CN201749450U - 数字化弧焊电源的触摸屏人机界面系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及触摸屏人机界面技术领域，尤其涉及数字化弧焊电源的触摸屏人机界面系统，包括触摸屏人机界面模块、主控芯片和串口电路，所述主控芯片设有GPIO接口、LCD控制器和ADC模数转换器，所述触摸屏人机界面模块包括配合使用的电阻式触摸屏和LCD显示屏，电阻式触摸屏设有触摸屏检测装置；所述主控芯片的GPIO接口通过串口电路连接有焊接电源主电路，主控芯片的LCD控制器连接LCD显示屏，主控芯片的ADC模数转换器连接电阻式触摸屏的触摸屏检测装置。本实用新型的面板的界面较简单，体积较小，在不同机型之间的可移植性高、兼容性好，显示信息量大，显示亮度足够，且更加友好和强大。

Description

数字化弧焊电源的触摸屏人机界面系统

技术领域：

本实用新型涉及触摸屏人机界面技术领域，尤其涉及数字化弧焊电源的触摸屏人机界面系统。

背景技术：

随着焊接工艺的发展，尤其是铝合金焊接、双丝脉冲MIG/MAG焊、电弧钎焊、低能量弧焊、等离子焊接等工艺的出现和不断发展，弧焊电源所面临的能量控制、送丝控制等问题正在向精确化的方向发展，同时又要面临更高的系统稳定问题，焊接电源控制的复杂化是无法回避的。另外，焊接电源工作环境恶劣、负载变化剧烈，而且焊接电源不仅是焊接工艺的能量供给单元，它还承担着对焊接工艺过程进行检测、判断、控制的功能，直接决定焊接质量。因此，数字化弧焊电源的发展是必然且不可逆转的。

在国外，以奥地利FRONIUS、德国CLOOS、日本OTC为代表的国际上知名的焊接设备公司，都已经开发出了一系列带有专家数据库的数字化焊机系统，这些数字化焊机系统的售价昂贵，其关键技术之一是实现数字化人机界面。目前，国内的数字化焊机正处于研发阶段，主要有唐山松下、山西星云、北京时代、山大奥太等公司在开发，部分推出数字化焊机产品。不管国内还是国外，现有的数字化焊机产品的人机界面大多采用数码管和按键的方式，即其焊接电源的参数输入和显示大多数是采用数码管、LED灯和按键来实现的，部分产品采用单色的液晶屏配合按键操作方式。对这些输入、输出设备进行控制需要大量的I/O引脚，这就导致面板的界面较复杂和体积较庞大，同时，在不同机型之间的可移植性不高、兼容性差。另外，数码管方式显示的信息量有限，而单色液晶屏的显示亮度不够，难以满足焊接场合强烈的环境光和弧光干扰下的使用要求。因此，为客户提供一套更加友好和强大的人机界面系统，将成为数字化电源领域发展的必然趋势。

触摸屏技术作为各应用领域里较为友好和强大的人机交互技术，势必会随着数字化电源领域的发展而应用于数字化弧焊电源的人机界面系统。然而，现有的触摸屏校正方法如三点校正法、四点校正法、五点校正法等，均无法很好地满足数字化弧焊电源的人机界面系统对于校正速度快、定位准确和算法简单的要求。

实用新型内容：

本实用新型的目的在于针对现有技术的不足，提供一种数字化弧焊电源的触摸屏人机界面系统，其面板的界面较简单，体积较小，在不同机型之间的可移植性高、兼容性好，显示信息量大，显示亮度足够，且更加友好和强大。

为实现上述目的，本实用新型通过以下技术方案实现：

数字化弧焊电源的触摸屏人机界面系统，它包括触摸屏人机界面模块、主控芯片和串口电路，所述主控芯片设有GPIO接口、LCD控制器和ADC模数转换器，所述触摸屏人机界面模块包括配合使用的电阻式触摸屏和LCD显示屏，电阻式触摸屏设有触摸屏检测装置；所述主控芯片的GPIO接口通过串口电路连接有焊接电源主电路，主控芯片的LCD控制器连接LCD显示屏，主控芯片的ADC模数转换器连接电阻式触摸屏的触摸屏检测装置。

其中，所述电阻式触摸屏为四线电阻式触摸屏。

其中，该触摸屏人机界面系统还包括USB接口电路，所述主控芯片设有USB模块，主控芯片的USB模块连接所述USB接口电路。

其中，该触摸屏人机界面系统还包括蜂鸣器，所述主控芯片设有PWM驱动模块，主控芯片的PWM驱动模块连接所述蜂鸣器。

其中，该触摸屏人机界面系统还包括SD卡接口电路，所述主控芯片的GPIO接口连接所述SD卡接口电路。

其中，所述主控芯片设有100M以太网端口。

其中，所述焊接电源主电路包括DSP处理器TMS320F2808，所述主控芯片的GPIO接口通过串口电路连接DSP处理器TMS320F2808。

其中，所述主控芯片的型号为ARM9-S3C2440。

本实用新型有益效果为：

本实用新型所述的数字化弧焊电源的触摸屏人机界面系统，包括触摸屏人机界面模块、主控芯片和串口电路，主控芯片设有GPIO接口、LCD控制器和ADC模数转换器，触摸屏人机界面模块包括配合使用的电阻式触摸屏和LCD显示屏，电阻式触摸屏设有触摸屏检测装置；主控芯片的GPIO接口通过串口电路连接有焊接电源主电路，主控芯片的LCD控制器连接LCD显示屏，主控芯片的ADC模数转换器连接电阻式触摸屏的触摸屏检测装置。该数字化弧焊电源的触摸屏人机界面系统在工作时应用上述的触摸屏校正方法，快速地完成校正，准确地反映点触操作。通过电阻式触摸屏的操作界面，可以方便地控制焊机的运作方式，并能随时地通过LCD显示屏观察到当前的运行状态，同时面板的结构较简单，体积较小，在不同机型之间的可移植性高、兼容性好，显示信息量大，显示亮度足够，且更加友好和强大。

附图说明：

图1为本实用新型采用最小二乘法的校正图；

图2为本实用新型的数字化弧焊电源的触摸屏人机界面系统的原理框图；

图3为本实用新型的四线电阻式触摸屏的原理图；

图4为本实用新型的四线电阻式触摸屏在两层相接触时的示意图；

图5-1为本实用新型的主控芯片为ARM9-S3C2440的电路图其中一部分；

图5-2为本实用新型的主控芯片为ARM9-S3C2440的电路图另一部分；

图6为本实用新型的串口电路的电路原理图；

图7-1为本实用新型的100M以太网端口的电路原理图其中一部分；

图7-2为本实用新型的100M以太网端口的电路原理图另一部分；

图8为本实用新型的工作过程人机交互软件流程图；

图9为本实用新型的触摸屏人机界面系统的操作主界面及参数设置界面示意图；

图10为本实用新型的触摸屏人机界面系统的焊接方法选择界面示意图；

图11为本实用新型的触摸屏人机界面系统的焊接材料选择界面示意图；

图12为本实用新型的触摸屏人机界面系统的焊丝直径选择界面示意图；

图13为本实用新型的触摸屏人机界面系统的焊接模式选择界面示意图。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明：

如图1至图13所示，数字化弧焊电源的触摸屏人机界面系统，它包括触摸屏人机界面模块2、主控芯片1和串口电路3，所述主控芯片1设有GPIO接口10(General-Purpose IO ports，也就是通用IO口)、LCD控制器15和ADC模数转换器14，所述触摸屏人机界面模块2包括配合使用的电阻式触摸屏21和LCD显示屏20，电阻式触摸屏21设有触摸屏检测装置22；所述主控芯片1的GPIO接口10通过串口电路3连接有焊接电源主电路4，主控芯片1的LCD控制器15连接LCD显示屏20，主控芯片1的ADC模数转换器14连接电阻式触摸屏21的触摸屏检测装置22。其中，所述主控芯片1的型号为ARM9-S3C2440，所述电阻式触摸屏21为四线电阻式触摸屏，所述焊接电源主电路4包括DSP处理器TMS320F2808，所述主控芯片1的GPIO接口10通过串口电路3连接DSP处理器TMS320F2808。电阻式触摸屏21和LCD显示屏20为7英寸液晶屏，这种人机界面系统可以直观详细地显示各种故障信息。

进一步的，该触摸屏人机界面系统还包括USB接口电路7，所述主控芯片1设有USB模块12，主控芯片1的USB模块12连接所述USB接口电路7。进一步的，该触摸屏人机界面系统还包括蜂鸣器5，所述主控芯片1设有PWM驱动模块11，主控芯片1的PWM驱动模块11连接所述蜂鸣器5。进一步的，该触摸屏人机界面系统还包括SD卡接口电路6，所述主控芯片1的GPIO接口10连接所述SD卡接口电路6。

如图2所示，触摸屏人机界面模块2包括配合使用的电阻式触摸屏21和LCD显示屏20，电阻式触摸屏21安装在LCD显示屏20的前端，电阻式触摸屏21设有触摸屏检测装置22。当对电阻式触摸屏21进行点触操作时，在屏幕表面产生压力，从而使电阻式触摸屏21两导电层接通，一旦触摸屏检测装置22监测到用户的触摸位置，就将获得的位置信息送入ARM9-S3C2440内置的8路10位ADC模数转换器14，并对这些信号进行处理，将电压信号转换成数字信号，同时以中断的方式送至的ARM9-S3C2440，计算出触点坐标。等待一段时间后，调用获取触摸屏位置的函数，这个函数的功能是，首先从内置ADC模数转换器14一个通道获得x轴的坐标值，然后再从另一个通道获得y轴的坐标值，判断返回触摸点坐标值是否在有效范围内，如果在有效范围内，则以中断方式送至ARM9-S3C2440，从而控制LCD显示屏20显示。当发生故障时，除了LCD显示屏20显示故障信号外，还会通过控制PWM驱动模块11驱动的蜂鸣器5发出不同频率和音量的警报，从而对不同的故障作出反应。同时，SD卡接口电路6连接的SD卡可实时记录下各种操作和运行信息，以便操作者及时排查产生故障的原因。另外，该系统提供的USB接口电路7，其USB接口可供操作人员随时随地更改或升级程序。

如图3所示为本实用新型的电阻式触摸屏21为四线电阻式触摸屏的原理图，图中x+、y+、x-、y-表示四线电阻式触摸屏的四根线。四线电阻式触摸屏包含两个阻性层，其中一层在屏幕的左右边缘各有一条垂直总线，另一层在屏幕的底部和顶部各有一条水平总线。为了在x轴方向进行测量，将左侧总线偏置为0V，右侧总线偏置为VREF。将顶部或底部总线连接到ADC模数转换器14，当顶层和底层相接触时即可作一次测量。为了在y轴方向进行测量，将顶部总线偏置为VREF，底部总线偏置为0V。将ADC模数转换器14输入端接左侧总线或右侧总线，当顶层与底层相接触时即可对电压进行测量。对于四线电阻式触摸屏，最理想的连接方法是将偏置为VREF的总线接ADC模数转换器14的正参考输入端，并将设置为0V的总线接ADC模数转换器14的负参考输入端。图4所示为四线电阻式触摸屏在两层相接触时的简化模型，图中包括触笔8，柔软塑料片91、金属涂层90、绝缘支点93和玻璃罩92。

如图5-1、图5-2和图6所示，表示了本实用新型所述数字化弧焊电源的触摸屏人机界面系统的驱动电路结构。该电路的主控芯片1为ARM9-S3C2440，它是三星公司推出的一款功能强大，功耗极低的ARM9嵌入式CPU，采用3.3V供电，通过串口电路3实现与焊接电源主电路4的DSP处理器TMS320F2808的通讯。通过串口电路3的通讯，主控芯片1可与数字化焊机的主控制板的焊接电源主电路4进行参数的传递，主要包括焊接初始化参数和状态信息，以及故障报警信息。焊接动态过程的电流和电压信息，因为数据量大，则直接由电流电压采样电路在送给主控制板同时，也送到主控芯片1中，经ADC模数转换器14转换后显示出来。

上述数字化弧焊电源的触摸屏人机界面系统的驱动电路还带有100M DM9000网卡的100M以太网端口13，可实现多台数字化焊机的联网操作，形成自动化焊接生产线，如图7-1和图7-2所示为100M以太网端口13的电路原理。通过扩展网络接口的模式，可实现多台数字化焊接电源的互联，从而构成自动化焊接生产线。通过以太网，可实时对焊接过程的各种信息进行收集、处理、反馈，并通过计算机或其他控制装置，对生产线进行控制。在以太网的基础上，数字化焊接电源可与上位PC机相联，传递过程的状态信息，用于生产过程的管理。

如图8至图13所示，本实用新型所述的数字化弧焊电源的触摸屏人机界面系统，其控制软件模块包括多功能数字化焊机的专家控制系统，焊接专家系统可以存储多种焊接方法、不同焊接材料和不同工艺参数下的最佳焊接工艺方案，充分发挥数字化焊机操作简便的优势。在电阻式触摸屏21和LCD显示屏20上采用图文形式实现焊接过程的参数设置，焊接方法、焊接模式、焊接直径和焊接材料的选择，使得焊接过程的操控简单直观。

其中，如图8所示为本实用新型的工作过程人机交互软件流程图，开机之后基于ARM9-S3C2440的控制面板首先进行自身的I/O口、中断、串口电路3和LCD显示屏20的初始化，然后基于ARM9-S3C2440的人机交互系统进入工作状态，等待DSP处理器TMS320F2808先向基于ARM9-S3C2440的人机交互系统发送焊接开始信号，并接收获取焊接参数，开始引弧，引弧成功后进入正常焊接过程，判断并选择焊接方式。若为脉冲焊，DSP处理器TMS320F2808控制第一焊接电源主电输出峰值电流，同时第二焊接电源主电路4输出基值电流，当第一焊接电源主电路4输出峰值电流结束进入基值电流输出状态时，第二焊接电源主电路4进入峰值电流输出状态，如此循环反复，保证两电源脉冲输出相位相差180°；若为埋弧焊，则DSP处理器TMS320F2808对两个闭环分别进行恒流控制；若为CO₂焊，则DSP处理器TMS320F2808对两个闭环分别进行恒压控制。焊接结束时，同时进入收弧控制程序。收弧结束后，向基于ARM9-S3C2440的人机交互系统发送焊接结束信号，控制系统回到等待下一次焊接的状态。

其中，如图9所示，为本实用新型的触摸屏人机界面系统的操作主界面及参数设置界面示意图；在数字化电源开机初始化后，系统进入主操作界面，在主界面的右侧包括以下子菜单：焊接参数、焊接方法、焊丝直径、焊接材料、焊接模式，点取屏幕上各菜单相应的区域后，即进入各子菜单，可进行下一步骤的操作。在主界面的左侧是单选按钮，包括：异常、检气、保存、锁定、调用、单丝/双丝，点取上述按钮区域即可进行焊接工艺动作操作和焊接参数存取。在主界面的中间区域是焊接电流和电压显示区域，对于单丝焊，右边的窗口显示电流，左边的窗口显示电压；对于双丝焊左右两边的窗口通过切换可以分别显示电流和电压。

其中，如图10所示，为本实用新型的触摸屏人机界面系统的焊接方法选择界面示意图。点选“焊接方法”子菜单，即可进入焊接方法的选择界面。在该子菜单中，可选择“双脉冲”焊，用于铝镁等轻质合金材料的焊接；选择“脉冲MIG”焊，可以进行碳素钢、合金钢和不锈钢的焊接；选择“CO₂/MAG”焊，可焊接普通钢材；选择“埋弧焊”，可实现埋弧自动焊工艺。

其中，如图11所示，为本实用新型的触摸屏人机界面系统的焊接材料选择界面示意图。在该子菜单下，可选择常见的几种焊接材料，包括：碳钢、合金钢、铝合金和特殊材料。根据所选定的焊接材料，调用相应的焊接工艺数据库，使其焊接质量达到最佳状态。

其中，如图12所示，为本实用新型的触摸屏人机界面系统的焊丝直径选择界面示意图。在该子菜单下，可以进行焊丝直径的选择。对于气保焊工艺，可以选择的焊丝直径包括：0.8mm、1.0mm、1.2mm、1.6mm、2.0mm，对于埋弧焊工艺可以选择：2.0mm、2.4mm、3.2mm、4.0mm。对于双丝焊，焊接直径的匹配选择。

其中，如图13所示，为本实用新型的触摸屏人机界面系统的焊接模式选择界面示意图。焊接模式选择。在该子菜单下，可以选择：两步、四步、点焊和特殊焊接四种操作模式。其中两步操作适合短焊缝的焊接，按下焊枪开关时，开始焊接，松开焊枪开关停止焊接；四步操作具有自锁功能，当第一次按下焊枪开关开始焊接，松开焊枪开关后，继续保持焊接；第二次按下焊枪开关后，进入收弧阶段，再松开焊枪开关即停止焊接。

本实用新型所述的数字化弧焊电源的触摸屏人机界面系统，在触摸定位控制中，采取二次线性拟合的触摸屏校正方法，实现了触摸屏点位操作的准确定位。其所实施的触摸屏校正方法包括以下步骤：

步骤A，系统主程序运行前，沿电阻式触摸屏21对角线依次进行n次点触操作进行采样；

主控芯片1通过串口电路3反馈获取n组触摸屏采样坐标值(xdata_i，ydata_i)，其中，xdata_i表示第i次点触操作时对应的电阻式触摸屏21的x轴采样坐标值，ydata_i表示第i次点触操作时对应的电阻式触摸屏21的y轴采样坐标值，i＝1，2……n；

主控芯片1根据n组触摸屏采样坐标值(xdata_i，ydata_i)映射出n组显示屏采样坐标值(x_i，y_i)，其中，x_i表示第i次点触操作时根据xdata_i映射出的LCD显示屏20的x轴采样坐标值，y_i表示第i次点触操作时根据ydata_i映射出的LCD显示屏20的y轴采样坐标值，i＝1，2……n；

步骤B，设定采样拟合方程式，采用最小二乘法完成对采样拟合方程式的线性拟合，求取拟合参数，具体如下：

步骤B1，设定LCD显示屏20的x轴采样坐标值x_i的采样拟合方程式，以及LCD显示屏20的y轴采样坐标值y_i的采样拟合方程式：

x_i ^*＝a×xdata_i+b，

y_i ^*＝c×ydata_i+d，

其中，x_i ^*表示LCD显示屏20的x轴采样坐标值x_i的采样拟合值，y_i ^*表示LCD显示屏20的y轴采样坐标值y_i的采样拟合值，a、b、c、d为拟合参数；

步骤B2，根据最小二乘法原理，

获取x_i与x_i ^*的残差值e_xi，e_xi＝x_i-x_i ^*，

使残差值e_xi的平方和Q为最小，即：

使 $Q=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{e_{\mathrm{xi}}}^2=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(x_i-{x_i}^{*})}^2=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(x_i-a\×{\mathrm{xdata}}_i-b)}^2$ 为最小；

获取y_i与y_i ^*的残差值f_yi，f_yi＝y_i-y_i ^*，

使残差值f_yi的平方和G为最小，即：

使 $G=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{f_{\mathrm{yi}}}^2=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(y_i-{y_i}^{*})}^2=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(y_i-c\×{\mathrm{ydata}}_i-d)}^2$ 为最小；

步骤B3，

使得Q为最小应满足以下两组偏导数等于零的方程组：

$\frac{\∂Q}{\∂a}=0,$

$\frac{\∂Q}{\∂b}=0,$

根据方程组求取拟合参数a值和b值；

使得G为最小应满足以下两组偏导数等于零的方程组：

$\frac{\∂G}{\∂c}=0,$

$\frac{\∂G}{\∂d}=0,$

根据方程组求取拟合参数c值和d值；

步骤C，运行系统主程序；

设定系统主程序运行后用于触摸校正的校正拟合方程式：

x^*＝a×xdata+b，

y^*＝c×ydata+d，

将a值、b值、c值、d值相应代入上述校正拟合方程式，完成触摸校正，从而控制LCD显示屏20显示；

其中，xdata表示系统主程序运行后，在电阻式触摸屏21点触操作时主控芯片1通过串口电路3反馈获取的对应的电阻式触摸屏21的x轴坐标值；x^*表示校正后的LCD显示屏20的x轴坐标值；ydata表示系统主程序运行后，在电阻式触摸屏21点触操作时主控芯片1通过串口电路3反馈获取的对应的电阻式触摸屏21的y轴坐标值；y^*表示校正后的LCD显示屏20的y轴坐标值。

综上所述，本实用新型所述的数字化弧焊电源的触摸屏人机界面系统，提供了一种用于焊接过程控制图文显示的、具有更高的操作灵敏性和准确性的触摸屏人机交互系统，应用更为精确的触摸屏校正的方法，可以实现双脉冲焊铝、单脉冲MIG焊、CO2/MAG气保焊、埋弧焊多种焊接工艺方法的调试与控制。本实用新型所述的数字化弧焊电源的触摸屏人机界面系统通过电阻式触摸屏21的操作界面，可以方便地控制焊机的运作方式，并能随时地通过LCD显示屏20观察到当前的运行状态，并能随时观察到当前的运行状态，同时面板的结构较简单，体积较小，操作简单，在不同机型之间的可移植性高、兼容性好，显示信息量大，显示亮度足够，且更加友好和强大。该系统的升级可以直接通过升级软件来完成，可以满足当前对产品多样化、低成本以及短生命周期的需求。

以上所述仅是本实用新型的较佳实施例，故凡依本实用新型专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本实用新型专利申请范围内。

Claims (8)

1.数字化弧焊电源的触摸屏人机界面系统，其特征在于：它包括触摸屏人机界面模块、主控芯片和串口电路，所述主控芯片设有GPIO接口、LCD控制器和ADC模数转换器，所述触摸屏人机界面模块包括配合使用的电阻式触摸屏和LCD显示屏，电阻式触摸屏设有触摸屏检测装置；所述主控芯片的GPIO接口通过串口电路连接有焊接电源主电路，主控芯片的LCD控制器连接LCD显示屏，主控芯片的ADC模数转换器连接电阻式触摸屏的触摸屏检测装置。

2.根据权利要求1所述的数字化弧焊电源的触摸屏人机界面系统，其特征在于：所述电阻式触摸屏为四线电阻式触摸屏。

3.根据权利要求1所述的数字化弧焊电源的触摸屏人机界面系统，其特征在于：该触摸屏人机界面系统还包括USB接口电路，所述主控芯片设有USB模块，主控芯片的USB模块连接所述USB接口电路。

4.根据权利要求1所述的数字化弧焊电源的触摸屏人机界面系统，其特征在于：该触摸屏人机界面系统还包括蜂鸣器，所述主控芯片设有PWM驱动模块，主控芯片的PWM驱动模块连接所述蜂鸣器。

5.根据权利要求1所述的数字化弧焊电源的触摸屏人机界面系统，其特征在于：该触摸屏人机界面系统还包括SD卡接口电路，所述主控芯片的GPIO接口连接所述SD卡接口电路。

6.根据权利要求1所述的数字化弧焊电源的触摸屏人机界面系统，其特征在于：所述主控芯片设有100M以太网端口。

7.根据权利要求1所述的数字化弧焊电源的触摸屏人机界面系统，其特征在于：所述焊接电源主电路包括DSP处理器TMS320F2808，所述主控芯片的GPIO接口通过串口电路连接DSP处理器TMS320F2808。

8.根据权利要求1至7任一项所述的数字化弧焊电源的触摸屏人机界面系统，其特征在于：所述主控芯片的型号为ARM9-S3C2440。

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