第31卷第1期吉林大学学报（信息科学版）Vol．31No．1 2013年1月Journal of Jilin University（Information Science Edition）Jan．2013文章编号：1671-5896（2013）01-0052-09
LED阵列工位实时数据显示系统的设计
胡易轩，刘海波，郭艳卫
（吉林大学电子科学与工程学院，长春130012）
摘要：为解决器件易损坏，测量数据不准等问题，提出了双通道“与”关系判据和信号时序逻辑的检测模式。该
系统拥有4种模式，每种模式采用双电感式传感器采集信号，可以有效提高传感器的耐用性，并保障检测信号
的准确。该检测设备具有检测结果准确、触摸屏实时调控参数、耐用性强和成本低廉等特点，具有很高的市场
价值。
关键词：传感器；可编程逻辑控制；双屏幕；实时数据显示
中图分类号：TP274文献标识码：A
Design of Real-Time Data Displaying System with LED Array Position
HU Yi-xuan，LIU Hai-bo，GUO Yan-wei
（College of Electronic Science and Engineering，Jilin University，Changchun130012，China）
Abstract：In order to solve the problem of the devices fragile and inaccurate data measurement，detection mode of dual-channel“and”relationship criterion and signal timing logic is presented．The system has four modes，each mode the double inductive sensor signal acquisition can effectively improve the durability of the sensor to protect the accuracy of the detection signal．Testing equipment has accurate test results，touch-screen real-time control parameters，durable and strong cost，with a high market value．
Key words：sensor；programmable logic control；dual-screen；real-time data display
0引言
随着工业自动化进程的发展，汽车在生产过程中，车辆的计量及个别计量修改等问题显得十分重要，这样便于车间现场工作人员及时了解相应数据，便于车间对生产计划的调整规划等。同时，该课题所应用到的可编程控制器PLC（Programmable Logic Controller）、电感式传感器、触摸控制屏、LED （Light Emiting Devices）显示屏和单片机等器件在工控中应用非常广泛。目前的研究主要集中在提高检测精度、优化软件系统、降低成本等方面。但实际应用中也存在如成本高、传感器易损坏、测量数据不准、不能实时控制调整等诸多问题。这也是传感器走向产业化所必须克服的问题，制造成本低廉、坚固耐用、不易损坏、测量结果稳定准确的传感器，是亟待解决的问题。
1理论基础及研究
1．1电感式传感器的工作原理及特点
电感式传感器是系统中用来监测工位的传感器，它是根据线圈自感或互感发生的变化实现某种测量的一种装置［1］，通过高频交流电磁场为媒介，以无磨损或非接触的方式检测金属物体。电感式传感器由
收稿日期：2012-06-29
作者简介：胡易轩（1987—），男（满族），长春人，吉林大学硕士研究生，主要从事微电子学与传感技术研究，（Tel）86-186********（E-mail）1909218@qq．com；刘海波（1959—），男，山东昌邑人，吉林大学教授，主要从事微电子学与传感技术研究，
（Tel）86-186********（E-mail）liuhaibo209@163．com。
高频振荡电路、检波电路、放大电路、触发电路和输出电路等组成［2］。在传感器的检测面上，高频震荡
器会产生一个交变的电磁场，磁场是由绕在线圈上的LC 震荡电路产生的，金属物体靠近传感器的检测面时，产生的涡流效应会减弱或降低LC 震荡电路的信号，传感器的放大电路可以感知这一变化，经功率
电路输出［3］。
电感式传感器具有结构简单、可靠、寿命长、灵敏度高、分辨力高、精度高、性能稳定和重复性好等一系列优点，但同时也存在传感器本身的测量范围与灵敏度、线性度之间相互制约，传感器自身响应周期较大等缺点。
1．2可编程控制器PLC 的硬件结构和工作原理
PLC 充分采用了大规模集成电路技术、微电子技术，迅速从早期的逻辑控制发展到进入位置控制、
伺服控制和过程控制等领域。现在已经成为机电控制领域不可缺少的核心控制部件［4］。一般PLC 是由
中央处理单元、存储器、输入单元、输出单元、电源以及其他可选组件组成［5］。PLC 的组成原理结构图
如图1所示。CPU 是PLC 的核心部件和控制中心，与个人电脑中的中央处理单元CPU 非常相似，都是由控制单元、运算单元和寄存单元组成的，这些单元电路都被集成在一块芯片上。存储器是具有记忆功能的半导体电路，包括系统存储器和用户存储器，主要用来存储系统程序、用户程序和数据程序等。PLC
中的存储器包括只读存储器ROM 、随机存储器RAM 和可擦写的只读存储器EPROM ［6］。不同的PLC 型
号，其内部存储器的大小也不一样，存储器是衡量PLC 性能好坏的重要标准之一。
图1PLC 组成原理结构图
Fig．1The principle chart of PLC
输入单元和输出单元也叫I /O 单元，是工业生产现场设备与PLC 相连的接口部件。输入部件可限制开关、按钮、继电器触点和传感器等，输出部件可选择指示灯、电磁阀、接触器和继电器等。
电源模块一般采用交流电源，内部把交流电转换为PLC 内部所需的直流电，也可直接采用直流24V 电源，PLC 的抗干扰能力较强，所以对工作电源稳定性要求并不高。
其他可选组件包括编程器、人机界面（HMI ）、外存储器、通信接口、打印机、盒式磁带机和EPROM
写入器等［7］。
可编程控制器采用循环扫描方式工作［8］。可归纳为以下5个过程：自诊断测试扫描过程、通信操作
过程、用户程序扫描过程、读输入处理过程和写输出扫描过程。自诊断测试扫描过程主要完成自检、自诊断、检查CPU 模块、复位监控定时器等工作。通信操作过程只针对一些配有网络的PLC 设备，用于PLC 设备之间或PLC 设备与其他设备之间的通信。针对用户程序的主要执行顺序是依次按照输入扫描、程序执行和输出扫描3个阶段进行。在输入扫描阶段，PLC 按照顺序读取所有输入端口的信号，并将读取的信号存储到输入映像寄存器中。在程序执行阶段即用户程序扫描过程，按照先左后右、先上后下的顺序执行相应程序。在输出扫描过程，PLC 把元素映像寄存器中所用到的映像寄存器的状态向输出锁存
器传送
［9，10］，且在这一阶段，输出锁存器的状态保持不变。1．3LED 显示屏的驱动显示原理
LED 显示屏具有高亮度、宽色域和高可靠性等优点，已经广泛应用于图像显示的各个场所［11］。显示屏是由多块LED 单元板按一定阵列方式组合而成，而LED 单元板是由32块LED 模组按照长宽比为2?1
组合和外围驱动电路组成，LED 模组是由8?8个LED 发光二级管组合而成［12］。
LED 发光二极管实际上是个正向工作的PN 结，PN 结中掺杂的半导体材料不同，LED 所发出光的颜
3
5第1期胡易轩，等：LED 阵列工位实时数据显示系统的设计
色也不同。半导体材料的禁带宽度与该材料所发出光的波长之间的关系［13，14］为E g =h ν=1．24/λ。其工
作原理：当正向电压加在PN 结的两端时，载流子穿越空间电荷区，使载流子浓度超过热平衡值，形成过量载流子，过量载流子复合，能量以光子的形式释放出来，在光子的发射过程中，偏压的电能量得到光
能量，这也被称为电致发光现象
［15，16］。LED 单元板主要由32块LED 模组、32片74HC595、8片74HC4953、2片74HC138、2片74HC245组成［17］。LED 单元板的电路结构示意图如图2所示。图2中接口数据线定义：A 、
B 、
C 、
D 是行扫描信号线，4根信号线共同决定16行中的哪一行LED 被点亮；R 1、R 2是LED 单元板中红色发光二级管的列数据信
号输入线；G 1、
G 2是LED 单元板中绿色发光二级管的列数据信号输入线；SCK 是串行数据的移位信号控制端；RCK 是数据锁存的信号控制端；EN 是片选信号线。每块LED 单元板之间都是通过图2中最左侧和最右侧的08接口（即16针插座），用数据线连接起来。
图2LED 单元板的电路结构示意图Fig．2Circuit schematic of the LED unit board
LED 单元板上的LED 发光二级管数目较多，故采用扫描驱动方式。上/下半屏中的16行分别对应
一个行扫描电路。各行的同名列共用一个列数据电路［18］。行扫描电路和列数据电路是LED 单元板能否
被点亮的关键电路。
行扫描电路是由2片74HC138译码器芯片和8片74HC4953行驱动管芯片组成，其中A 、
B 、
C 、
D 对应16行LED 共阳极端或共阴极端，这取决于LED 单元板是共阳极还是共阴极。列数据电路由16片74HC595组成，74HC595是一款CMOS 移位寄存器，输出端口为可控的三态输出，也能串行输出控制下一级级联芯片。电路中每8片74HC595芯片级联，驱动上半屏/下半屏中16行中对应64列数据。在74HC595芯片中，RCK 引脚作为串行数据移位信号的控制端，SCK 引脚作为输出锁存器的控制端，这样
就把2?64=128位数据一次性输入到单红色LED 单元板的相应移位寄存器上［19］，SCK 移位结束，RCK
响应锁存信号。若A 、
B 、
C 、
D 对应的行信号选通，相应的LED 则被点亮。2
电路设计系统整体电路按照功能划分为检测、控制和显示3大模块。系统的整体电路框图如图3所示
。图3整体电路框图Fig．3The overall circuit diagram
2．1检测模块设计
该模块使用4个德国turck 公司生产的NI50U-
CK40-AP6X2-1141电感式传感器，被安装在生产车间
工序入口处，左右两侧每侧前后放置各一个电感式传
感器：两侧各有两个电感式传感器，应用的双通道
“与”关系判据的模式，如果其中一侧某一个传感器失45吉林大学学报（信息科学版）第31卷
灵或坏掉，整套检测系统仍可继续使用；前后放置两个电感式传感器，采用信号时序逻辑模式，目的在于保障检测到信号的准确，其实现过程如图4所示
。
图4传感器实现过程示意图Fig．4Schematic of the sensor implementation process
2．2控制模块设计
该模块主要包括电源开关、熔断器、开关电源、可编程控制器（PLC ）、触摸控制屏、通信电缆、指示灯、转动开关和照明灯等器件。这些器件都放置在一个固定的控制箱体中。其中CPU226是西门子S7-
200系列的PLC 中的一款，CPU226上有两个串口用来通信，一个与SA-
5．7B 通信，另一个与LED 显示屏的显卡控制电路上的单片机通信；SA-
5．7B 是深圳显控公司的5．7寸的触摸控制屏 220V —+24V 开关电源主要用来供PLC 和电感式传感器工作， 220V —+5V 开关电源主要用来供给照明灯。此处的照明灯受箱体右下角的转动开关控制，若箱体关闭，则照明灯灭；若箱体打开，则照明灯亮。这样便于维修调试箱体内的各个器件。控制模块的电气图如图5所示
。
图5控制模块的电气图Fig．5Electrical diagram of the control module
2．3显示模块设计
该模块主要包括电源电路、复位电路、时钟电路、RS485转232通信电路、外扩数据存储器电路和驱
55第1期胡易轩，等：LED 阵列工位实时数据显示系统的设计
动显示电路等。其中控制核心的部件是单片机，共2片，型号是STC12C5A40PWM ，
STC 系列单片机开发图6电源电路Fig．6Power supply circuit
采用RS232串口烧写程序，且稳定性好。
系统电源有两路电源，一路采用5V 供电，主要用
5V 电源供单片机工作，在正常工作模式下，单片机的
工作电流为几毫安，功率并不是很大，对电源的要求不
高。如图6所示，只包括电源接口以及一些滤波电容，
P 1接口接的是 220V —+5V 开关电源的输出端，另
一路采用的也是5V 供电，主要供3?3个LED 单元板
上的LED 灯正常工作。由于9个LED 单元板上共有
18432个发光二级管，所需的工作电流在45 50A 之
间，故采用50A 、 220V —+5V 的开关电源。单片机运行所要求的时钟信号是由其时钟电路产生，单片机是以时钟周期为基本标准运行各个部件并实现各个功能。时钟信号的频率直接影响单片机的运行速度，时钟信号的质量也直接影响单片机系统
运行的稳定性［20］，一般时钟电路有两种方式：内部时钟方式和外部时钟方式。笔者采用内部时钟方式，
使用35MHz 的晶振，其电路图如图7所示。
复位就是初始化单片机，一般给单片机的复位引脚加上几个机器周期的高电平信号，即可复位单片机，复位电路如图8所示
。
图7时钟电路图8复位电路Fig．7Clock circuit Fig．8Reset circuit
PLC 的串口应用RS485协议，而单片机的串口应用RS232协议，但二者之间要进行数据通信才可以保证系统的完整性，所以需要用到RS485转RS232通信电路。该电路主要由DS75176芯片和电阻组成，DS75176芯片的功能是将RS485协议转为RS232协议。图9中有两片DS75176芯片，分别连接两个单片机，两块单片机不能同时接收串口发来的数据信号，只能交替接收串口发来的数据信号。
图9RS485转232通信电路图10外扩数据存储器电路Fig．9RS485to 232communication circuit Fig．10External expansion data memory circuit
外扩数据存储器电路由2片外扩存储器62256、74HC573锁存器及若干电线组成（见图10）。其中62256共有15根地址总线（A 0 A 14），其存储空间为215bit ，即32kByte ，用来存储所需要显示的汉字、
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英文以及数字的字模数据。STC 单片机应用62256扩展外部数据存储器时，74HC573起到锁存数据的作用。P 0口既作为地址低8位使用，也作为8位数据位使用，而P 2口作为地址高8位使用。
驱动显示电路主要由2片74HC245芯片和4个16针插针接口组成，通过单片机读取外扩RAM 存储器中的数据并送到LED 单元板上。图10中74HC245是CMOS 型三态缓冲门电路，起到功率放大信号的
作用。P 30、
P 31、P 32、P 33插针接口与LED 单元板上的08接口相匹配连接。74HC245的连接电路如图11所示，
08接口的连接电路如图12所示
。图1174HC245的连接电路图
图1208接口连接图Fig．11The connection circuit diagram of
Fig．12Connection diagram of 74HC24508interface
3软件程序设计
系统软件部分主要分为两大部分：PLC 控制程序、触摸控制屏程序和单片机通信及显示程序。PLC 控制程序主要是检测信号和计数，并把相应的数据通过串口数据线发送给单片机；触摸控制屏程序主要是应用现有的开发平台，把PLC 的控制字、数据存储地址等关联到触摸控制屏上，便于对PLC 的操作和对PLC 内部数据的读取等；单片机通信及显示程序主要是接收PLC 发来的数据，并把相应的数据显示到LED 显示屏上。
3．1PLC
控制程序
图13PLC 控制程序流程图Fig．13The flow chart of PLC control program
系统所用的PLC 型号是西门子S7-
200系列PLC 中的CPU226，所对应的编程软件为西门子公司开发
的STEP 7-
Micro /WIN V4．0。PLC 有5种不同的编程方法：梯形图（Ladder
Diagram ）、语句表（Statement List ）、功能块图（Func-
tion Block Diagram ）、结构文本（Structured Text ）和顺
序功能图（Sequential Function Chart ）。梯形图编程方
法最简单最直观，类似于数字逻辑电路中的与非门逻
辑电路，对开关量逻辑控制的工程比较适用，所以使
用此方法编写PLC 程序。
程序中可分为两大部分：主程序和倒班程序。主
程序包括顺序执行发送数据模块程序、校验时间确定
班次模块程序和检测信号模块程序。倒班程序中顺序
执行记录数据程序，根据小时、班次（一天3班）、天
这3个时间计量单位分别记录相应数据，图13中给
出的是PLC 控制程序流程图。3．2触摸屏控制程序
触摸控制屏使用深圳显控自动化技术公司的SA-
5．7B ，SamDraw3．3是SA 系列触摸控制屏的界面开75第1期胡易轩，等：LED 阵列工位实时数据显示系统的设计
发软件，在SamDraw 组态软件的开发界面和各个功能区域中，标题栏给出的是SamDraw 的版本号；菜单条指示SamDraw3．3的各项命令菜单，这些菜单都是下拉式菜单；
工具按钮给出一些命令的快捷方式按图14触摸屏控制界面截图Fig．14The control interface screenshots of touch screen
钮、显示文件、编辑、绘图等功能相应的按钮；画面
区域窗口是工程设计人员进行组态、编辑图形对象的
窗口；工程管理器是触摸屏的通讯连接、参数设置、
画面管理、报警设置、配方设置、历史数据收集器设
置的树形菜单；信息输出窗口即工程设计人员进行组
态编辑和编译时，输入、输出信息和错误提示等不同
的信息提示；状态栏指示当前组态状态，包括鼠标的
坐标、控件类型、控件坐标、控件大小等。该界面编
写比较简明，不在此处过多介绍，所以直接给出编写
好的界面截图（见图14）。3．3单片机通信及显示程序
这部分程序通过两块单片机交互工作实现：一块负责通信数据的接收；另一块负责LED 显示屏的驱动显示。两块单片机并不同时接收数据，以减少LED 显示屏显示数据的响应时间。单片机通信程序主要包括RS232串口数据的接收和校验，显示程序主要包括数据存储和读取、驱动LED 单元板电路显示数据。通信程序过程的流程图如图15所示，显示程序的流程图如图16所示
。
图15通信程序流程图
图16显示程序流程图Fig．15The flow chart of
Fig．16The flow chart of display program
communication program 4结语
通过理论基础的学习、硬件电路和软件程序的设计，成功地实现了预期的结果：电感式传感器能准确响应，并在PLC 中记录数据，通过PPI 协议数据线与触摸控制屏通信，使其实时显示相应的数据，包括每小时、每班次、每天的数据。PLC 通过串口数据线把相应数据传送给单片机，单片机再把这些数据在LED 显示屏上实时更新显示出来，同时，触摸控制屏能做到系统可开启关闭、有权限地修改数据等功
能。采用双通道“与”关系判据和信号时序逻辑模式的检测方法新颖独特，有效地避免了意外情况导致的
数据错误情况和系统部分功能失常等问题，提高了系统的稳定系数；区别于通常的LED 显示屏显示数据驱动方式，系统采用PLC 与单片机串口通信，在LED 显示屏和触摸控制屏上同时并实时显示所更新的数据信息。但电路设计过于繁琐，实时显示有一定延迟，有待进一步设计研究。
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参考文献：
［1］钱显毅，唐国兴．传感器原理与检测技术［
M ］．北京：机械工业出版社，2011：42-43．QIAN Xian-yi ，TANG Guo-xing．Sensor Principle and Testing Technology ［M ］．Beijing ：China Machine Press ，2011：42-43．
［2］杜慧．浅谈检测技术中几种传感器［
J ］．硅谷，2011（3）：6-7．DU Hui．Explain Several Sensors in the Detection Technology ［J ］．Silicon Valley ，2011（3）：6-7．
［3］徐春妹．电感式传感器测试系统及其修正系数分析［
J ］．淮海工学院学报：自然科学版，2010，19（4）：23-25．XU Chun-mei．Analysis to Inductive Sensor Testing Systemand Its Correction Coefficient ［J ］．Journal of Huaihai Institute of Technology ：Natural Science Edition ，2010，19（4）：23-25．
［4］崔雪峰．浅谈可编程控制器PLC 与可编程计算机控制器PCC ［
J ］．民营科技，2012（3）：100-101．CUI Xue-feng．On the Programmable Logic Controller PLC Programmable Computer Controller PCC ［J ］．Private Science and
Technology ，
2012（3）：100-101．［5］武锋．可编程控制器PLC 的基本原理及应用［
J ］．电子世界，2002（11）：32-40．WU Feng．The Principle and Development of PLC ［J ］．Electronics World ，2002（11）：32-40．
［6］胡宁．浅谈PLC 在自动控制系统设计中的正确应用［
J ］．中国科技博览，2009（19）：36-42．HU Ning．The Correct Application of the PLC in the Automatic Control System Design ［J ］
．China Science and Technology Expo ，
2009（19）：36-42．［7］刘星平．PLC 原理及工程应用［
M ］．北京：中国电力出版社，2010：9-12．LIU Xing-ping．The Principle and Engineering Applications of PLC ［M ］．Beijing ：China Electric Power Press ，2010：9-12．［8］高强，马丁．西门子PLC200/300/400应用程序设计实例精讲［
M ］．2版．北京：电子工业出版社，2009：10-12．GAO Qiang ，MA Ding．Beijing Application Design Elaborate Examples of PLC 200/300/400［M ］．2nd ed．Beijing ：Electron Industry Press ，2009：10-12．
［9］杨长能，张兴毅．可编程序控制器PC 基础及应用［
M ］．重庆：重庆大学出社，1992．YANG Chang-neng ，ZHANG Xing-
yi．Basis and Application of Programmable Logic Controller PC ［M ］．Chongqing ：Chongqing University Press ，1992．
［10］ZHANG Jian-wen ，XU Qiong ，FENG Lin．Analysis and Research on the Working Way of PLC Controlling System ［J ］．Journal
of East China Geological Institute ，2003，26（3）：298-299．
［11］王家骅，李长健，牛文成．半导体器件物理［
M ］．北京：科学出版社，1981．WANG Jia-hua ，LI Chang-jian ，NIU Wen-cheng．Physics of Semiconductor Devices ［M ］．Beijing ：Science Press ，1981．［12］燕奇，宋占伟．基于LED 光通信的传感数据自组织自恢复系统［J ］
．吉林大学学报：信息科学版，2011，29（1）：14-20．
YAN Qi ，SONG Zhan-wei．Self-Organization and Self-Recovery System of Sensing Datas Based on LED Light Communication ［J ］．Journal of Jilin University ：Information Science Edition ，2011，29（1）：14-20．
［13］SHUR M．Physics of Semiconductor Devices ［M ］．Englewood Cliffs ，NJ ：PrenticeHall ，1990．
［14］赵梓权．基于视觉感受的LED 显示屏系统精度分析［
J ］．液晶与显示，2012，27（3）：234-331．ZHAO Xin-quan．Systemic Accuracy Analysis of LED Displays Based on Visual Perception ［J ］
．Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays ，2012，27（3）：234-331．
［15］BERGH A ，DEAN P．Light-Emitting Diodes ［J ］．Proc IEEE ，1972（60）：156-160．
［16］孟庆巨，刘海波，孟庆辉．半导体器件物理［
M ］．北京：科学出版社，2009：283-284．MENG Qing-ju ，LIU Hai-bo ，MENG Qing-hui．Physics of Semiconductor Devices ［M ］．Beijing ：Science Press ，2009：283-284．
［17］李昭静，韩超，郭雷岗．基于AT89S51单片机的LED 点阵显示屏设计［J ］
．电脑知识与技术，2011，7（11）：2706-2707．
LI Zhao-jing ，HAN Chao ，GUO Lei-gang．Design of LED Dot Matrix Display Based on AT89S51Microcontroller ［J ］．Computer Knowledge and Technology ，2011，7（11）：2706-2707．
［18］田金云，张广超，孟艳霞，等．基于单片机的LED 汉字点阵显示系统设计［
J ］．工业控制计算机，2008（6）：88-92．TIAN Jin-yun ，ZHANG Guang-chao ，MENG Yan-xia ，et al．Design of LED Chinese Character Dot Display System Based on
Microcontroller ［
J ］．Industrial Control Computer ，2008（6）：88-92．95第1期胡易轩，等：LED 阵列工位实时数据显示系统的设计
06吉林大学学报（信息科学版）第31卷
［19］靳栀，邬芝权，李骐，等．基于51系统单片机的LED显示屏开发技术［M］．北京：北京航空航天大学出版社，2009：232-237．
JIN Zhi，WU Zhi-quan，LI Qi，et al．Development of Technology of LED Display Based on the51Microcontroller［M］．Beijing：Beihang University Press，2009：232-237．
［20］张毅刚，彭喜元，姜守达，等．新编MCS-51单片机应用设计［M］．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2003：8-10．ZHANG Yi-gang，PENG Xi-yuan，JIANG Shou-da，et al．New MCS-51Microcontroller Application Design［M］．Harbin：Harbin Institute of Technology Press，2003：8-10．
（责任编辑：刘东亮）