基于数码管故障诊断的算法研究

2021-06-29张路路慕永耀邱旭强

科技创新与应用 2021年17期

张路路，慕永耀，李雷，邱旭强*

（1.山东工商学院信息与电子工程学院，山东烟台264003；2.烟台持久钟表有限公司，山东烟台264003）

LED作为高效、环保、节能、抗震的新型光源，已经越来越广泛地应用到国民生活的各个方面[1-2]。超市、学校与车站等众多场所，多采用数码管显示时间信息，提供时间服务，一旦数码管出现故障，不能正确显示时间信息，会带来诸多不便。目前，针对数码管在运行期间的检测算法主要有三种：电压电流检测法，通过检测正在工作的数码管段码两端的电流或者电压判断数码管的状态，专利[3]提出了一种检测显示屏的算法，在驱动线路上设置采样电阻，然后通过指令逐个点亮每一颗LED，与电流的理论值进行比较，判断LED的运行情况，检测过程繁琐复杂，影响显示屏的正常使用，不适用于LED使用过程中的检测；光电检测法，通过在与数码管对应的位置设置光电传感器，检测数码管的运行情况，这种算法只适用于数码管较少的情况，一旦数码管数量较多，检测成本高，布线复杂，影响系统的抗电磁干扰性能，光电检测法易受环境光线的影响降低判断准确度；图像检测法，通过对数码管显示装置进行拍照，通过分析照片来检测数码管的运行情况，这种算法运用复杂的图像处理技术，硬件成本高，算法复杂不易实现。综上所述，急需一种成本低廉、在线实时监测数码管状态的算法和系统。

为了简单快捷、实时监测数码管的状况，提出了一种数码管状态检测算法并搭建了检测系统，包括多组测量模块、控制模块、4G模块与云平台，以STM32F103ZET6作为控制模块的MCU，测量模块包括驱动模块、数码管模块、限流电阻、采样电阻及电流检测模块，通过对比数码管的工作电流，诊断数码管的工作状态，MCU通过4G模块将数码管运行状态实时传输到云端，监管人员在PC端实现远程监控。

1 系统设计

1.1 系统硬件设计

数码管状态检测系统如图1所示，控制模块同时控制多组测量模块，测量模块采用TPIC6B595作为数码管驱动模块，驱动数码管显示字符，TPIC6B595的7个输出端DR0～DR6分别连接数码管的a～g段码的负极，数码管的a～g段码的正极分别经限流电阻、采样电阻连接驱动电源的正极；电流检测模块采用INA219，INA219具有AD转换功能，可以通过数据总线进行数据传输，可以编辑地址，通过对INA219的A0端和A1端的设置，使每个电流检测模块具有不同的地址，控制模块通过不同的地址可以访问读取特定的电流检测模块的值，从而实现以更少的布线实现对多个数码管运行状态的检测功能；电流检测模块并联在采样电阻上，电流检测模块的输出端连接控制模块的输入端，将数码管正常工作时的电流传送给控制模块，4G模块采用Air724UG全网通模块，支持多种开发方式，能够实现实时将数码管的状态信息上传云平台，实现远程监控，减少人工巡检的成本。本系统仅采用一颗采样电阻和一个电流检测模块就可以实现对单个数码管中7个LED段码的有效检测，减少布线量、简单可靠，能在数码管正常工作状态下实现段码级精确检测。

图1 数码管状态检测系统

1.2 诊断算法的研究

数码管显示数字字符0～9时，数码管的各段码的定义如图2所示，数码管显示0～9的状态如图3所示，数码管显示字符0～9时对应的段码真值表如图4所示，其中，0表示对应段码处于熄灭状态，1表示对应段码处于点亮状态。

图2 数码管的段码定义

图3 数码管显示状态图

图4 数码管的段码真值表

MCU控制TPIC6B595驱动数码管依次显示数字字符0～9，INA219依次实时检测显示0～9字符时采样电阻两端的电压值，形成标准电流表，在标准电流表中，字符0～9准确对应一个标准的电流值，MCU将标准电流表和与之对应的字符存储在Flash中。

如图5所示，数码管单个段码由两组发光二极管并联组成，串联在一起的3个发光二极管组成一组，单个段码的驱动电源是7.8V，采样电阻R1为4.7欧，每串LED的限流电阻R2与R3皆为100Ω，正常点亮LED时，实测流经采样电阻R1的工作电流为30mA，即标准电流值为30mA；若段码中有单个LED发生短路，如图6所示，则实测流经采样电阻R4的工作电流为45mA左右，为标准电流值的1.5倍，若段码中有单个LED发生开路如图7所示，则实测流经采样电阻R7的工作电流为15mA左右，为标准电流值的50%。

图5 段码结构图

图6 段码短路图

图7 段码断路图

在数码管运行期间，INA219实时检测每位数码管的工作电流，MCU将显示0～9字符时每位数码管的实时电流与存储在Flash中相应字符的标准电流值做比较，如果偏差超过设定阈值，MCU记录每位数码管电流异常时对应显示的数字字符，结合显示字符的段码真值表，多个字符中均包含的段码，即为具体故障的段码。在只有一个段码故障时，若MCU检测到当显示字符0、2、3、5、6、7、8、9时，电流值均超过设定阈值，而显示1和4字符时正常，则可判断是数码管上的段码a异常。出现其他情况时，结合短路和开路的情况，实际电流值与标准电流值的差值大小，并结合段码真值表，经过有限次合乎逻辑的推理，可以推导出每个具体段码的故障情况，故障定位更精准。

1.3 系统软件设计

系统接通电源后，首先进行系统初始化，MCU控制数码管依次显示设定的0～9数字字符，INA219实时检测显示特定字符时的电流值，每一个不同的电流值对应不同的数字字符，MCU将不同的电流值和与之对应的数字字符存储记录，初始化结束后，TPIC6B595在MCU的控制下驱动数码管正常走时，显示时间信息，MCU将INA219实时检测的电流值与存储记录的标准电流值做对比，两者的误差不超过阈值，则判断数码管工作正常，若误差超过阈值，则推断数码管出现异常，MCU控制数码管进行闪烁显示，向外界发出警告信息，同时MCU通过Air724UG模块将异常信息上传云平台，监控人员在PC端查看，实现对数码管的远程监控，软件流程图如图8所示。