地鐵列車LED顯示屏的設(shè)計(jì)

摘要：根據(jù)地鐵車輛CAN智能總線通訊的要求設(shè)計(jì)了一種先進(jìn)的多功能LED屏，其特點(diǎn)是采用多模塊化設(shè)計(jì)，可根據(jù)需要對系統(tǒng)的總線通訊模塊和測溫模塊進(jìn)行更換，實(shí)現(xiàn)了對多種動(dòng)態(tài)文字和靜態(tài)圖形的顯示和車內(nèi)外的溫度和濕度的監(jiān)測。該顯示屏的刷新頻率可以達(dá)到61.6Hz,動(dòng)態(tài)顯示的換幀頻率達(dá)到26.2Hz.文章從組成框圖、硬件設(shè)計(jì)以及邏輯控制流程等幾方面介紹了該LED的驅(qū)動(dòng)電路，給出了硬件接口電路圖。驅(qū)動(dòng)電路的核心部分采用單片機(jī)77E58來控制LED的顯示，大大降低了LED顯示屏的成本，優(yōu)化了LED顯示器件的驅(qū)動(dòng)電路。

1引言

LED顯示屏在地鐵中作為一種面向公眾的信息顯示終端，有著非常廣泛的民用和商用價(jià)值。

目前在國內(nèi)運(yùn)行的地鐵車輛普遍都配備了LED顯示屏，但附加功能較少，屏幕顯示內(nèi)容單一。為了配合新型地鐵旅客信息系統(tǒng)的使用，我們設(shè)計(jì)了一種全新的多總線式LED顯示動(dòng)態(tài)屏。

該顯示屏在外部通訊時(shí)不但具有多種總線接口，在內(nèi)部控制電路設(shè)計(jì)中還采用了單總線和I2C總線器件。

地鐵上的LED屏分兩種：一種放置于車廂外側(cè)，用于顯示列車運(yùn)行區(qū)間、運(yùn)行方向和當(dāng)前到站站名，中英文兼容顯示；也可根據(jù)運(yùn)行需要顯示其他服務(wù)信息；文字顯示可選靜止、滾動(dòng)、平移、瀑布、動(dòng)畫等多種效果，最大顯示字符數(shù)為16×16點(diǎn)陣字符12個(gè)。另一種為終點(diǎn)LED顯示屏，放置于車內(nèi)，終點(diǎn)站LED顯示屏可按列車運(yùn)營要求預(yù)置終點(diǎn)站，并實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前的終點(diǎn)站，同時(shí)還能顯示目前車內(nèi)溫度，最大顯示字符數(shù)為16×16點(diǎn)陣字符8個(gè)。

2系統(tǒng)構(gòu)成

LED顯示系統(tǒng)屏由單片機(jī)控制單元和顯示單元兩部分組成，單個(gè)顯示單元可顯示16×16的漢字4個(gè)，若制作生產(chǎn)一定尺寸的LED圖文顯示屏系統(tǒng)，只要用若干智能顯示單元，采用"搭積木"的方法即可實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)中各顯示單元之間采用串行通信聯(lián)系?？刂茊卧素?fù)責(zé)控制顯示單元和傳輸上位機(jī)的指令和信號(hào)外，還內(nèi)嵌了單總線數(shù)字溫度傳感器18B20。得益于控制電路的模塊設(shè)計(jì)，若對濕度測量也有要求的情況下，18b20可升級(jí)為Dallas公司的DS2438和Honeywell公司的HIH23610構(gòu)成的模塊電路。為了滿足整車的通訊需要，上位機(jī)與車內(nèi)的各控制單元之間采用CAN總線方式通訊。

圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3硬件設(shè)計(jì)

顯示單元由LED顯示面板和顯示電路兩部分組成，LED顯示面板是由4塊點(diǎn)陣模塊組成的16×64點(diǎn)陣通用智能顯示單元，單個(gè)顯示單元全屏可以顯示4個(gè)16×16點(diǎn)陣漢字或符號(hào)，系統(tǒng)中各顯示單元之間采用串行通信聯(lián)系，從而使得整個(gè)系統(tǒng)的工作協(xié)調(diào)統(tǒng)一。顯示電路由兩個(gè)16針排線口、兩個(gè)74H245三態(tài)總線驅(qū)動(dòng)器、一個(gè)74HC04D六反相器、兩個(gè)74H138八譯碼器以及8個(gè)74HC595移位鎖存器組成?？刂齐娐泛诵臑閃INBOND的高速單片機(jī)77E58,晶振頻率為24MHz.AT29C020A為256K的ROM,用于存貯16×16點(diǎn)陣的漢字庫和16×8點(diǎn)陣的ASCII碼表。AT24C020是基于I2C串行總線的EP2ROM,其存儲(chǔ)預(yù)設(shè)定的語句，例如地鐵站點(diǎn)名稱、問候語等。車內(nèi)溫度通過單總線式數(shù)字溫度傳感器18b20測量。SJA1000和TJA1040分別為CAN總線控制器和收發(fā)器。

3.1控制電路單元設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)以winbond的動(dòng)態(tài)單片機(jī)77E58為核心，77E58采用了重新設(shè)計(jì)的微處理器內(nèi)核，其指令兼容51系列，但由于時(shí)鐘周期僅為4個(gè)周期，在相同的時(shí)鐘頻率下，其運(yùn)行速度一般比傳統(tǒng)8051提高2~3倍，因此很好地解決了大容量漢字動(dòng)態(tài)顯示時(shí)對單片機(jī)的頻率要求，另外還自帶看門狗。77E58通過鎖存器74LS373控制閃速存儲(chǔ)器AT29C020,大小為256K.由于存儲(chǔ)器容量大于64K,因此在設(shè)計(jì)中采用了分頁尋址的方法，即用P1.1和P1.2對閃存器進(jìn)行頁選，共分4頁，每頁的尋址大小為64K,P1.5除了用于對AT29C020片選外，還保證了P1.1和P1.2在16針的排線接口上復(fù)用時(shí)不對AT29C020造成誤操作。CAN控制器為通訊的關(guān)鍵部分，為了提高抗干擾能力，在CAN控制器SJA1000和CAN收發(fā)器TJA1040之間加接6N137高速光耦，單片機(jī)通過P3.0對CAN控制器SJA1000進(jìn)行片選。18B20為單總線器件，該器件與單片機(jī)接口僅需占用一個(gè)I/O端口，可直接將溫度轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，并以9位數(shù)字碼方式串行輸出，在控制電路中選用P1.4完成對18B20的片選和數(shù)據(jù)傳輸功能。AT24C020的時(shí)鐘線SCL和雙向數(shù)據(jù)線SDA分別接單片機(jī)的P1.6和P1.7.16針的排線接口是控制電路和顯示電路的接口部分?？刂齐娐返挠布B接圖如圖2。

圖2控制電路硬件連接圖

3.2顯示單元連接與控制

顯示電路部分通過16針排線（1）口與控制電路部分的16針排線口相連，16針排線口（1）將單片機(jī)的指令和數(shù)據(jù)傳輸?shù)絃ED顯示電路，16針排線（2）用于多個(gè)顯示屏幕的級(jí)聯(lián)，它的連線和16針排線口（1）基本一樣，但是要注意其R端連接的是圖2從左至右的第8個(gè)74H595的DS端，在級(jí)聯(lián)的時(shí)候它將與下一塊顯示屏的16針排線（1）口串接（如圖1）。CLK為時(shí)鐘信號(hào)端，STR為行鎖存端，R為數(shù)據(jù)端，G（GND）、LOE為行點(diǎn)亮使能端，A、B、C、D為行選端。各端口具體作用如下：A、B、C、D為行選擇端，用于控制將來自上位機(jī)數(shù)據(jù)具體送至顯示面板上的指定行，R為數(shù)據(jù)端，接受單片機(jī)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。LED顯示單元的工作時(shí)序如下：CLK時(shí)鐘信號(hào)端在R端收到一個(gè)數(shù)據(jù)后，由控制電路人為地給一個(gè)脈沖上升沿，STR在一行數(shù)據(jù)（16×4）64個(gè)數(shù)據(jù)全部傳送完后，給出一個(gè)脈沖上升沿以鎖存數(shù)據(jù)；LOE由單片機(jī)置1將該行點(diǎn)亮。顯示電路原理圖如圖3。

圖3顯示電路原理圖

4模塊化設(shè)計(jì)

地鐵車輛根據(jù)實(shí)際情況對LED顯示屏有不同的要求，因此我們在設(shè)計(jì)電路時(shí)對此做了充分考慮，即在保證主要功能和結(jié)構(gòu)不變的情況下，可以對特定模塊進(jìn)行互換。該結(jié)構(gòu)使得LED控制電路具有良好的擴(kuò)展性和易用性。[!--empirenews.page--]

4.1溫濕度模塊

在南方炎熱和多雨地帶，盡管車內(nèi)有恒溫空調(diào)，但濕度也是旅客們關(guān)心的一個(gè)重要指標(biāo)。我們設(shè)計(jì)的溫濕度模塊，具有測量溫度和濕度的功能。溫度模塊和溫濕度模塊有相同的插座接口，且都是單總線結(jié)構(gòu)，均用P1.4口控制，因此互換很方便。HIH3610是Honeywell公司生產(chǎn)的電壓輸出的三端集成濕度傳感器，DS2438是具有單總線通訊接口的10位A/D轉(zhuǎn)換器，片內(nèi)包含一個(gè)高分辨率的數(shù)字溫度傳感器，它可用于濕度傳感器的溫度補(bǔ)償。圖4為溫濕度模塊原理圖。

圖4溫濕度模塊原理圖

4.2485總線擴(kuò)展模塊

485總線作為一種成熟而廉價(jià)的總線在工業(yè)現(xiàn)場和交通領(lǐng)域有著不可替代的位置，為此我們設(shè)計(jì)了485總線擴(kuò)展模塊，它可替代原有的CAN模塊進(jìn)行外部通訊。該模塊采用MAXIM公司的光電隔離型的MXL1535E作為485收發(fā)器，為了保證控制上的兼容，MXL1535E與SJA1000均通過P3.0進(jìn)行片選。另外在RS2485側(cè)與控制器或控制邏輯側(cè)之間通過變壓器提供2500VRMS電隔離，在模塊的輸出部分添加了TVS二極管電路以減少線路浪涌干擾，還可利用跳線決定是否加載總線的終端電阻。原理圖如圖5。

圖5485總線擴(kuò)展模塊原理圖

5軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件由上位機(jī)管理軟件和單元控制器控制軟件組成。上位機(jī)管理軟件是在Windows22000操作平臺(tái)上，利用C++BUILD6.0開發(fā)的，包括顯示方式選擇（包括靜態(tài)、閃動(dòng)、滾動(dòng)、打字等）,滾動(dòng)方向選擇（包括上下滾動(dòng)和左右滾動(dòng)）,動(dòng)態(tài)顯示速度調(diào)節(jié)（即文字閃動(dòng)頻率、滾動(dòng)速度、打字顯示速度等）,顯示內(nèi)容輸入及顯示預(yù)覽等。

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)不僅可按預(yù)設(shè)定顯示報(bào)站、廣告等字符，也可人工輸入需要的顯示字符。單元控制器控制軟件采用8051的KEILC編程，固化于單片機(jī)77E58的EEPROM中，主要完成上下位機(jī)通訊、溫度和濕度的數(shù)據(jù)采集、I/O接口控制等功能。在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，溫度測量精度達(dá)到±0.5℃，濕度測量精度達(dá)到±2%RH.

6結(jié)論

從硬件原理圖的設(shè)計(jì)、邏輯結(jié)構(gòu)、組成框圖等幾方面介紹了地鐵LED顯示屏的設(shè)計(jì)思路，通過對現(xiàn)場總線接口模塊以及溫濕度模塊接口的設(shè)計(jì)，使得該LED顯示屏可適應(yīng)不同環(huán)境的要求，具有良好的擴(kuò)展性和通用性。經(jīng)過多次測試，該LED顯示屏已在國產(chǎn)地鐵新型旅客信息系統(tǒng)中裝車試用，效果良好。實(shí)踐證明該顯示屏能很好地完成對漢字和圖形的靜態(tài)顯示和各種動(dòng)態(tài)顯示，且具有亮度高、無閃爍、邏輯控制簡單等特點(diǎn)，充分滿足了地鐵車輛對LED屏的顯示要求。