焊管生产线嵌入式数字显示控制系统应用研究

韩秀林，刘晶晶，李建一，周书亮，王 洋

（华油钢管有限公司·河北省高压管线螺旋焊管技术创新中心，河北 青县 062658）

嵌入式系统是一种以应用为中心，可裁剪软硬件，能广泛应用于各种应用系统的专用计算机系统。随着计算机技术和信息技术的不断发展，嵌入式系统的重要性日益得到体现，其应用也覆盖到工业控制、交通通信、医疗卫生、消费娱乐等领域，常用的手机、掌上电脑（PDA）、智能家电、全球定位系统（GPS）等均是其典型代表，而且基于ARM7内核的32 位嵌入式微处理器也正在逐步渗入到我们生活的各个方面［1-13］。

同时，伴随当今高度发展的信息时代，发光二极管（LED）显示屏控制技术在信息领域也取得了长足的进步。随着计算机网络技术的发展，LED 显示屏在多媒体、多种显示设备组成的信息展示系统中，采用智能化网络控制，基于以太网和TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，传输控制协议/网际协议）的互联网控制多屏技术也得到广泛应用。

如何开发出灵活、高效的控制系统，并与当前物联软件平台无缝集成是一个非常有意义的研究课题。从系统实际开发需求出发，从信息的编辑、提取、显示和嵌入式开发技术等方面进行研究，开发了一套基于以太网和TCP/IP 协议的技术标准及ARM7 内核微处理器的嵌入式LED 数字显示通用控制系统，为LED 显示屏在物联网生产物流监控系统中的应用提供了良好的开发技术，为以后与其他信息系统或数据采集系统的集成应用奠定了技术基础。

1 嵌入式数字显示控制系统设计

1.1 嵌入式数字显示控制系统网络架构

嵌入式数字显示控制系统基于ARM7 嵌入式微处理器的LED 显示屏支持以太网和TCP/IP 网络通信协议，只需一根电源线和屏蔽网线，通过连接各工序上的MOXA 交换机，配置固定IP 地址，通过光纤链路直接汇聚到核心汇聚交换机，与服务器、个人计算机（PC）形成控制组网连接，在服务器上部署专用嵌入式LED 数字显示控制软件，达到直接控制LED 屏显示所需输出信息的效果，网络整体架构如图1 所示。

图1 嵌入式数字显示控制系统网络架构

1.2 物联网生产物流监控系统管号在线展示

将嵌入式数字显示控制系统与物联网生产物流监控系统集成使用，控制流程如图2 所示。

图2 生产物流监控系统与嵌入式数字显示控制系统集成应用

2 嵌入式数字显示控制系统建设

2.1 嵌入式数字显示控制系统网络通讯协议

显示屏控制卡与上位机之间使用以太网和TCP/IP 方式交换数据，如图3 所示。通电后，ARM7微处理器开启用户数据报协议（User Datagram Protocol，UDP）监听功能，控制卡UDP 监听端口8800，监听上位机的数据发送。上位机随时可以向显示屏控制卡发送实时数据。控制卡接收到数据包后都要回传确认包，表明接收的状态。每个数据包长度不超过规定长度字节。上位机数据包下发后要等待显示屏的确认数据包，超过规定的时间（如200 ms）没有接收到显示屏的确认包，认为此次发送失败，可以启动若干次重发。

图3 UDP/TCP 网络通讯协议

2.2 嵌入式数字显示控制系统知识产权地址规范

为保证数据包传输的实时性、稳定性，在各工序MOXA 交换机上分配与LED 屏直连的专用网口，通过光纤直链到核心汇聚交换机，并配置相应网络规范的IP 地址，并与各工序一一对应。

2.3 显示屏控制卡参数配置软件

在与LED 显示屏处于同一网段的PC 机或服务器端部署控制卡参数配置软件后，通过搜索设备按钮会搜索到该网段所有已接入并通电的LED 显示屏，在软件右侧区域显示出所有LED 显示屏的IP和MAC 地址，双击右侧区域某个设备，即可进入左侧参数配置模式，对该设备进行相应参数配置，如图4 所示。

2.4 嵌入式数字显示控制系统专业编辑控制软件

该软件是一款通用软件，可对不同尺寸的LED 显示屏进行内容编辑输出。在PC 机或服务器端部署软件后，点击“控制卡搜索”，可以搜索到处于同一网段下正常工作的LED 显示屏，点击左边区域控制卡，查看下方区域控制卡IP，可通过IP地址对应到各工序。通过“添加显示页”“添加区域”等一些功能按钮编辑相关信息，制定要输出的模版，点击发送后，对应工序上的LED 显示屏将会显示相应信息，如图5 所示。

图5 嵌入式数字显示控制系统专业编辑控制软件

2.5 嵌入式LED 数字显示控制系统的开发

一个系统的开发完成到应用，不仅包括相关配置、编辑操作软件，还必须有与之一一对应的后台存储数据库及与软件开发过程中调取后台数据的相关代码及多种对应的解析函数，甚至包括与其他系统可以无缝集成的数据集成开发协议。嵌入式LED 数字显示控制系统之所以称为一个系统，与传统的LED 显示屏控制软件相比，采用ARM7 微处理器技术及嵌入式系统开发技术，不仅能实现服务器端同时远程管理基于以太网的多个LED 显示屏，而且比传统的LED 参数配置、信息编辑软件功能更加完善，还配置一套动态链接库函数（图6）及二次开发指令协议（表1），通过相应函数及协议可以与其他信息系统做集成应用，甚至可以嵌入到其他系统中，作为一部分功能模块使用，而且该系统还预留了5 种当今流行的开发语言编译的源代码和配置工具，包括.Net Framework 平台下C#、VB、VC++开发包和Windows 平台下Delphi 开发包及Java 平台下的开发包，从而形成了一套具有多元化、多功能、多种框架的完整系统。

表1 嵌入式数字显示控制系统二次开发部分指令

图6 嵌入式数字显示控制系统动态链接库函数部分示意

2.6 与物联网生产物流监控系统的集成应用

物联网生产物流监控系统是基于ASP.NET MVC 4 框架开发的一套多线程、嵌入式可控制射频天线、读写器、感应器及其他可集成硬件的可读取电子标签芯片信息的B/S 架构系统，该系统与嵌入式数字显示控制系统集成应用，通过绑定控制LED 显示屏ARM7 微处理器，可实现读取到电子标签管号在LED 屏上实时显示并将读取到管号和工序存储到数据库对应表、未读取到管号实时预警、岗位名称数字化滚动显示的功能，该功能的实现确保电子标签在生产过程中丢失后可追溯到前一岗位，保证岗位操作人员可直观、准确地获取到钢管管号，改变了通过去钢管旁辨识管号的原始方式，增强了人身安全系数。

嵌入式数字显示控制系统与生产物流监控系统的集成，是通过系统的动态链接库函数及二次开发指令协议将该系统的控制部分及ARM7 微处理器绑定嵌入到生产物流监控系统的软件框架中，可在服务器上发布后通过WEB 端在办公网进行控制，亦可通过安装包在服务器端上进行文字信息输出控制。

3 结语

嵌入式数字显示控制系统通过与物联网生产物流监控系统的集成应用，实现了钢管物流信息跟踪中管号的可识别性、定位准确性、实时性，提高了物联网系统的易用性，改变了通过岗位人员前往钢管旁识别管号的方式，岗位人员可直观、准确地获取到钢管管号，增强了人身安全系数，实现了钢管管号数字化在线实时展示及数据库存储，达到了钢管物流生产现场目视跟踪效果。