四通道焊接电弧动态小波分析仪的设计与实现

高理文 ，薛家祥 ，陈 辉 ，林志慧 ，梁泳全

(1.广州中医药大学 医学信息工程学院，广东 广州 510006；2.华南理工大学机械与汽车工程学院，广东 广州 510640)

0 前言

随着焊接电弧物理、焊接过程测试技术的发展，人们认识到焊接电压、电流一方面可以作为焊接过程的可控变量，另一方面它们也是各种信息的丰富载体[1-3]。对电信号进行测量与分析是实现弧焊过程检测的有效途径之一。

初期，对电信号的测试方式局限于采用指针式仪表。由于指针式仪表具有很大的惯性，很难测试到快速变化的焊接电压、电流的波形。随着测试技术的发展，人们开始使用示波器测试焊接电压、电流。然而采用示波器仅仅能在现场观测焊接波形，不利于数据的存储和分析。为了更好地观测和分析电弧电压和焊接电流，研究焊接过程中的复杂物理现象，在20世纪80年代前，人们研制电子线路装置来记录焊接电信号波形。这类装置由于硬件电路不易改变，功能单一，故一套装置只能测试和记录相应的某些参数，不具备通用性。随着计算机技术的深入发展，计算机被广泛应用于工业控制中。在焊接领域，相继出现了一类以计算机为核心的弧焊测试系统。如美国Honeywell公司制造的弧焊分析仪，英国、西德也生产了类似的仪器。其中，德国汉诺威大学的汉诺威弧焊分析仪经过十多年的发展，已具备采样速度快、精度高、数据处理方法科学等优点，代表了国外同类产品的发展水平。但该分析仪的数据采集软件和分析软件分离，使用起来不方便。此外，该分析仪也没有对焊接过程的高频干扰信号进行软件滤波处理，因此在采集的电流电压波形上存在大量噪声信号，不利于信号的特征提取。而关键问题是，该分析仪也仅仅是解决了电信号采集的问题，并没有能够很好地提取电信号中反映焊接质量的特征信息并进行机器判定。而国内也有一些单位研制此类分析仪，较具有代表性的有：周开庆等人在Windows环境下，应用程序设计语言Visual C++研究开发了一个弧焊机和电弧参数测试系统[4]。该系统主要由赛扬333微型计算机、传感器电路、金属屏蔽信号传输电缆、12位的A／D数据采集卡组成。其传感器由电压和电流传感器组成，并根据初级和次级、交流和直流的不同，分别选择不同型号的传感器。为了采集到焊接过程中电压、电流的变化，该系统采用的是AC1820数据采集卡。AC1820提供16路单端输入12位A/D转换。

该系统之后相继出现了许多类似的测试系统。其中较有代表性的有张勇等研究实现的基于LabView虚拟仪器的CO2焊接参数采集分析系统[5]。其特点在于基于LabView平台，对焊接电压、电流信号的分析更为详细。

焊接测试系统的研究不断开展，在众多相近的测试系统中，值得一提的是朱六妹等人研究实现的基于USB2.0总线的焊接过程瞬态信号检测系统[6]。该系统由传感器(电压传感器、霍尔电流传感器)接收电路、信号调理电路、A／D转换电路、DSP控制器和USB接口组成。USB2.0协议由USB接口芯片完成。

随着焊接技术的发展，国内各焊接研究所和厂家开展双丝焊机的研制工作。然而，现有的电弧电信号采集分析系统，往往只能采集1路电压信号和1路电流信号，无法满足双丝焊接的四路信号采集要求。

为了支持双丝焊机的开发研究，设计并实现了四通道焊接电弧动态小波分析仪。可采集双丝、单丝电弧焊焊接过程中的电压电流信号，并进行波形显示和分析，适用于双丝、单丝焊机电源的性能测试与评定。它具有如下特点：

（1）实现了双丝焊机输出两组电压电流信号四通道的采集、显示和分析。

（2）实现了交流极性焊机输出电压电流信号采集、显示和分析。

（3）电压和电流的采集量程可选，扩大了采集输入的适应范围。

（4）电压和电流缩放比例可调，有效校准最终的电压电流数值，提高数据的准确性。

（5）支持ISA总线接口的PCL1800数据采集卡，以及PCI总线接口的PCI1718HDU数据采集卡。

四通道焊接电弧动态小波分析仪，简称四通道小波分析仪。它利用精度高的霍尔传感器采集弧焊过程的电流信号，利用精度高的电压传感器采集过程的电压信号；将传感器采集的信号利用高分辨率的A/D转换器件转换成数字信号。然后利用VC++编写的软件进行数据处理。在此将对四通道小波分析仪的软硬件设计与实现进行详细的阐述。

1 四通道小波分析仪硬件系统

四通道小波分析仪硬件系统的设计方法是在计算机总线上插上一块数据采集卡，经专用电缆与机内适配器连接，适配器由微机电源供电来完成数据的采集。其硬件结构如图1所示，系统主要由工控机、保护电路、高速数据采集卡（PCL1800或PCI1718HDU）、带分压的低通滤波器LPF、LEM电流传感器组成。数据的传输均是通过带屏蔽的同轴电缆传输，可有效地防止传送过程的电磁干扰，保证所采集数据的可靠性。其中，电流传感器为有源霍尔效应电流传感器，特点是测量范围大（0～1000A），与电缆无直接的电气联系，减小了焊接电流对微机系统的干扰；两根同轴电缆不仅有效地屏蔽了干扰，而且使测试分析系统远离焊接现场，减小或消除了电弧的电磁干扰对微机系统的影响。

本系统兼容两种数据采集卡——PCL1800和PCI1718HDU。

图1 分析系统总体结构框图Fig.1 Configuration block diagram for measure and analysis system

PCL1800是一种基于ISA总线插口的采集卡，具有信号调理、隔离、量程调整、A/D转换、D/A转换、数据比较，并具有数字量I/O输出功能。其主要特性为：

12位A/D转换：A/D转换的时间为3 μs，A/D转换总误差＜0.25%。采用FIFO方式，最高采样频率可达330 kHz。开关选择：单端16通道模拟输入或差动8通道模拟输入。

ISA总线只具有16位数据宽度，最高工作频率为8 MHz，所以数据传输速率只能达到16 MB/s。ISA总线插口的缺点是采集速度较慢，而优点是具有较高的稳定性。

自计算机采用PCI总线后，数据宽度升级到64位，总线工作频率为33.3 MHz，数据传输率（带宽）可达266 MB/s。所以采用PCI总线解决了数据的I/O瓶颈，使计算机更好地发挥性能。因此，现在的主板开始逐渐淘汰ISA插槽。

为了能够保证四通道小波分析仪的持续推广使用，在原有支持ISA总线数据采集卡PCL1800的基础上，兼容了PCI总线数据采集卡PCI1718HDU。

PCI1718HDU是一款PCI总线多功能数据采集卡。它提供以下五种测量和控制功能：12位A/D转换（100 KHz采样速率）、D/A转换、数字量输入、数字量输出及计数器/定时器功能。16路单端或8路差分模拟量输入。12位A/D转换器，每个输入通道的增益可编程自动通道/增益扫描。1路12位模拟量输出，16路数字量输入及16路数字量输出PCI总线数据传输。通用PCI总线（支持3.3 V或5 V PCI总线信号）。选择该型号数据采集卡是综合考虑应用要求和成本因素的结果。

2 四通道小波分析仪软件系统

2.1 软件主界面

软件主界面如图2所示。在主界面中，打开显示的是一个双丝焊接过程的电压电流波形，左上方显示的是原始的电压电流波形，左下方则是小波滤波后的波形。可对局部进行放大显示。也可选择显示或隐藏任意一个通道的波形。

图2 软件主界面Fig.2 Software main interface

右边分别布局了“开始采集”“小波分析”“U-I图”“输入能量”“动态电阻”“统计分析”等功能按钮。由于篇幅关系，不一一进行介绍。

2.2 数据采集模块

焊接电弧动态小波分析仪主要实现弧焊过程电压电流信号的采集和分析显示。上面已对其分析显示功能进行了介绍。而它最基础最核心的模块仍然是数据采集。该模块的功能就是焊接电流和电弧电压的模拟信号通过A/D转换卡，快速转换成计算机能存储和分析的数字信号。其详细过程的流程图如图3所示。

图3 数据采集流程Fig.3 Flow chart of data acquisition

（1）用户设置采集参数。用户可设置的主要参数有：采集时间、采集卡型号、缩放比率、采集通道等。其中，采集时间的单位为ms。采集卡型号可选PCL1800和PCI1718HDU。缩放比率是指真实量值与采集卡所采集到的电压值之比。弧焊过程的最高电压可达几十伏或上百伏。数据采集卡无法承受这样巨大的电压值。因此，如图1所示，在采集卡和弧焊电源的电压采集点之间，加一个带分压的低通滤波器LPF。那么，采集卡所采集到的，就是真实的电压按一定比值缩小后的值。这个比率就称为电压缩放比率。而电流无法直接被采集卡测量。先通过电流传感器，把电流值按一定的比率转换为电压值，再被采集卡所获取。那么，这个比率就是电流的缩放比率。由于采集卡可支持多种量程，为了用户应用方便，也允许选择量程。特别是对双极性弧焊电源的测量，必须选择带有负值范围的量程。本分析仪支持单通道、双通道、四通道采集模式。单通道模式下只采集一路电压或电流信号。双通道模式下同时采集一路焊接电压信号和一路焊接电流信号。四通道模式，是软件的主要工作模式，可同时采集两个电弧的电压电流信号，满足双丝焊四路电信号采集的需求。

（2）用户鼠标点击采集按钮。当用户设置好参数后，回到软件的主界面。按下“采集”按钮，便启动采集操作。

（3）程序打开采集卡设备。

通过“DRV_DeviceOpen”函数，输入设备在设备列表中的编号为参数，打开相应序号采集卡设备。这里所支持的PCL1800和PCI1718HDU都是研华数据采集卡。在这一系列的采集卡使用之前，先要安装驱动和设备管理软件。而它们就会帮助管理所有研华的数据采集卡，把每一张插入在主机的该系列的卡找到，并以列表形式顺序登记。程序员在编程应用时，只需通过输入设备在该列表中的序号来指定对应的采集卡，如图4所示。

图4 采集参数设置Fig.4 Acquisition parameters setting

（4）获取增益码列表。

通过函数“DRV_DeviceGetFeatures”完成。函数返回一个数组glGainList。数组的下标就是增益码，用于指定采集的量程。而特定增益码对应的数组元素的值是一个二进制数，输入到采集卡，使得它采集某个范围的电压值。PCL1800和PCI1718HDU的增益码如表1所示。

表1 PCL1800和PCI1718HDU的增益码Tab.1 Gain codes of PCL1800 and PCI1718HDU

（5）向设备写入对应通道的增益码。先判断当前是单通道、双通道、还是四通道的采集模式。然后根据每一种情况，分别对0通道、0和1通道、0至3通道的增益码进行设置。增益码的值根据用户设定的量程范围来确定。

（6）记录采集开始时间。通过“GetTickCount”函数，读取系统当前时间。登记作为初始时间。

（7）采集一组电信号数据。根据采集模式，分别采集当前时间点上，0通道、0和1通道、或0～3通道的数据。存储于1、2或4个数组的相应位置。

（8）获取当前时间。

（9）判断是否已达到总采样时间。用当前时间减去开始时间，再与总采样时间比较大小。若是，转到（10），否则转到（7）。

（10）通过函数“DRV_DeviceClose”关闭采集卡设备。

3 结论

（1）阐述了四通道焊接电弧动态小波分析仪硬件系统结构。除支持ISA总线数据采集卡PCL1800之外，还可使用PCI总线数据采集卡PCI1718HDU。

（2）介绍了四通道焊接电弧动态小波分析仪软件系统的主界面、功能等。数据采集模块包含了“获取增益码列表”“向设备写入对应通道的增益码”等多个重要的步骤。

[1]Rehfeldt D，Bollmann A，Korbe T，et al.Computer-aided quality control by process analyzing，monitoring and documentation[C].Joining/welding 2000，in the Hague，the Netherlands，1991：371-383.

[2]Lutz Dorn，Peter Rippl，Egbert Schofer.An examination of metal transfer during shielded metal-arc welding under mixed gas and carbon dioxide[J].Schweiβen und schneiden，1982，34(8)：378-385.

[3]Jorn Burmeister.Fuzzy logic-not just a fashionable trend[J].Schweiβen und Schneiden，1991，43(9)：200-203.

[4]周开庆，许先果，叶延洪.基于Windows环境下的弧焊机和电弧参数测试分析系统[J].电焊机，2000，30(10)：3-6.

[5]张 勇，徐 忻.基于LabView虚拟仪器的CO2焊接参数采集分析系统[J].焊接学报，2003(8)：43-46.

[6]朱六妹，李广辉.基于USB总线的焊接过程瞬态信号检测[J].电焊机，2007，37(1)：35-41.