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1、华中科技大学硕士学位论文基于USB的激光焊接信号采集系统设计姓名：王德华申请学位级别：硕士专业：检测技术与自动化装置指导教师：张朴20080320I华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文摘摘 要要 激光焊接是一个极为复杂的物理化学过程，对激光焊接过程进行实时监测是提高焊接稳定性、保证焊接质量的重要举措，检测并分析产生于焊接过程中表征焊接质量的各种信号是监测焊接过程的重要手段。本文选择激光焊接过程中反映等离子体状态的可见光、熔池辐射的红外光和等离子体声音信号作为焊接过程监测的传感信号，设计了一种基于 USB 的激光焊接信号采集系统。 论文首先介绍了 USB 总线协议，包括总线特征、数据流
2、模型、设备枚举等，然后从硬件和软件两个方面对激光焊接信号采集系统进行了研究。硬件上着重设计了 USB 数据采集模块，模块采用集成了微处理器的 USB 接口芯片 CY7C68013来完成设备和 USB 主机间的数据传输， 并采用一块集成度较高的 FPGA 芯片作为整个数据采集和传输的控制核心，然后给出了模块的具体硬件设计方案。软件部分主要包括固件程序、 USB 设备驱动程序和主机应用程序。 在 FX2 固件框架的基础上，固件程序的开发采用了 Slave FIFO 接口模式和自动传输方式，提高了传输速率；在驱动程序设计部分，引入了 WDM 驱动程序开发模型，并介绍了 USB的 WDM 驱动体系结构
3、和 USB 设备驱动程序的开发过程； 最后结合驱动程序设计了主机应用程序，用于整个系统的测试，最终实现了信号的采集和波形显示。试验结果表明系统能够正确的采集数据并反映焊接状态的变化。 论文完成的基于 USB 的激光焊接信号采集系统， 兼具 FPGA 设计的灵活性和USB 传输速度快、使用方便的优点，为激光焊接质量监测系统提供了一种经济、便携的信号采集方式。 关键词: 激光焊接；数据采集；USB；固件；WDM 设备驱动 II华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文Abstract Laser welding is a highly complex chemical and physical
4、 process. In order to increase the stability and to maintain the quality of laser welding, it is an important act that the laser welding process should be monitored and controlled in real time. And to detect and analysis signals that reflect the welding quality in process of laser welding is an impo
5、rtant method to do so. Visible light that reflects the plasma status, infrared signals from the welding pool and the plasma sound are selected as sensing signals to design a signal acquisition system for laser welding based on USB in the thesis. The protocol of USB 2.0 is introduced firstly, includi
6、ng bus attributes, data flow model, enumetation and so on. Then the signal acquisition system for laser welding based on USB is studied on both hardware and software. The thesis focuses on the design of the data acquisition module based on USB in hardware design segment. In the data acquisition modu
7、le, USB interface chip CY7C68013 with on-chip microprocess is used to communicate between device and the host. Also a highly integrated chip of FPGA is used as the control core of data acquisition and communication. Then the hardware design scheme of the data acquisition module is given in detail. T
8、he software programs mainly include firmware, USB driver and application program. During the firmware development, Slave FIFO and auto communication are used to increase the transmission rate based on the FX2 firmware framework. In the part of driver program, WDM and system structure of USB driver b
9、ased on WDM are introduced and the development process of USB driver of the system is given. At last, the application program based on USB driver is designed for system test and can acquisit data and display waveforms. Experiment results indicate that the system can provide correct data acquisition
10、and can correctly reproduce the state transition of laser welding. The signal acquisition system for laser welding based on USB discussed in the thesis has excellent features of both flexibility of FPGA and high speed and convenience of USB. It provides a method of economic and convenient of data ac
11、quisition for laser welding. III华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文Keywords: Laser Welding; Data Acquisition; USB; Firmware; WDM Driver 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。 对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版
12、权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密 ，在_年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 1华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文1 绪绪 论论 1.1 课题来源及背景课题来源及背景 本课题来源于一航空研究所
13、合作项目，课题的目标是建立一套适应性好、可靠性高、功能强大、易于扩充的激光焊接过程稳定性监测的多传感器信号测量与分析系统，并利用该系统完成基础性的实验研究和数据分析工作，为今后进一步实现稳定的激光焊接过程控制、保证焊接质量做好理论和技术准备。 1.1.1 激光焊接概述激光焊接概述 激光焊接是一种新型的特殊焊接方法， 它的应用始于 1964 年。 七十年代以来，随着大功率激光器的出现，激光深熔焊得到了迅速的发展。以“小孔”效应为理论基础的激光深熔焊接，与传统的弧焊方法相比，焊接能量密度高，加热集中，对材料热损伤小，焊缝深宽比大，热影响区小，变形小，焊接接头残余应力低，而且焊接精度高，可显著减少焊
14、后加工量，焊接过程易于集成化、自动化、柔性化，这一切的优势都使得激光焊接技术越来越多的被应用到航空航天、电子、微机电等领域中。目前，激光焊接技术已在国外的诸如航空、航天等多种领域获得应用，在国内也正在向航空结构等重要构件的制造中推广应用。 激光焊接过程是激光、材料以及光致等离子体相互作用的复杂过程，激光功率、焊接速度、离焦量、保护气种类及流量以及工件表面状况等都会对焊接过程造成影响。检测并分析焊接过程中产生于激光与材料相互作用区的各种信号一直是监测焊接过程的重要手段。在激光焊接过程中，能够反应焊接过程稳定性及焊接质量优劣的信号主要有光、声、电等信号，其中光信号包括等离子体光辐射(包括紫外波段和
15、可见光)和熔池的红外辐射信号，声信号包括等离子体的可听声发射信号以及产生于工件内部或外光路镜片上的超声波，而电信号主要指等离子体振荡引起的焊接区域电场的变化。当前监测系统大多都是选择激光焊接过程发出的一个或多个物理信号作为监测对象进行电信号的变换和实时电信号采集，并结合流行的信号处理方法，来建立激光焊接过程质量实时监测系统，最终实现焊接质2华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文量和可靠性的控制。本课题所研究的监测系统的主要监测对象为光致等离子体发射出的 400-440nm 波长的可见光、光致等离子体产生的 20Hz-100kHz 的声音信号和高温熔池发出的波长范围为 0.9-1.6m
16、的红外辐射1-9。本文主要研究的就是用于检测这些影响焊接质量的信号的 USB 数据采集系统。 1.1.2 数据采集接口的比较 数据采集接口的比较 在工业生产和科学技术研究等行业中， 常常需要利用 PC 机或工控机对各种数据进行采集处理。对于这样一个数据采集系统来说，它主要完成数据信息的采集、A/D 转换，然后通过 PC 接口总线将转换后的数据送入计算机作进一步处理10-11。为实现数据的采集，以前是开发专用的板卡(如 PCI 卡、ISA 卡、485 卡等)，安装在 PC 或工控机内。数据采集板卡同计算机外设一样，与主机的通讯接口一般是基于 PC 上的 RS-232 总线、ISA 总线、PCI 总线、EPP/ECP(最高传输速率为 3Mbps)等。采用这些传统接口的数据采集设备存在以下缺陷：安装麻烦，价格昂贵，受计算机插槽数量、地址、中断资源等限制，可扩展性差，在一些电磁干扰性强的测试现场，可能无法专门对其作电磁屏蔽，从而导致采集的数据失真12-15。 随着计算机技术的飞速
