基于數(shù)碼管故障診斷的算法研究

張路路，慕永耀，李 雷，邱旭強(qiáng)*

（1.山東工商學(xué)院 信息與電子工程學(xué)院，山東 煙臺(tái)264003；2.煙臺(tái)持久鐘表有限公司，山東 煙臺(tái)264003）

LED作為高效、環(huán)保、節(jié)能、抗震的新型光源，已經(jīng)越來(lái)越廣泛地應(yīng)用到國(guó)民生活的各個(gè)方面[1-2]。超市、學(xué)校與車(chē)站等眾多場(chǎng)所，多采用數(shù)碼管顯示時(shí)間信息，提供時(shí)間服務(wù)，一旦數(shù)碼管出現(xiàn)故障，不能正確顯示時(shí)間信息，會(huì)帶來(lái)諸多不便。目前，針對(duì)數(shù)碼管在運(yùn)行期間的檢測(cè)算法主要有三種：電壓電流檢測(cè)法，通過(guò)檢測(cè)正在工作的數(shù)碼管段碼兩端的電流或者電壓判斷數(shù)碼管的狀態(tài)，專(zhuān)利[3]提出了一種檢測(cè)顯示屏的算法，在驅(qū)動(dòng)線路上設(shè)置采樣電阻，然后通過(guò)指令逐個(gè)點(diǎn)亮每一顆LED，與電流的理論值進(jìn)行比較，判斷LED的運(yùn)行情況，檢測(cè)過(guò)程繁瑣復(fù)雜，影響顯示屏的正常使用，不適用于LED使用過(guò)程中的檢測(cè)；光電檢測(cè)法，通過(guò)在與數(shù)碼管對(duì)應(yīng)的位置設(shè)置光電傳感器，檢測(cè)數(shù)碼管的運(yùn)行情況，這種算法只適用于數(shù)碼管較少的情況，一旦數(shù)碼管數(shù)量較多，檢測(cè)成本高，布線復(fù)雜，影響系統(tǒng)的抗電磁干擾性能，光電檢測(cè)法易受環(huán)境光線的影響降低判斷準(zhǔn)確度；圖像檢測(cè)法，通過(guò)對(duì)數(shù)碼管顯示裝置進(jìn)行拍照，通過(guò)分析照片來(lái)檢測(cè)數(shù)碼管的運(yùn)行情況，這種算法運(yùn)用復(fù)雜的圖像處理技術(shù)，硬件成本高，算法復(fù)雜不易實(shí)現(xiàn)。綜上所述，急需一種成本低廉、在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)碼管狀態(tài)的算法和系統(tǒng)。

為了簡(jiǎn)單快捷、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)碼管的狀況，提出了一種數(shù)碼管狀態(tài)檢測(cè)算法并搭建了檢測(cè)系統(tǒng)，包括多組測(cè)量模塊、控制模塊、4G模塊與云平臺(tái)，以STM32F103ZET6作為控制模塊的MCU，測(cè)量模塊包括驅(qū)動(dòng)模塊、數(shù)碼管模塊、限流電阻、采樣電阻及電流檢測(cè)模塊，通過(guò)對(duì)比數(shù)碼管的工作電流，診斷數(shù)碼管的工作狀態(tài)，MCU通過(guò)4G模塊將數(shù)碼管運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)傳輸?shù)皆贫?，監(jiān)管人員在PC端實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

數(shù)碼管狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)如圖1所示，控制模塊同時(shí)控制多組測(cè)量模塊，測(cè)量模塊采用TPIC6B595作為數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)模塊，驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示字符，TPIC6B595的7個(gè)輸出端DR0～DR6分別連接數(shù)碼管的a～g段碼的負(fù)極，數(shù)碼管的a～g段碼的正極分別經(jīng)限流電阻、采樣電阻連接驅(qū)動(dòng)電源的正極；電流檢測(cè)模塊采用INA219，INA219具有AD轉(zhuǎn)換功能，可以通過(guò)數(shù)據(jù)總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，可以編輯地址，通過(guò)對(duì)INA219的A0端和A1端的設(shè)置，使每個(gè)電流檢測(cè)模塊具有不同的地址，控制模塊通過(guò)不同的地址可以訪問(wèn)讀取特定的電流檢測(cè)模塊的值，從而實(shí)現(xiàn)以更少的布線實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)數(shù)碼管運(yùn)行狀態(tài)的檢測(cè)功能；電流檢測(cè)模塊并聯(lián)在采樣電阻上，電流檢測(cè)模塊的輸出端連接控制模塊的輸入端，將數(shù)碼管正常工作時(shí)的電流傳送給控制模塊，4G模塊采用Air724UG全網(wǎng)通模塊，支持多種開(kāi)發(fā)方式，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)將數(shù)碼管的狀態(tài)信息上傳云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，減少人工巡檢的成本。本系統(tǒng)僅采用一顆采樣電阻和一個(gè)電流檢測(cè)模塊就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)數(shù)碼管中7個(gè)LED段碼的有效檢測(cè)，減少布線量、簡(jiǎn)單可靠，能在數(shù)碼管正常工作狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)段碼級(jí)精確檢測(cè)。

圖1 數(shù)碼管狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)

1.2 診斷算法的研究

數(shù)碼管顯示數(shù)字字符0～9時(shí)，數(shù)碼管的各段碼的定義如圖2所示，數(shù)碼管顯示0～9的狀態(tài)如圖3所示，數(shù)碼管顯示字符0～9時(shí)對(duì)應(yīng)的段碼真值表如圖4所示，其中，0表示對(duì)應(yīng)段碼處于熄滅狀態(tài)，1表示對(duì)應(yīng)段碼處于點(diǎn)亮狀態(tài)。

圖2 數(shù)碼管的段碼定義

圖3 數(shù)碼管顯示狀態(tài)圖

圖4 數(shù)碼管的段碼真值表

MCU控制TPIC6B595驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管依次顯示數(shù)字字符0～9，INA219依次實(shí)時(shí)檢測(cè)顯示0～9字符時(shí)采樣電阻兩端的電壓值，形成標(biāo)準(zhǔn)電流表，在標(biāo)準(zhǔn)電流表中，字符0～9準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的電流值，MCU將標(biāo)準(zhǔn)電流表和與之對(duì)應(yīng)的字符存儲(chǔ)在Flash中。

如圖5所示，數(shù)碼管單個(gè)段碼由兩組發(fā)光二極管并聯(lián)組成，串聯(lián)在一起的3個(gè)發(fā)光二極管組成一組，單個(gè)段碼的驅(qū)動(dòng)電源是7.8V，采樣電阻R1為4.7歐，每串LED的限流電阻R2與R3皆為100Ω，正常點(diǎn)亮LED時(shí)，實(shí)測(cè)流經(jīng)采樣電阻R1的工作電流為30mA，即標(biāo)準(zhǔn)電流值為30mA；若段碼中有單個(gè)LED發(fā)生短路，如圖6所示，則實(shí)測(cè)流經(jīng)采樣電阻R4的工作電流為45mA左右，為標(biāo)準(zhǔn)電流值的1.5倍，若段碼中有單個(gè)LED發(fā)生開(kāi)路如圖7所示，則實(shí)測(cè)流經(jīng)采樣電阻R7的工作電流為15mA左右，為標(biāo)準(zhǔn)電流值的50%。

圖5 段碼結(jié)構(gòu)圖

圖6 段碼短路圖

圖7 段碼斷路圖

在數(shù)碼管運(yùn)行期間，INA219實(shí)時(shí)檢測(cè)每位數(shù)碼管的工作電流，MCU將顯示0～9字符時(shí)每位數(shù)碼管的實(shí)時(shí)電流與存儲(chǔ)在Flash中相應(yīng)字符的標(biāo)準(zhǔn)電流值做比較，如果偏差超過(guò)設(shè)定閾值，MCU記錄每位數(shù)碼管電流異常時(shí)對(duì)應(yīng)顯示的數(shù)字字符，結(jié)合顯示字符的段碼真值表，多個(gè)字符中均包含的段碼，即為具體故障的段碼。在只有一個(gè)段碼故障時(shí)，若MCU檢測(cè)到當(dāng)顯示字符0、2、3、5、6、7、8、9時(shí)，電流值均超過(guò)設(shè)定閾值，而顯示1和4字符時(shí)正常，則可判斷是數(shù)碼管上的段碼a異常。出現(xiàn)其他情況時(shí)，結(jié)合短路和開(kāi)路的情況，實(shí)際電流值與標(biāo)準(zhǔn)電流值的差值大小，并結(jié)合段碼真值表，經(jīng)過(guò)有限次合乎邏輯的推理，可以推導(dǎo)出每個(gè)具體段碼的故障情況，故障定位更精準(zhǔn)。

1.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)接通電源后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，MCU控制數(shù)碼管依次顯示設(shè)定的0～9數(shù)字字符，INA219實(shí)時(shí)檢測(cè)顯示特定字符時(shí)的電流值，每一個(gè)不同的電流值對(duì)應(yīng)不同的數(shù)字字符，MCU將不同的電流值和與之對(duì)應(yīng)的數(shù)字字符存儲(chǔ)記錄，初始化結(jié)束后，TPIC6B595在MCU的控制下驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管正常走時(shí)，顯示時(shí)間信息，MCU將INA219實(shí)時(shí)檢測(cè)的電流值與存儲(chǔ)記錄的標(biāo)準(zhǔn)電流值做對(duì)比，兩者的誤差不超過(guò)閾值，則判斷數(shù)碼管工作正常，若誤差超過(guò)閾值，則推斷數(shù)碼管出現(xiàn)異常，MCU控制數(shù)碼管進(jìn)行閃爍顯示，向外界發(fā)出警告信息，同時(shí)MCU通過(guò)Air724UG模塊將異常信息上傳云平臺(tái)，監(jiān)控人員在PC端查看，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)碼管的遠(yuǎn)程監(jiān)控，軟件流程圖如圖8所示。

圖8 軟件流程圖

2 系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

2.1 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

針對(duì)數(shù)碼管在運(yùn)行期間的檢測(cè)難題，提出了一種新的算法和檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了高精度的實(shí)時(shí)檢測(cè)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管段碼級(jí)的故障定位，無(wú)需進(jìn)入專(zhuān)門(mén)的檢修模式進(jìn)行檢測(cè)。

2.2 管理優(yōu)勢(shì)

一旦檢測(cè)出數(shù)碼管出現(xiàn)故障，數(shù)碼管會(huì)進(jìn)行閃爍提示，向外界發(fā)出報(bào)警信息，MCU通過(guò)Air724UG模塊將報(bào)警信息上傳云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程報(bào)警功能，減少了人工巡檢的成本，達(dá)到方便快捷、經(jīng)濟(jì)管理的目標(biāo)。

3 研究結(jié)論

針對(duì)目前數(shù)碼管在運(yùn)行期間檢測(cè)困難以及現(xiàn)有的檢測(cè)算法復(fù)雜繁瑣，提出了一種全新的檢測(cè)算法以及搭建了智能化的檢測(cè)系統(tǒng)。檢測(cè)算法簡(jiǎn)單可行，實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)碼管故障的精準(zhǔn)定位，可有效解決數(shù)碼管出現(xiàn)短路、斷路等問(wèn)題，為數(shù)碼管故障診斷提供了一種新的思路。