焊管生產(chǎn)線嵌入式數(shù)字顯示控制系統(tǒng)應(yīng)用研究

韓秀林，劉晶晶，李建一，周書亮，王 洋

（華油鋼管有限公司·河北省高壓管線螺旋焊管技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 青縣 062658）

嵌入式系統(tǒng)是一種以應(yīng)用為中心，可裁剪軟硬件，能廣泛應(yīng)用于各種應(yīng)用系統(tǒng)的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的不斷發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的重要性日益得到體現(xiàn)，其應(yīng)用也覆蓋到工業(yè)控制、交通通信、醫(yī)療衛(wèi)生、消費(fèi)娛樂等領(lǐng)域，常用的手機(jī)、掌上電腦（PDA）、智能家電、全球定位系統(tǒng)（GPS）等均是其典型代表，而且基于ARM7內(nèi)核的32 位嵌入式微處理器也正在逐步滲入到我們生活的各個(gè)方面［1-13］。

同時(shí)，伴隨當(dāng)今高度發(fā)展的信息時(shí)代，發(fā)光二極管（LED）顯示屏控制技術(shù)在信息領(lǐng)域也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，LED 顯示屏在多媒體、多種顯示設(shè)備組成的信息展示系統(tǒng)中，采用智能化網(wǎng)絡(luò)控制，基于以太網(wǎng)和TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議）的互聯(lián)網(wǎng)控制多屏技術(shù)也得到廣泛應(yīng)用。

如何開發(fā)出靈活、高效的控制系統(tǒng)，并與當(dāng)前物聯(lián)軟件平臺(tái)無縫集成是一個(gè)非常有意義的研究課題。從系統(tǒng)實(shí)際開發(fā)需求出發(fā)，從信息的編輯、提取、顯示和嵌入式開發(fā)技術(shù)等方面進(jìn)行研究，開發(fā)了一套基于以太網(wǎng)和TCP/IP 協(xié)議的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及ARM7 內(nèi)核微處理器的嵌入式LED 數(shù)字顯示通用控制系統(tǒng)，為L(zhǎng)ED 顯示屏在物聯(lián)網(wǎng)生產(chǎn)物流監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了良好的開發(fā)技術(shù)，為以后與其他信息系統(tǒng)或數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的集成應(yīng)用奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

1 嵌入式數(shù)字顯示控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 嵌入式數(shù)字顯示控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

嵌入式數(shù)字顯示控制系統(tǒng)基于ARM7 嵌入式微處理器的LED 顯示屏支持以太網(wǎng)和TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，只需一根電源線和屏蔽網(wǎng)線，通過連接各工序上的MOXA 交換機(jī)，配置固定IP 地址，通過光纖鏈路直接匯聚到核心匯聚交換機(jī)，與服務(wù)器、個(gè)人計(jì)算機(jī)（PC）形成控制組網(wǎng)連接，在服務(wù)器上部署專用嵌入式LED 數(shù)字顯示控制軟件，達(dá)到直接控制LED 屏顯示所需輸出信息的效果，網(wǎng)絡(luò)整體架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 嵌入式數(shù)字顯示控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

1.2 物聯(lián)網(wǎng)生產(chǎn)物流監(jiān)控系統(tǒng)管號(hào)在線展示

將嵌入式數(shù)字顯示控制系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)生產(chǎn)物流監(jiān)控系統(tǒng)集成使用，控制流程如圖2 所示。

圖2 生產(chǎn)物流監(jiān)控系統(tǒng)與嵌入式數(shù)字顯示控制系統(tǒng)集成應(yīng)用

2 嵌入式數(shù)字顯示控制系統(tǒng)建設(shè)

2.1 嵌入式數(shù)字顯示控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議

顯示屏控制卡與上位機(jī)之間使用以太網(wǎng)和TCP/IP 方式交換數(shù)據(jù)，如圖3 所示。通電后，ARM7微處理器開啟用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（User Datagram Protocol，UDP）監(jiān)聽功能，控制卡UDP 監(jiān)聽端口8800，監(jiān)聽上位機(jī)的數(shù)據(jù)發(fā)送。上位機(jī)隨時(shí)可以向顯示屏控制卡發(fā)送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)?？刂瓶ń邮盏綌?shù)據(jù)包后都要回傳確認(rèn)包，表明接收的狀態(tài)。每個(gè)數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度不超過規(guī)定長(zhǎng)度字節(jié)。上位機(jī)數(shù)據(jù)包下發(fā)后要等待顯示屏的確認(rèn)數(shù)據(jù)包，超過規(guī)定的時(shí)間（如200 ms）沒有接收到顯示屏的確認(rèn)包，認(rèn)為此次發(fā)送失敗，可以啟動(dòng)若干次重發(fā)。

圖3 UDP/TCP 網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議

2.2 嵌入式數(shù)字顯示控制系統(tǒng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)地址規(guī)范

為保證數(shù)據(jù)包傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性、穩(wěn)定性，在各工序MOXA 交換機(jī)上分配與LED 屏直連的專用網(wǎng)口，通過光纖直鏈到核心匯聚交換機(jī)，并配置相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)范的IP 地址，并與各工序一一對(duì)應(yīng)。

2.3 顯示屏控制卡參數(shù)配置軟件

在與LED 顯示屏處于同一網(wǎng)段的PC 機(jī)或服務(wù)器端部署控制卡參數(shù)配置軟件后，通過搜索設(shè)備按鈕會(huì)搜索到該網(wǎng)段所有已接入并通電的LED 顯示屏，在軟件右側(cè)區(qū)域顯示出所有LED 顯示屏的IP和MAC 地址，雙擊右側(cè)區(qū)域某個(gè)設(shè)備，即可進(jìn)入左側(cè)參數(shù)配置模式，對(duì)該設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)參數(shù)配置，如圖4 所示。

2.4 嵌入式數(shù)字顯示控制系統(tǒng)專業(yè)編輯控制軟件

該軟件是一款通用軟件，可對(duì)不同尺寸的LED 顯示屏進(jìn)行內(nèi)容編輯輸出。在PC 機(jī)或服務(wù)器端部署軟件后，點(diǎn)擊“控制卡搜索”，可以搜索到處于同一網(wǎng)段下正常工作的LED 顯示屏，點(diǎn)擊左邊區(qū)域控制卡，查看下方區(qū)域控制卡IP，可通過IP地址對(duì)應(yīng)到各工序。通過“添加顯示頁(yè)”“添加區(qū)域”等一些功能按鈕編輯相關(guān)信息，制定要輸出的模版，點(diǎn)擊發(fā)送后，對(duì)應(yīng)工序上的LED 顯示屏將會(huì)顯示相應(yīng)信息，如圖5 所示。

圖5 嵌入式數(shù)字顯示控制系統(tǒng)專業(yè)編輯控制軟件

2.5 嵌入式LED 數(shù)字顯示控制系統(tǒng)的開發(fā)

一個(gè)系統(tǒng)的開發(fā)完成到應(yīng)用，不僅包括相關(guān)配置、編輯操作軟件，還必須有與之一一對(duì)應(yīng)的后臺(tái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)及與軟件開發(fā)過程中調(diào)取后臺(tái)數(shù)據(jù)的相關(guān)代碼及多種對(duì)應(yīng)的解析函數(shù)，甚至包括與其他系統(tǒng)可以無縫集成的數(shù)據(jù)集成開發(fā)協(xié)議。嵌入式LED 數(shù)字顯示控制系統(tǒng)之所以稱為一個(gè)系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的LED 顯示屏控制軟件相比，采用ARM7 微處理器技術(shù)及嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)，不僅能實(shí)現(xiàn)服務(wù)器端同時(shí)遠(yuǎn)程管理基于以太網(wǎng)的多個(gè)LED 顯示屏，而且比傳統(tǒng)的LED 參數(shù)配置、信息編輯軟件功能更加完善，還配置一套動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)函數(shù)（圖6）及二次開發(fā)指令協(xié)議（表1），通過相應(yīng)函數(shù)及協(xié)議可以與其他信息系統(tǒng)做集成應(yīng)用，甚至可以嵌入到其他系統(tǒng)中，作為一部分功能模塊使用，而且該系統(tǒng)還預(yù)留了5 種當(dāng)今流行的開發(fā)語(yǔ)言編譯的源代碼和配置工具，包括.Net Framework 平臺(tái)下C#、VB、VC++開發(fā)包和Windows 平臺(tái)下Delphi 開發(fā)包及Java 平臺(tái)下的開發(fā)包，從而形成了一套具有多元化、多功能、多種框架的完整系統(tǒng)。

表1 嵌入式數(shù)字顯示控制系統(tǒng)二次開發(fā)部分指令

圖6 嵌入式數(shù)字顯示控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)函數(shù)部分示意

2.6 與物聯(lián)網(wǎng)生產(chǎn)物流監(jiān)控系統(tǒng)的集成應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)生產(chǎn)物流監(jiān)控系統(tǒng)是基于ASP.NET MVC 4 框架開發(fā)的一套多線程、嵌入式可控制射頻天線、讀寫器、感應(yīng)器及其他可集成硬件的可讀取電子標(biāo)簽芯片信息的B/S 架構(gòu)系統(tǒng)，該系統(tǒng)與嵌入式數(shù)字顯示控制系統(tǒng)集成應(yīng)用，通過綁定控制LED 顯示屏ARM7 微處理器，可實(shí)現(xiàn)讀取到電子標(biāo)簽管號(hào)在LED 屏上實(shí)時(shí)顯示并將讀取到管號(hào)和工序存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)應(yīng)表、未讀取到管號(hào)實(shí)時(shí)預(yù)警、崗位名稱數(shù)字化滾動(dòng)顯示的功能，該功能的實(shí)現(xiàn)確保電子標(biāo)簽在生產(chǎn)過程中丟失后可追溯到前一崗位，保證崗位操作人員可直觀、準(zhǔn)確地獲取到鋼管管號(hào)，改變了通過去鋼管旁辨識(shí)管號(hào)的原始方式，增強(qiáng)了人身安全系數(shù)。

嵌入式數(shù)字顯示控制系統(tǒng)與生產(chǎn)物流監(jiān)控系統(tǒng)的集成，是通過系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)函數(shù)及二次開發(fā)指令協(xié)議將該系統(tǒng)的控制部分及ARM7 微處理器綁定嵌入到生產(chǎn)物流監(jiān)控系統(tǒng)的軟件框架中，可在服務(wù)器上發(fā)布后通過WEB 端在辦公網(wǎng)進(jìn)行控制，亦可通過安裝包在服務(wù)器端上進(jìn)行文字信息輸出控制。

3 結(jié)語(yǔ)

嵌入式數(shù)字顯示控制系統(tǒng)通過與物聯(lián)網(wǎng)生產(chǎn)物流監(jiān)控系統(tǒng)的集成應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了鋼管物流信息跟蹤中管號(hào)的可識(shí)別性、定位準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性，提高了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的易用性，改變了通過崗位人員前往鋼管旁識(shí)別管號(hào)的方式，崗位人員可直觀、準(zhǔn)確地獲取到鋼管管號(hào)，增強(qiáng)了人身安全系數(shù)，實(shí)現(xiàn)了鋼管管號(hào)數(shù)字化在線實(shí)時(shí)展示及數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)，達(dá)到了鋼管物流生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)目視跟蹤效果。