一次采样和模数转换，所以采用MSP430F5529四种采样转换模式中的序列通道模式。ADC转化的结果存储到以ADC12MEMx为首的转化寄存器中，当检测到通道中的ADC12EOS置位时，序列转化将会终止。当ADC12SC启动了一个序列后，它会启动相继的序列。

MSP430F5529芯片的USB模块支持主机与MSP430使用HID-Datapipe进行数据传输[6]。通过HID-Datapipe，可以传输任意大小数据，同时可以访问MSP430缓存存储空间的任意地址并传送数据。选择HID-Datapipe方案具有不需安装驱动、函数简单易于理解等优势。图4为Windows的API(应用软件接口)和MSP430的API之间的联系。在MSP430上，USB HID API栈特别提供了数据管道接口。

图4 Windows和MSP430软件栈

根据USB不同状态，开发者调用MSP430的API函数来完成不同的操作，如在USB调用其他API之前初始化API，检查主机VBUS挂接，连接主机，进行枚举，处理挂起和恢复事件，远程唤醒，处理枚举失败事件，与主机脱离等。对USB状态的处理构成了程序的主循环，在主循环中当USB处于枚举并运行状态时可调用数据传输函数。HID-Datapipe模式下的数据发送与接收前都应准备数据源地址、发送数据的比特数和用于发送接收的接口，而数据源可以在MSP430存储器任意位置，数据大小不受限制。USBHID_sendData()初始化发送数据操作，USBHID_receiveData()初始化接收数据操作。API将数据打包成块复制到USB端点缓存，当端点缓存中数据包处理后，将通知主机可以发送数据，在主机的支配下，主机从端点缓存读取数据，当所有数据读取完成，发送操作即完成。以数据源作为数据容器来放置从主机发来的数据，当数据到达接收接口的端点缓存，API将其复制到数据源位置，当数据源装满后，接收操作结束。表1列出了开发MSP430软件时，可以调用的函数。

表1 MSP430软件可调用函数

相对于MSP430软件设计所需函数，主机软件设计所需函数要简单得多[7]。程序由HID初始化函数HID_Init()开始，同时调用HID_GetSerNums()函数，将设备VID和PID作为参数输入，返回一个“系列码”，结合VID、PID和“系列码”以及真实USB设备的HID接口索引，调用HID_Open()函数和真实USB设备的HID接口建立联系。当完成对设备的使用时，开发者可以调用HID_Close()函数，关闭打开的HID接口。通过HID_WriteFile()和HID_ReadFile()两个函数发送和接收任意大小的数据块，这些过程都自动完成。利用上述函数以及进行必要的配置后，开发的主机软件界面如图5所示。

图5 主机软件界面

4 结语

由传感器和内置USB模块的MSP430单片机构成CO2气体保护焊电信号检测分析系统的硬件系统，USB模块在MSP430F5529单片机内部的集成简化了电路，提高了系统的抗干扰性和稳定性。利用MSP430F5529单片机USB模块的HID-Datapipe，调用API函数可以直接开发主机软件和MSP430 软件，降低了系统开发难度的同时缩短了开发周期。如果能够加深对MSP430F5529单片机USB模块硬件结构的认识和对函数的灵活运用，软件的开发将更加方便，软件的适用性也将更强，适用的范围将更广泛。

[参考文献]

[1] 肖公海.CO2气体保护焊的使用近况[J].现代焊接,2006,44(8): 40-49.

[2] 云绍辉，柳刚，韩国明.溶化极气体保护焊溶滴过渡检测方法现状与展望[J].电焊机,1998(3):1-4.

[3] 胡大可.MSP430系列单片机C语言程序设计与开发[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2003.

[4] 李琳娜.Visual C++开发技术大全[M].北京:清华大学出版社, 2010.

[5] Texas Instruments.MSP430x5xx/MSP430x6xx Family User's Guide[EB/OL]. http://www.ti.com/lsds/ti/microcontroller/.

[6] Texas Instruments. Programmer’s Guide: MSP430 USB API Stack for CDC/HID/MSC[EB/OL]. http://www. ti.com/ lsds/ti /microcontroller/.

[7] Texas Instruments. MSP430TMUSB HID Windows API Programmer's Guide[EB/OL]. http://www.ti.com/lsds/ti /microcontroller/16-bit_msp430/.