CN110018655A - 一种光弧机控制*** - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光弧机控制***，包括主控CPU、放电模块、电机驱动及限位检测模块、蜂鸣器、显示模块、电源管理模块、图像采集模块、环境检测模块、键盘输入模块和光功率计，所述主控CPU分别与放电模块、电机驱动及限位检测模块、蜂鸣器、显示模块、电源管理模块、图像采集模块、环境检测模块、键盘输入模块和光功率计电连接。本光弧机控制***可以对端面处理过程和结果实时观测，确保光纤成端的效果，提高光纤成端效率、保证光纤连接的光学性能。

Description

一种光弧机控制***

技术领域

本发明涉及光弧机领域，尤其涉及一种光弧机控制***。

背景技术

光弧机是一种光纤端面热熔处理设备，具有利用高温电弧现场抛光光纤端面的功能，不仅可以通过热熔抛光处理将光纤端面抛光成球面消除光纤端面切伤，还可以实时观测光纤端面抛光的过程，因此被广泛应用于装维光纤光缆端接、光纤接续等。在现有技术中，由于光弧机的控制***设计不完善，存在熔接效果不好的问题。因此，研发一种光弧机控制***是个亟待解决的问题。

发明内容

本发明要解决以上技术问题，提供一种光弧机控制***。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种光弧机控制***，包括：

主控CPU，对***进行总控；

放电模块，利用高压放电电弧产生的高温对光纤端面进行清洁和抛光整形成圆弧状；

电机驱动及限位检测模块，包括电机驱动电路和光电开关，电机驱动电路控制双极步进电机，与减速箱配合实现微米级的精确控制，光电开关利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路接通电路，从而检测物体的有无；

蜂鸣器，为***发出提示音；

显示模块，显示***数据信息；

电源管理模块，对锂电池进行充放电管理；

图像采集模块，实时采集光纤端面的图像；

环境检测模块，实时检测环境参数的变化用来修正放电电路的参数；

键盘输入模块，通过该模块输入***指令；

光功率计，用于现场实时对熔端结果进行测试。

进一步的，所述CPU为STM32F4系列CPU，内部带有数字摄像头接口，LCD总线、高级PWM发生器，满足熔端机功能的需求。

进一步的，所述放电模块内部包含电源升压电路、高速开关电路、高压发生器和电弧反馈电路，多个电路保证了高压放电的稳点和高效。

进一步的，所述显示模块采用2.8寸TFT液晶显示屏。

进一步的，所述电源管理模块还包括动态电压算法电量计，仅根据电池电压即可计算锂电池的荷电状态。

进一步的，所述图像采集模块采用一颗1/6.5英寸120万像素CMOS图像传感器SP1618。

进一步的，所述键盘输入模块包括电源键、菜单键、左方向键、右方向键和运行键，***还包括一个LED状态指示灯。

进一步的，所述环境检测模块包括SHT20数字温湿度传感器和数字气压传感器。

进一步的，所述光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。

本发明具有的优点和积极效果是：本光弧机控制***可以对端面处理过程和结果实时观测，确保光纤成端的效果，提高光纤成端效率、保证光纤连接的光学性能。

附图说明

图1是本发明的原理框图；

图2是本发明的流程图；

图3是电机驱动电路图；

图4是蜂鸣器电路图；

图5是锂电池充放电管理电路图；

图6是动态电压算法图；

图7是动态电压算法在不同放电速率条件下,荷电状态的表现；

图8是在电池短充短放情况下,荷电状态的表现；

图9是键盘输入模块电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例做详细说明。

如图1所示，一种光弧机控制***，包括主控CPU、放电模块、电机驱动及限位检测模块、蜂鸣器、显示模块、电源管理模块、图像采集模块、环境检测模块、键盘输入模块和光功率计，所述主控CPU分别与放电模块、电机驱动及限位检测模块、蜂鸣器、显示模块、电源管理模块、图像采集模块、环境检测模块、键盘输入模块和光功率计电连接。

一、主控CPU：

采用STM32F4系列CPU内部带有数字摄像头接口、LCD总线、高级PWM发生器，满足熔端机功能的需求。STM32F4是由ST(意法半导体)开发的一种高性能微控制器。其采用了90纳米的NVM工艺和ART(自适应实时存储加速器，Adaptive Real-Time MemoryAccelerator^TM)。ST(意法半导体)推出了以基于ARM&reg；Cortex^TM-M4为内核的STM32F4系列高性能微控制器，其采用了90纳米的NVM工艺和ART(自适应实时存储器加速器，Adaptive Real-TimeMemoryAccelerator^TM)。ART技术使得程序零等待执行，提升了程序执行的效率，将Cortext-M4的性能发挥到了极致，使得STM32F4系列可达到210DMIPS@168MHz。

自适应实时加速器能够完全释放Cortex-M4内核的性能；当CPU工作于所有允许的频率(≤168MHz)时，在闪存中运行的程序，可以达到相当于零等待周期的性能。

STM32F4系列微控制器集成了单周期DSP指令和FPU(floating point unit，浮点单元)，提升了计算能力，可以进行一些复杂的计算和控制。STM32F4系列引脚和软件兼容于当前的STM32F2系列产品。

优点：

1、兼容于STM32F2系列产品，便于ST的用户扩展或升级产品，而保持硬件的兼容能力。

2、集成了新的DSP和FPU指令，168MHz的高速性能使得数字信号控制器应用和快速的产品开发达到了新的水平。提升控制算法的执行速度和代码效率。

3、先进技术和工艺

1)存储器加速器：自适应实时加速器(ART Accelerator^TM)。

2)多重AHB总线矩阵和多通道DMA：支持程序执行和数据传输并行处理，数据传输速率非常快。

3)90nm工艺。

4、高性能

1)210DMIPS@168MHz。

2)由于采用了ST的ART加速器，程序从FLASH运行相当于0等待更多的存储器。

3)多达1MB FLASH(将来ST计划推出2MB FLASH的STM32F4)。

4)192KB SRAM：128KB在总线矩阵上，64KB在专为CPU使用的数据总线上高级外设与STM32F2兼容。

5)USB OTG高速480Mbit/s。

6)IEEE1588，以太网MAC 10/100。

7)PWM高速定时器：168MHz最大频率。

8)加密/哈希硬件处理器：32位随机数发生器(RNG)。

9)带有日历功能的32位RTC：<1μA的实时时钟，1秒精度。

二、放电模块：

光弧机的主要功能之一，利用高压放电电弧产生的高温，对光纤端面进行清洁和抛光整形成圆弧状，两侧对接使光纤纤芯完全接触，从而达到更好的通信效果。内部包含电源升压电路，高速开关电路，高压发生器和电弧反馈电路，多个电路保证了高压放电的稳点和高效。

三、电机驱动及限位检测模块：

电机驱动电路采用高集成度一体化驱动IC，可实现最高8倍步进细分再配合机械减速箱可实现微米级的精确控制。

1.A3967SLB是一个完善的微电机驱动器内置逻辑器。它的设计操作双极步进电机全，半，季，和第八步模式，输出驱动能力30V和±750毫安性。A3967SLB包括一个固定关断时间的电流调节器，有能力在慢，快，或混合电流衰减模式。此电流衰减控制方案以减少可听到的电流噪音，增加步进精确度，并减少功耗。A3967SLB通过简单的“步进”输入中输入一个脉冲电动机将产生一个步骤(全，半，四分之一，或八分，这取决于两个逻辑输入)。有没有相位顺序表、高频率控制线或复杂的界面。该A3967SLB接口是一个理想的适合开发，而一个复杂的μP是UNAVAIL能够负担过重。

2.光电开关是光电接近开关的简称，它是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路接通电路，从而检测物体的有无。物体不限于金属，所有能反射光线(或者对光线有遮挡作用)的物体均可以被检测。光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。安防***中常见的光电开关烟雾报警器，工业中经常用它来计数机械臂的运动次数。

四、蜂鸣器提示：

采用无源蜂鸣器作为***声音部分的主要原件，其驱动电路简单，便于调节产生音调，丰富了***的人机交互方式。

五、显示模块：

采用2.8寸TFT液晶显示屏。分辨率：320*240。可以显示中文及英文菜单。

TFT液晶显示屏的特点是亮度好、对比度高、层次感强、颜色鲜艳，但也存在着比较耗电和成本过高的不足。TFT液晶技术加快了手机彩屏的发展。新一代的彩屏手机中很多都支持65536色显示，有的甚至支持16万色显示，这时TFT的高对比度，色彩丰富的优势就非常重要了。

主要特点

(1)使用特性好：低压应用，低驱动电压，固体化使用安全性和可靠性提高；平板化，又轻薄，节省了大量原材料和使用空间；低功耗，它的功耗约为CRT显示器的十分之一，反射式TFT-LCD甚至只有CRT的百分之一左右，节省了大量的能源；TFT-LCD产品还有规格型号、尺寸系列化，品种多样，使用方便灵活、维修、更新、升级容易，使用寿命长等许多特点。显示范围覆盖了从1英寸至40英寸范围内的所有显示器的应用范围以及投影大平面，是全尺寸显示终端；显示质量从最简单的单色字符图形到高分辨率，高彩色保真度，高亮度，高对比度，高响应速度的各种规格型号的视频显示器；显示方式有直视型，投影型，透视式，也有反射式。

(2)环保特性好：无辐射、无闪烁，对使用者的健康无损害。特别是TFT-LCD电子书刊的出现，将把人类带入无纸办公、无纸印刷时代，引发人类学习、传播和记载文明方式的革命。

(3)适用范围宽，从-20℃到+50℃的温度范围内都可以正常使用，经过温度加固处理的TFT-LCD低温工作温度可达到零下80℃。既可作为移动终端显示，台式终端显示，又可以作大屏幕投影电视，是性能优良的全尺寸视频显示终端。

(4)制造技术的自动化程度高，大规模工业化生产特性好。TFT-LCD产业技术成熟，大规模生产的成品率达到90％以上。

(5)TFT-LCD易于集成化和更新换代，是大规模半导体集成电路技术和光源技术的完美结合，继续发展潜力很大。目前有非晶、多晶和单晶硅TFT-LCD，将来会有其它材料的TFT，既有玻璃基板的又有塑料基板。

六、电源管理模块

1.锂电池充放电管理：

CN3762是PWM降压模式两节锂电池充电管理集成电路，独立对两节锂电池电进行管理，具有封装外形小，***元器件少和使用简单等优点。CN3762具有涓流，恒流和恒压充电模式，非常适合锂电池充电管理。在恒压充电模式，CN3762将电池电压调制在8.4V，也可以通过一个外部电阻向上调整；在恒流充电模式，充电电流通过一个外部电阻设置。

对于深度放电的锂电池，当电池电压低于恒压充电电压的66.5％(典型值)时，CN3762用所设置的恒流充电电流的17.5％对电池进行涓流充电。在恒压充电阶段，充电电流逐渐减小，当充电电流降低到恒流充电电流的16％时，充电结束。在充电结束状态，如果电池电压下降到恒压充电电压的95.5％，自动开始新的充电周期。当输入电源掉电或者输入电压低于电池电压时，CN3762自动进入睡眠模式。其它功能包括输入低电压锁存，电池端过压保护。

2.动态电压算法电量计

动态电压算法电量计仅根据电池电压即可计算锂电池的荷电状态。此法是根据电池电压和电池的开路电压之间的差值,来估计荷电状态的递增量或递减量。动态电压的信息可以有效地仿真锂电池的行为,进而决定荷电状态SOC(％),但此方法并不能估计电池容量值(mAh)。

它的计算方式是根据电池电压和开路电压之间的动态差异,借着使用迭代算法来计算每次增加或减少的荷电状态,以估计荷电状态。相较于库仑计量法电量计的解决方案,动态电压算法电量计不会随时间和电流累积误差。库仑计量法电量计通常会因为电流感测误差及电池自放电而造成荷电状态估计不准。即使电流感测误差非常小,库仑计数器却会持续累积误差,而所累积的误差只有在完全充电或完全放电才能消除。

动态电压算法电量计仅由电压信息来估计电池的荷电状态；因为它不是由电池的电流信息来估计,所以不会累积误差。若要提高荷电状态的精确度,动态电压算法需要用实际的装置,根据它在完全充电和完全放电的情况下,由实际的电池电压曲线来调整出一优化的算法的参数。

图7是动态电压算法在不同放电速率条件下,荷电状态的表现。由图可知,它的荷电状态精确度良好。不论是在C/2,C/4,C/7和C/10等的放电条件下,此法整体的荷电状态误差都小于3％。

图8显示在电池短充短放情况下,荷电状态的表现。荷电状态误差仍然很小,且最大误差仅有3％。

相较于库仑计量法电量计通常会因为电流感测误差及电池自放电而造成荷电状态的不准的情形,动态电压算法它不会随时间和电流累积误差,这是一个大优点。因为没有充/放电电流的信息,动态电压算法在短期精确度上较差,且反应时间较慢。此外,它也无法估计完全充电容量。然而,它在长期精确度上却表现良好,因为电池电压最终会直接反应它的荷电状态。

七、图像采集：

本***图像采集部分采用一颗1/6.5英寸120万像素CMOS图像传感器。SP1618是SuperPix最新研发推出的120万像素CMOS图像传感器芯片，仅有1/6.5英寸大小的SP1618可提供XVGA、720P以及VGA多种格式图像，广泛适用于平板电脑、可拍照手机、整合式笔记本电脑摄像头等设备，为这类产品提供具有成本效益的解决方案。SP1618基于SuperPix具有自主知识产权的第2代图像传感器技术和最新的1.75um像素架构进行研发，该设计已经应用于多款系列产品，市场反映良好。SP1618具有高感光度和低功耗的特性，其新增的MIPI接口功能，使SP1618能够实现更简洁和低功耗的数据传输方式，而改进的50Hz/60Hz抖动检测功能则能为用户提供更加清晰锐利的图像。

图像处理：

图像的二值化处理就是将图像上的点的灰度值为0或255，也就是将整个图像呈现出明显的黑白效果。即将256个亮度等级的灰度图像通过适当的阈值选取而获得仍然可以反映图像整体和局部特征的二值化图像。在数字图像处理中，二值图像占有非常重要的地位，特别是在实用的图像处理中，以二值图像处理实现而构成的***是很多的，要进行二值图像的处理与分析，首先要把灰度图像二值化，得到二值化图像，这样子有利于在对图像做进一步处理时，图像的集合性质只与像素值为0或255的点的位置有关，不再涉及像素的多级值，使处理变得简单，而且数据的处理和压缩量小。为了得到理想的二值图像，一般采用封闭、连通的边界定义不交叠的区域。所有灰度大于或等于阈值的像素被判定为属于特定物体，其灰度值为255表示，否则这些像素点被排除在物体区域以外，灰度值为0，表示背景或者例外的物体区域。

Sobel算子

Sobel算子在边缘检测算子扩大了其模版，在边缘检测的同时尽量削弱了噪声。其模版大小为3×3，其将方向差分运算与局部加权平均相结合来提取边缘。在求取图像梯度之前，先进行加权平均，然后进行未分，加强了对噪声的一致。Sobel算子所对应的卷积模版为：

图像中的每个像素点和以上水平和垂直两个卷积算子做卷积运算后，再计算得到梯度幅值G(x,y)，然后选取适当的阈值τ，若G(x,y)>τ，则(i,j)为边缘点，否则，判断(i,j)为非边缘点。由此得到一个二值图像{g(i,j)}，即边缘图像。Sobel算子在空间上比较容易实现，不但产生较好的边缘检测效果，同时，由于其引入了局部平均，使其受噪声的影响也较小。若使用较大的邻域，抗噪性会更好，但也增加了计算量，并且得到的边缘比较粗。在对精度要求不是很高的场合下，Sobel算子是一种较为常用的边缘检测算法。

八、键盘输入：

***人机交互采用5个独立按键与一个状态指示灯。

1.电源键：用于开关机，及***故障时强制关机；

2.菜单键：用于切换显示页面；

3.左方向键：用于选择图标及改变***参数；

4.右方向键：用于选择图标及改变***参数；

5.运行键：用于确认参数及启动熔端工作；

6.LED状态灯：用于表示***运行状态及故障提示。

九、光功率计：

本***内部集成一个微型光功率计，用于现场实时对熔端结果进行测试，方便了用户施工，避免了用户每次携带大型设备的困扰。

十、环境检测：

采集项目包括温度、湿度和气压，因为空气的温度湿度和压力的变化放电电弧的大小与温度也会随之变化，所以要在实时检测环境参数的变化用来修正放电电路的参数，从而稳定放电得到可靠的熔端效果。

1.温度与湿度:

采用瑞士Sensirion数字温湿度传感器SHT20；SHT20数字温湿度传感器是SHT21温湿度传感器系列中一款性价比高的产品，用量以百万计，且应用领域广泛。该类传感器适用于对成本极其敏感但又注重品质的大批量生产的行业。

数字温湿度传感器SHT20是新一代Sensirion湿度和温度传感器在尺寸与智能方面建立了新的标准：它嵌入了适于回流焊的双列扁平无引脚DFN封装，底面3x 3mm，高度1.1mm。传感器输出经过标定的数字信号，标准I2C格式。

SHT21配有一个全新设计的芯片、一个经过改进的电容式湿度传感元件和一个标准的能隙温度传感元件，其性能已经大大提升甚至超出了前一代传感器(SHT1x和SHT7x)的可靠性水平。例如，新一代湿度传感器，已经经过改进使其在高湿环境下的性能更稳定。

每一个传感器都经过校准和测试。在产品表面印有产品批号，同时在芯片内存储了电子识别码-可以通过输入命令读出这些识别码。此外，SHT20的分辨率可以通过输入命令进行改变(8/12bit乃至12/14bit的RH/T)，传感器可以检测到电池低电量状态，并且输出校验和，有助于提高通信的可靠性。

由于对传感器做了改良和微型化改进，因此它的性价比更高-并且最终所有设备都将得益于尖端的节能运行模式。可以使用一个新的测试包EK-H4对SHT20进行测试。

数字温湿度传感器SHT20传感器芯片

SHT20配有4C代芯片。除了配有电容式相对湿度传感器和能隙温度传感器外，该芯片还包含一个放大器、A/D转换器、OTP内存和数字处理单元。

数字温湿度传感器SHT20材料构成

传感器本身由硅制成，传感器的外壳由镀金铜引线框架和绿色环氧树脂基模塑料制成。该装置不含铅、镉和汞-因此，完全符合ROHS和WEEE标准。

SHT20-新型湿度传感器(湿度&温度)

尺寸最小的湿度传感器，可满足多种条件应用SHT20温湿度传感器将敏感元件、标定存储器和数字接口集成在3x3mm的衬底上，此外，传感器还提供电子的识别跟踪信息。除敏感元件部分，传感器外表采用包覆成型，可以减少传感器受外界因素如老化，震动，挥发性化学气体的影响，保证其具有良好的稳定性。

2.数字气压传感器：

高精度气压传感器一般是利用MEMS技术在单晶硅片上加工出真空腔体和惠斯登电桥，惠斯登电桥桥臂。两端的输出电压与施加的压力成正比，经过温度补偿和校准后具有体积小，精度高，响应速度快，不受温度变化影响的特点。输出方式一般为模拟电压输出和数字信号输出两种，其中数字信号输出方式由于和单片机连接方便，是市场上的主流。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。

Claims (9)

1.一种光弧机控制***，其特征在于，包括：

主控CPU，对***进行总控；

放电模块，利用高压放电电弧产生的高温对光纤端面进行清洁和抛光整形成圆弧状；

电机驱动及限位检测模块，包括电机驱动电路和光电开关，电机驱动电路控制双极步进电机，光电开关利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路接通电路，检测物体的有无；

蜂鸣器，为***发出提示音；

显示模块，显示***数据信息；

电源管理模块，对锂电池进行充放电管理；

图像采集模块，实时采集光纤端面的图像；

环境检测模块，实时检测环境参数的变化用来修正放电电路的参数；

键盘输入模块，通过该模块输入***指令；

光功率计，用于现场实时对熔端结果进行测试。

2.根据权利要求1所述的一种光弧机控制***，其特征在于：所述CPU为STM32F4系列CPU，内部带有数字摄像头接口，LCD总线、高级PWM发生器。

3.根据权利要求1或2所述的一种光弧机控制***，其特征在于：所述放电模块内部包含电源升压电路、高速开关电路、高压发生器和电弧反馈电路。

4.根据权利要求1所述的一种光弧机控制***，其特征在于：所述显示模块采用2.8寸TFT液晶显示屏。

5.根据权利要求3所述的一种光弧机控制***，其特征在于：所述电源管理模块还包括动态电压算法电量计，仅根据电池电压即可计算锂电池的荷电状态。

6.根据权利要求1所述的一种光弧机控制***，其特征在于：所述图像采集模块采用一颗1/6.5英寸120万像素CMOS图像传感器SP1618。

7.根据权利要求4所述的一种光弧机控制***，其特征在于：所述键盘输入模块包括电源键、菜单键、左方向键、右方向键和运行键，***还包括一个LED状态指示灯。

8.根据权利要求5所述的一种光弧机控制***，其特征在于：所述环境检测模块包括SHT20数字温湿度传感器和数字气压传感器。

9.根据权利要求1所述的一种光弧机控制***，其特征在于：所述光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。