變頻恒流穩壓微弧氧化電源的人機界面設計

張正良 張東寧 吳彥文 高 宇

（昆明電器科學研究所，昆明 650221）

微弧氧化（MAO）技術是一種新型金屬表面處理技術[1]，經過微弧氧化處理后提高了金屬的耐磨性和耐腐蝕性，在國防裝備、航天、機械、汽車、船舶等領域得到了應用。微弧氧化是將鋁合金置于強電場環境的溶液中，器件表面因受到電壓作用而發生微弧放電，產生高壓高溫使微區的鋁原子與溶液中的氧結合生成一層以氧化鋁為主要成分的陶瓷層。微弧氧化作為一種等離子體電化學技術受到電流密度、電壓、頻率、占空比及氧化時間等能量參數的影響[2]，故在微弧氧化過程中實時記錄能量參數的變化對研究微弧氧化工藝有重要作用。本設計基于MCGS及控制微弧氧化的DSP2407A設計人機交互界面，實現了對微弧氧化過程中的電參數的實時記錄及監視，并支持數據導出為分析微弧氧化過程及優化工藝奠定了基礎。

本文主要有四部分組成，第一部分分析了人機界面在整個系統中的位置和作用；第二部分定義了通信幀結構和開發驅動；第三部分設計DSP通信幀解析程序；第四部分分析了微弧氧化過程中電參數變化過程。

1 電源特征

根據MAO的工藝要求，電源能輸出高電壓大電流且頻率、占空比都可調節，輸出波形如圖1所示。

圖1 電壓波形示意圖

電源參數：正向電壓0～600V可調，額定電流300A，脈沖個數 1～32767個可調；負向電壓 0～100V，額定電流150A，脈沖個數1～32767個可調；占空比5%～100%可調。脈沖頻率最高可達7.3kHz。此外根據 MAO過程正負電源可以分別選擇在自動模式下運行，即開始階段為恒流輸出，當膜層長厚擊穿電壓達到限壓值后為恒壓輸出，整個電源系統 結構如圖2所示。

圖2 MAO系統結構示意圖

整個系統大致可以分為主電路，DSP控制模塊，人機界面等三個模塊。系統開始運行時DSP的各個功能單元都是停止的，操作員在人機界面上設定好整個系統的參數后，MCGS通過串口通信協議將設置的參數值傳遞到DSP模塊，DSP根據串口通信的命令幀中的命令將參數傳遞到各個控制模塊，當參數設定后MCGS人機界面就可以發送啟動系統的命令幀，DSP模塊就根據先前的設定啟動各個功能單元。在系統的運行過程中MCGS不停的發送采集命令幀將DSP的模擬量AD轉換結果和DA通道的輸出值傳送到MCGS中，MCGS通過各個組件把采集來的數據以波形或數值的形式顯示在界面上，并根據條件進行數據存儲；當微弧氧化過程結束后，可以通過人機界面的數據導出功能將微弧氧化過程中的數據導出進行更為深入的分析。

2 通信結構

2.1 人機界面需求

根據系統的工作過程可知：①人機界面需要設置DSP功能模塊的參數；②人機界面需要實時采集DSP的模擬量輸入和輸出；③人機界面需要發送特殊的命令來驅動 DSP的功能模塊。為方便理解在DSP中參與通信的數據都以數組的方式進行存儲，根據 MCGS的通信需求，在DSP中分別建立模擬量采樣數組 ADData[]含 16個元素，模擬量輸出數組 DAdata[]含 4個元素，數據交換數組 DataE[]含16個元素。

2.2 通信幀

為實現MCGS和 DSP控制模塊之間的通信，本文設計了一種通信幀結構如圖3所示。

圖3 通信幀結構

整個通信幀共有8個字節組成：

首字節是起始碼，用來標注通信幀命令的開始。

第二字節為地址碼，用來標注本通信幀要到達的設備的地址，地址值為0～255。

第三字節為命令碼，用來標注此通信幀的主要功能，命令碼的取值區間為0～255，共可以容納256個通信命令，在本設計中用到的命令碼主要有：AD采集：0xAD；DA 采集：0xDA；數據交換命令：0xDD；停止命令：0x00；啟動命令：0x11；參數寫入命令：0x22。

第四字節為操作域，用來標注命令碼操作的數據域，如果要采集AD采樣結果的第二通道的值，那么命令碼為：0xAD，操作域為 0x01，解析程序就會把第二個AD采樣通道的值填入返回幀中。

第五字節是數據高8位，主要用于攜帶DSP存儲單元中的高8位數據，在DSP中數據以16位為一個存儲單元，而串口通信則以8位為一個單元，所以要傳輸一個DSP數據存儲單元的值就得分為高8位和低8位。對于一些并不攜帶通信數據的命令，如啟動命令：0x11，只要在DSP的通信幀解析中加以屏蔽即可，為了通信幀的統一性還是要保留數據位的通信。

第六字節為數據位低8位，主要用于攜帶DSP存儲單元中的低8位數據。

第七字節為數據結束位，這是為多數據通信預留，以便實現用一幀傳送多數據。

第八字節為幀停止位，用來標注通信幀的結束。

3 驅動開發

在DSP的應用中為了實現對象控制往往需要一個人機界面，通常采用的方法是MCU+DSP，即用一個MCU做人機界面，用DSP做控制。這種方法雖然可以解決簡單的人機界面問題，如鍵盤輸入、LCD顯示輸出等，但很難實現變量變化趨勢監控，而且開發難度大、風險大、難以實現大量數據存儲查詢等復雜功能。北京昆侖通態公司推出的mcgsTpc系列嵌入式HMI（人機界面）產品廣泛的應用于工控領域，性能穩定，提供了完整的開發平臺，用戶可以根據需要自行開發硬件的驅動程序，實現組態；而基于DSP設計變頻恒流穩壓微弧氧化電源控制器并非通用設備，MCGS并沒有提供相應的設備驅動。

基于圖3的通信幀結構，本文開發了變頻恒流穩壓微弧氧化電源控制器的 MCGS驅動，將 DSP和MCGS連接起來。MCGS上的驅動與DSP通信結構如圖4所示。

圖4 通信框架結構

MCGS上的驅動主要通過三種方式發送命令幀與DSP進行通信：

第一種周期采集，即周期的收發通信幀，主要是對AD、DA結果進行采集，如圖4所示，驅動給出了與上層應用的接口：AD、DA通道。

第二種命令驅動，驅動給出設備命令函數，上層應用只要調用相應的函數就可以收發通信幀。設備命令有：Stop（發送停止命令）、ConGo（發送起動命令）、RDSP（CHL AS INTEGER,Fd AS INTEGER）（讀通道值）、WDSP（發送數據更新命令）等。

第三種方式是數據改變時觸發通信，收發通信幀。在上層的應用中，如果與數據交換通道相連的變量的值發生改變時，就會觸發一次通信，完成通信幀的收發以實現數據交換。在MCGS開發環境中加載此驅動后就可以從設備驅動窗口看到驅動與上層交互界面的接口如圖5所示。

圖5 設備驅動界面

圖 5中對應數據對象欄是指窗口應用中的變量，通道類型為驅動通過的接口。

4 DSP通信解析

4.1 DSP通信幀收發機制

從圖4中可知，DSP需要對通信幀進行接收、解析、發送等三個操作才能實現與MCGS之間的通信。DSP通信幀收發流程如圖6所示。

圖6 DSP通信幀收發流程

為了提高通信的效率，通信幀的接收和發送都是以中斷的方式進行處理[3]。在DSP中建立一個通信幀數組TMPCMD[]和接受完成標志Flag，當通信幀接收完成后SCI的接收中斷服務程序就使Flag置1，主程序知道Flag置1后就會對接收的通信幀數組TMPCMD[]進行解析，解讀其中內容進行相應的動作并且更新發送幀數組 TMPCMDS[]，更新完成后啟動返回幀的發送Flag置0，SFlag置1，返回幀的實體就是 TMPCMDS[]數組，返回幀發送完后SFlag置0。

4.2 通信幀解析

解析就是對命令幀中的內容所具有的意義進行理解，并調用相應的函數完成通信幀中所賦予的意義。解析流程圖如圖7所示。

圖7 通信幀解析流程

當通信幀接收完成后，接收中斷就會對Flag置1，這時主程序就對通信幀進行解析，解析的第一步將通信幀中的命令碼，操作域，攜帶數分別放入結構體TmpCmdMAP中的Code域，Field域，和Data域中。第二步對 Code域進行分析即圖 7中的判斷塊，其中的0x$$是指命令碼的值。從3.2可知本文一共定義了AD采集：0xAD；DA采集：0xDA；數據交換命令：0xDD；停止命令：0x00；起動命令：0x11；參數寫入命令：0x22等6個命令。對于AD、DA命令碼，解析程序會根據 TmpCmdMAP中的Field域將相應的AD采樣結果和DA輸出結果更新到返回幀中相應的位置上，在返回幀中命令碼保持與發送幀中的一致；對于數據交換命令：0xDD解析程序會將接收幀中的數據攜帶值還原成 16位格式，更新到TmpCmdMAP中的Data域中，并將該值更新到數據區數組 DataE[TmpCmdMAP. Field]中。再將更新后的DataE[TmpCmdMAP. Field]值更新到返回幀數組中；對于停止命令：0x00解析程序會調用PWMStop()函數停止波形輸出，及自動控制的所有功能，返回幀數據域、命令域均填0x00。對于起動命令：0x11則調用PWMStart()函數起動波形輸出，及自動控制的所有功能，返回幀數據域、命令域均填 0X11；對于參數寫入命令：0x22解析程序調用 PWMStop()函數停止波形輸出，再調用Refresh()函數，刷新控制模塊的數據，主要是將人機界面設定值更新到各功能單元，返回幀數據域、命令域均填0X22。

5 人機界面窗口結構

開發好MCGS驅動和DSP通信解析程序后就可以進行人機交互窗口的設計，人機交互窗口如圖8所示。

圖8 人機交互窗口結構

主要有封面、波形調整等10個窗口組成，在上層窗口中只用點擊相應子窗口名的按鈕就可以進入下一層窗口，在子窗口中只用單擊就可以返回上一層窗口。

封面主要顯示系統運行時間和各個子窗口的入口的按鈕。

波形調整界面主要作用是設置波形參數，恒流穩壓參數以及啟動和停止DSP波形輸出和PID系統。

PID設定窗口主要是用來調試 PID，與波形調整界面中的調整不同，這個界面中還可以以Q15格式調整PID的Kp、Ki、Kd等參數。

時間設定界面主要是用來修正觸摸屏的時間參數，設定系統運行時間以及系統進入穩壓PID后的運行時間，時間控制值設定后起效。

歷史波形參數查詢界面主要用來查看以往的波形參數，并可以調用子窗口進行記錄輸出。

報警監視窗口主要用來監視系統的報警信息，主要是溫度報警和通信報警。

模擬量監控窗口主要是對系統的電流、電壓進行監控，以及輸出模擬量記錄以進行工藝分析。

6 實驗結果

系統開發完成后用兩個鋁合金器件進行了實驗，記錄的電參數如圖9所示，其中上圖為電流變化記錄，下圖為電壓變化記錄。

主要電參數：正向脈沖個數為 15個，反向脈沖個數為5個，占空比為50%；恒流參數為正向電流3A，反向電流1A，正向穩壓值為500V；反向穩壓值為80V。

圖9 電參數變化關系

從圖9中可以看出0～1200s時只有正向電流，正向電壓，主要作用是在鋁合金表面生成普通的氧化鋁薄膜為微弧氧化做鋪墊，1200s以后正向電流電壓，反向電流電壓都出現上升過程，這是電流PID的作用，然而隨著微弧氧化的進行，陶瓷層氧化膜不斷增厚，電流不斷減小，電壓在恒流PID作用下就達到了限壓值，系統轉入穩壓PID程序。

電壓進入穩壓PID程序后大概到2500s處電壓都是穩定不變的。進入恒壓PID后，從圖9中可以看到正向電流和反向電流都開始不斷的減小。

在 3500s處反向電流幾乎等于 0。根據以往經驗當反向電流接近0后，繼續微弧氧化就會增大樣品表面的粗糙度。將反向電參數的控制方式改為手動，提高反向電壓，從圖9的電壓圖中可以看到，反向電壓有一個向下的小口，是由于跳到手動擋后反向電壓為0造成的。反向電壓手動升高后，正向電壓依然是穩壓 PID，正向的電流和反向的電流都有所增大。

大約在8000s處正向電流在穩壓PID作用下達到0.8A左右，為了延長微弧氧化時間采取與反向同樣的方法，改為手動模式，所以就看到了正向電壓向下的那條線。從正向電壓的向下線后，可以看出電壓只用向上調很小的范圍電流就發生了很大的變化。第一個器件的微弧氧化在17000s左右因反向電流為0而結束。第二個器件的微弧氧化過程與第一個基本相同。

7 結論

本人機界面的設計實現了：①提供友好的人機交互接口；②實時記錄了微弧氧化過程中的電參數，實現了對微弧氧化過程的監視；③成功開發了一種適用于對DSP模擬量和數字量進行監控的通信協議。

[1]Nakatsugawa,R Martin ,E J Knystautas. Improving Crossion Resistance of AZ91D Magnesium Alloy by Nitrogen Ion Implantation [J]. Corrosion Science,1996,52(12):921-926.

[2]王虹斌,方志剛,將白靈. 微弧氧化技術及其在海洋環境中的應用[M].北京:國防工業出版社,2010.

[3]王潞鋼,陳林康,等. DSPC2000程序員高手進階[M].北京:機械工業出版社,2004.