面向覆铜板制造过程的数据采集和实时监控系统

夏跃伟，杨志强

（1.广东科技学院 计算机系，东莞 523000；2.黄淮学院 国际学院，驻马店 463000）

0 引言

铝基覆铜板作为高功率LED芯片散热的主要材料，其表面性能和介质均匀程度对LED服役寿命和发光效率有直接影响[1~2]。目前，在覆铜板的压合过程中，导电层（铜箔）、介质层和金属基底在高温密闭环境下均压成型[3]，压合参数（挤压温度、径向压力）通过有线变送控制，一定程度上可实现压合过程数据实时采集和在线控制。但是，由于现场生产设备的多样性，现场敷设线路较为繁杂，布线成本较高，在多设备状态和生产过程的集约化管理上难度较大[4~5]。

鉴于此，为解决有线传输的弊端，实现铝基覆铜板的连续制造，确保覆铜板质量，本文针对加工参数（挤压温度、压力等），建立面向覆铜板制造过程的无线传感网络，利用实时数据传输，对制造过程进行远程在线控制，并为多设备信息的融合提供借鉴，便于实现车间多设备状态的集约化管理。

1 面向制造过程的无线网络框架

制造过程的远程监控通过在现场布置多个无线传感节点，利用ZigBee数传技术，将采集到的生产数据传给监控端，如图1所示。生产现场的无线传感节点组成Mesh拓扑结构，无线终端节点采集并变送过程数据，经协调器节点，由总线链入上位机。

图1 面向制造过程的无线网络拓扑

无线终端节点由各类采集和发送模块组成[6]，如挤压过程的温度传感器、压力传感器、挤压力度检测等；路由节点负责局部ZigBee节点的数据收发；协调器节点建立并协调无线传感网络，并将无线终端采集到过程数据发送到监控中心。

2 硬件设计

2.1 终端节点设计

终端节点采用MSP430F2002MCU，P7400-420信号调理电路，WZP-230 PT100温度传感器、DB105压力传感器和X-BEE-PRO型无线数传模块，如图2所示。

图2 终端节点的总体结构

1）微处理器主要把采集到的信号调制并转化为可发送的高频载波信号。各节点主控制器采用TI公司超低功耗MSP430F2002MCU，它自带电源电压监控模块，根据现场设备运行提供5种低功率省电模式，如正常工况（2.2V）下，1MHz时钟电流为200μA，意外断电数据保持时，电流仅为0.1μA，很好的解决了MCU在工业应用中的节能问题；同时，具有较快的唤醒反应时间（≤1μs）和指令周期（62.5ns）；另外，片上集成多功能模块，2个16位定时器，1个A/D转换接口（200ks/s），较高的频率校准精度（±1%），配置有通用串口连接，提供SPI、I2C和调试接口。

2）传感模块包括覆铜板压合过程温度、压力数据的采集和变送。压合温度采用具有适应高压环境的WZP-230 PT100温度传感器，在0~420oC范围内有较高的测温精度；压力传感器采用耐高温的DB105，测量量程为0~2.5Mpa，包含压合过程压力变化范围。信号调理对采集到的数据滤波、放大并转化为4~20mA电流信号，终端节点可选用P7400-420信号调理电路。

3）ZigBee数传模块将MCU调制待发的高频载波信号经目的路由ZigBee收发模块发送到车间协调器节点，协调器通过RS232总线连接把数据上载监控计算机。系统ZigBee收发采用X-BEEPRO型无线数传模块，与MSP430F2011MCU通过串口通信，基本功耗约2mW，有效通信范围达40m（满足覆铜板制造车间无线组网范围），提供合理的工业温度适应范围和较高的射频传输速率（250Kb/s）。

2.2 路由和协调节点设计

路由节点将某制造环节（如覆铜板的压合、覆铜板的厚度检测等）采集到的数据转发到协调节点，实现局部范围内测量节点的组网，其组成包括图2中MSP430F2002MCU、X-BEE-PRO ZigBee和电源模块。协调节点对制造车间数据采集节点的组网，并与上位机连接，对制造现场进行在线监控，其组成包括MSP430F2002MCU、X-BEE-PRO ZigBee、MAX232及电源模块（5V、2.4V），如图3所示。

图3 协调节点与上位机RS232通信

3 ZigBee组网主程序设计

ZigBee组网主程序是上位机面向制造过程数据选择性采集和传输的基础，能根据实际的制造过程有选择的唤醒并接受测量节点。首先经初始化，协调器建立面向制造过程的无线网络，经上位机设定监控范围（以物理地址为基准），对应范围内终端节点加入网络[7]，如覆铜板制造环节，温度、压力、板厚度等测量节点被唤醒，对应的物理地址经校验满足无线组网的服务设定，该制造环节的测量节点链入无线网络，如图4所示。

图4 网络协调器组网流程

4 监控系统测试分析

对于某铝基覆铜板的制造，当热压蒸气温度达到约150oC时，增大压力到1.8MPa，压合覆铜板，继续升温到170oC并保温45min，之后降温到80oC，取覆铜板。温度工艺曲线如图5（a），利用该系统测覆铜板制造过程的温度变化曲线如图5（b），实测温度和压力部分参数如表1所示。

图5 覆铜板压合工艺与实测温度对比

表1 实测温度和压力值

通过该系统的监测可知：

1）在覆铜板正常的制造过程中，所检测数据与工艺曲线拟合度较高。由表1可知，并根据离散数据的标准差计算公式可得给定工艺和实测加热过程、保温过程、降温过程标准差，如表2所示。

表2 各阶段工艺温度与实测温度标准差

对各环节离散程度分析，加热过程、保温过程、降温过程工艺设定与实测标准差不超过3oC，考虑到温度调节和控制的迟滞性，可说明测量值有较高的精度，满足设定工艺温度的误差范围[8]。

2）根据实测温度和压力数据，拟定采样温度和压力数据各190组，实际得到温度值187组，压力数据185组，平均丢包率2.11%，在局域网络内具有一定的可信度[9,10]。

5 结论

利用无线传感网络，有效实现覆铜板压合过程的温度、压力等参数的在线采集，并通过实测验证，压合过程温度设定值与测量值标准差不超过3oC，丢包率满足局域网可信通信的要求，使得通过上位机能实时监控压合过程数据变化，提高现场设备的集约化管理程度。该无线检测系统成功运行，可进一步面向覆铜板的制造过程，以便实现原料制备、加工生产、成品检测等多环节数据采集和在线监测。

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