多功能数字焊机的人机交互系统设计

袁东旭 王瑛 唐志博 黄赞植

摘  要：为了更好地改善焊机焊接效果，通过对焊机对于人机交互界面的应用需要进行分析，以Cortex-F4内核控制为基础设计人机交互实现方案。最终设计出了焊机的人机交互系统。通过实验表明本设计具备焊机多个模式、多个数据的人机交互功能，同时具备焊接参数的存储与读取功能，在焊机界面应用中具有较好的实用性和通用性，该焊机人机交互系统值得推广。

关键词：嵌入式控制;人机交互;多模式;LCD

中图分类号：TG43      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）06-0045-03

Abstract：In order to better improve the welding effect of welding machine，through the analysis of the application needs of human-computer interface of welding machine，the realization scheme of human-computer interaction is designed based on Cortex-F4 core control. Finally，the human-computer interaction system of welding machine is designed. The experiment shows that the design has the function of human-computer interaction of multiple modes and data of welding machine，and has the function of storage and reading of welding parameters. It has better practicability and generality in the application of welding machine interface. The system is worth popularizing.

Keywords：embedded control;human-computer interaction;multimode;LCD

0  引  言

目前焊机控制界面大多数为数码管或者较小的LCD屏幕，显示内容单一、智能焊机操作过于复杂，并不能满足现代智能焊机的显示要求。人机交互的作用是完成人类对控制器的命令输入、控制器向人类完成结果展示。因此设计出一款多功能、操作简单的人机交互系统显得尤为重要。

本文设计的焊机人机交互系统可用于多种型号的焊机控制系统中，设计时为了使该系统具有通用性，充分考虑了焊机的多种模式以及多个参数的显示以及设定，本设计可以完成五种大模式，十九种小模式的人机交互功能，同时该人机交互系统可以对一次焊接中的多个参数完成人机交互工作。其操作简单主要表现在通过编码器即可完成人机交互工作，与触摸屏相比减少了误触碰的风险，与键盘输入相比减少了复杂的操作，在设计时采用分页的设计模式，显示界面简单，易于学习，该设计符合现代人机交互系统的发展方向。本系统在北京工业大学嵌入式联合实验室中完成了多功能数字焊机人机交互系统实验验证。

1  系统硬件设计方案

人机交互系统一般以单片机作为系统的控制單元，然后通过传感器或者外设将外界信息采集进单片机，之后通过运算单元或者某些特定的算法对信号进行处理，处理后的信号以图片或者数字的形式显示在屏幕上。本设计采用同样的设计方案，焊机人机交互系统是一个整体，由控制模块、数据采集模块、通信模块、显示模块等多个模块组成。硬件系统结构图如图1所示。

焊接过程是一个非线性时变系统，焊机人机交互系统需要实时与外界进行数据交换以及实时计算控制器在整个过程中需要同时处理的多个任务，因此选择一款功能强大的处理器非常重要。本设计选用了STM32F405作为本设计的核心处理器，该型号的处理器具备浮点数计算单元，实时计算能力强，具备多任务的处理能力。显示模块经过对比选用DGUS协议串口屏幕，具备智慧型图形界面功能，屏幕内部集成了K600内核，内核内部具有操作系统。屏幕通过二次开发可实现特定的功能，二次开发通过特有的PC软件配置工具，只需将配置好的工程文件进行移植，同时屏幕所有的显示以及控制过程都是通过PC软件预先设定的，通过配置文件运行。焊机工作环境复杂、干扰源较多，因此在控制器与屏幕之间的通信协议选用较为经典的RS-232通信协议，RS-232协议为全双工通讯，且采用负逻辑区分高低电平，具有较好的抗干扰能力，满足控制器与屏幕之间的通信要求。

焊机人机交互系统舍弃了原来的触摸输入或者键盘输入而选用双编码器输入交互方式，这种方式操作简单、且不会误触碰。编码器型号选用EC11编码器，单片机通过判断编码器产生的脉冲进行左右旋转以及按下等操作，左侧按钮旋转完成模式选择，中间按钮来完成模式确定，右侧按钮主要完成参数的选定、大小输入等工作。

2  人机交互系统设计

为了使该系统具有通用性，该系统在设计时设计多个起弧方式、多个焊接模式等。同时人机交互系统在设计时考虑到焊接工人的焊接工艺不同，程序编写时设计了专业模式和普通模式。在专业模式下更多的焊接靠工人进行操作，而普通模式下可以则通过参数输入，通过控制器进行焊接控制。

普通模式下为参数化焊接，需人为输入参数。不同模式下输入参数不同，不同材料输入参数大小不同，同时可以保存几组最优焊接参数配置供使用者参考。为了节约时间，方便用户，在每次关机后都会将参数进行自动存储，下次开机进入该模式后会自动调出上次参数配置。

本设计分为友好界面、焊机模式选择、焊接模式选择、焊接参数输入、焊接实时显示、错误提示六个界面。人机交互系统具备开机动画功能，之后会进入专业模式/普通模式选择界面，通过左侧焊接控制系统以及中间按键可以完成选择，然后专业模式则会进行引弧方式选择，普通模式默认高频引弧。引弧方式之后则是焊接模式选择界面，在普通模式和专业模式下将焊接分为NO CRATER、CRATER、REPEAT、SPOT、MMA五个焊接模式。这五种模式下包含了AC-NO-PULSE、AC-PULSE、DC-NO-PULSE、DC-PULSE、MIX-NO-PULSE五个小模式中的其中几个。模式选择界面左侧为大模式选择，右侧为小模式选择，同样通过右编码器中间按键进行左右切换。模式选择后进入准备焊接界面，该界面分为上下两部分，左右编码器中间按键同时按下完成界面上下切换动作，上面完成焊接设置，下面进行参数设置。不同模式需配置不同参数，整个人机交互系统预设了提前送气时间、起弧时间、起弧电流、上升电流时间、峰值电流大小、峰值电流周期、基值电流时间、下降电流时间、吸弧电流、吸弧时间、滞后停气等多个参数，参数配置完成后，焊机进入等待焊接状态。当焊机存在故障或者操作错误时，系统会自动进入错误提示界面，及时告知使用者该焊机存在错误。

3  系统软件编写及运行结果

人机交互系统软件分为屏幕配置工程制作以及程序编写两部分，屏幕配置工程由DGUS Tool V5.08版本进行制作，主要完成命令的编辑、图标变量的设置、按键键值统一编码、屏幕相关寄存器配置等工作，并通过SD将工程移植到屏幕中。单片机通过命令控制屏幕，在命令编辑过程时采用了给定的通信协议，将5A A5作为通信协议的开头。本设计应用到的图片较多，如采用常规设计比较浪费资源，因此采用了位变量的方式进行工程设计，所谓位变量方式就是可将图片中的一部分通过设置位变量而被另一张图片引用，如图2、图3所示，可以将图3中的第一个位变量部分减下来移动到图2相应的位置，从而图2由正常变为选中状态。两张图片可以完成6张图片的显示工作，可以大大减少原图片数量，节省内存。

焊机人机交互系统软件采用C语言编程语言开发，在Keil 5编译环境下完成了整体软件的编译、调试、下载等工作。整个软件包括主程序、串口程序、数据处理程序、数据采集程序、存储程序等组成，软件具体流程图如图4所示。

焊机需要焊接时序来控制焊接过程，本设计在软件设计时完成了焊机时序设计，焊机时序是焊接有效进行的保障。人机交互系统部分运行结果如图5所示。

4  结  论

本文设计了基于STM32F4单片机硬件系统的多功能焊机人机交互系统，实现了人与控制器的信息共享，满足现代焊机发展要求。在北京工业大学嵌入式联合实验室中完成了多功能数字焊机人机交互系统实验验证，实验结果表明双编碼器式控制具备操作简单、误触碰率低、显示清晰、图形切换平滑等优点。本系统具通用性且系统成本较低的优势，因此对焊接人机交互进一步发展具有重要意义。

参考文献：

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作者简介：袁东旭（1992-），男，汉族，河北保定人，在读硕士研究生，研究方向：电子与通信工程。