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簡要淺析地鐵LED顯示屏原理的基本設計

發(fā)布時間：2018-01-31 10:52:00

摘要：　　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值。目前在國內(nèi)運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，我們設計了一種

　　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值。目前在國內(nèi)運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，我們設計了一種全新的多總線式LED顯示屏動態(tài)屏。該顯示屏在外部通訊時不但具有多種總線接口，在內(nèi)部控制電路設計中還采用了單總線和I2C總線器件。地鐵上的LED顯示屏分兩種：一種放置于車廂外側，用于顯示列車運行區(qū)間、運行方向和當前到站站名，中英文兼容顯示；也可根據(jù)運行需要顯示其他服務信息；文字顯示可選靜止、滾動、平移、瀑布、動畫等多種效果，最大顯示字符數(shù)為16×16點陣字符12個。另一種為終點LED顯示屏，放置于車內(nèi)，終點站LED顯示屏可按列車運營要求預置終點站，并實時顯示當前的終點站，同時還能顯示目前車內(nèi)溫度，最大顯示字符數(shù)為16×16點陣字符8個。

　　LED顯示屏系統(tǒng)屏由單片機控制單元和顯示單元兩部分組成，單個顯示單元可顯示16×16的漢字4個，若制作生產(chǎn)一定尺寸的LED顯示屏圖文顯示屏系統(tǒng)，只要用若干智能顯示單元，采用“搭積木”的方法即可實現(xiàn)，系統(tǒng)中各顯示單元之間采用串行聯(lián)系?？刂茊卧素撠熆刂骑@示單元和傳輸上位機的指令和信號外，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計，若對濕度測量也有要求的情況下，18b20可升級為Dallas的DS2438和HoneywELl公司的HIH23610構成的模塊電路。為了滿足整車的通訊需要，上位機與車內(nèi)的各控制單元之間采用CAN總線方式通訊。

　　顯示單元由LED顯示屏顯示面板和顯示電路兩部分組成，LED顯示屏顯示面板是由4塊點陣模塊組成的16×64點陣通用智能顯示單元，單個顯示單元全屏可以顯示4個16×16點陣漢字或符號，系統(tǒng)中各顯示單元之間采用串行通信聯(lián)系，從而使得整個系統(tǒng)的工作協(xié)調(diào)統(tǒng)一。顯示電路由兩個16針排線口、兩個74H245三態(tài)總線驅動器、一個74HC04D六反相器、兩個74H138八譯碼器以及8個74HC595移位鎖存器組成?？刂齐娐泛诵臑閃INBOND的高速單片機77E58，晶振頻率為24MHz.AT29C020A為256K的ROM，用于存貯16×16點陣的漢字庫和16×8點陣的ASCII碼表。AT24C020是基于I2C串行總線的EP2ROM，其存儲預設定的語句，例如地鐵站點名稱、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。

　　整個系統(tǒng)以winbond的動態(tài)單片機77E58為核心，77E58采用了重新設計的微處理器內(nèi)核，其指令兼容51系列，但由于時鐘周期僅為4個周期，在相同的時鐘頻率下，其運行速度一般比傳統(tǒng)8051提高2~3倍，因此很好地解決了大容量漢字動態(tài)顯示時對單片機的頻率要求，另外還自帶看門狗。77E58通過鎖存器74LS373控制閃速存儲器AT29C020，大小為256K.由于存儲器容量大于64K，因此在設計中采用了分頁尋址的方法，即用P1.1和P1.2對閃存器進行頁選，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針的排線接口上復用時不對AT29C020造成誤操作。CAN控制器為通訊的關鍵部分，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，單片機通過P3.0對CAN控制器SJA1000進行片選。18B20為單總線器件，該器件與單片機接口僅需占用一個I/O端口，可直接將溫度轉化成數(shù)字信號，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的時鐘線SCL和雙向數(shù)據(jù)線SDA分別接單片機的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。

　　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）將單片機的指令和數(shù)據(jù)傳輸?shù)?a href="http://m.gmyzd.cn">LED顯示屏顯示電路，16針排線（2）用于多個顯示屏幕的級聯(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74H595的DS端，在級聯(lián)的時候它將與下一塊顯示屏的16針排線（1）口串接（如圖1）。CLK為時鐘信號端，STR為行鎖存端，R為數(shù)據(jù)端，G（GND）、LOE為行點亮使能端，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，接受單片機傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。LED顯示屏顯示單元的工作時序如下：CLK時鐘信號端在R端收到一個數(shù)據(jù)后，由控制電路人為地給一個脈沖上升沿，STR在一行數(shù)據(jù)（16×4）64個數(shù)據(jù)全部傳送完后，給出一個脈沖上升沿以鎖存數(shù)據(jù)；LOE由單片機置1將該行點亮。顯示電路原理圖如圖3。

　　地鐵車輛根據(jù)實際情況對LED顯示屏有不同的要求，因此我們在設計電路時對此做了充分考慮，即在保證主要功能和結構不變的情況下，可以對特定模塊進行互換。該結構使得LED顯示屏控制電路具有良好的擴展性和易用性。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心的一個重要指標。我們設計的溫濕度模塊，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，且都是單總線結構，均用P1.4口控制，因此互換很方便。HIH3610是公司生產(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轉換器，片內(nèi)包含一個高分辨率的數(shù)字溫度傳感器，它可用于濕度傳感器的溫度補償。

　　系統(tǒng)軟件由上位機管理軟件和單元控制器控制軟件組成。上位機管理軟件是在Windows22000操作平臺上，利用C++BUILD6.0開發(fā)的，包括顯示方式選擇（包括靜態(tài)、閃動、滾動、打字等），滾動方向選擇（包括上下滾動和左右滾動），動態(tài)顯示速度調(diào)節(jié)（即文字閃動頻率、滾動速度、打字顯示速度等），顯示內(nèi)容輸入及顯示預覽等。系統(tǒng)運行時，系統(tǒng)不僅可按預設定顯示報站、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77E58的EEPROM中，主要完成上下位機通訊、溫度和濕度的數(shù)據(jù)采集、I/O接口控制等功能。在實際運行時，溫度測量精度達到±0.5℃，濕度測量精度達到±2%RH.

　　從硬件原理圖的設計、邏輯結構、組成框圖等幾方面介紹了地鐵LED顯示屏的設計思路，通過對現(xiàn)場總線接口模塊以及溫濕度模塊接口的設計，使得該LED顯示屏可適應不同的要求，具有良好的擴展性和通用性。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)顯示和各種動態(tài)顯示，且具有亮度高、無閃爍、邏輯控制簡單等特點，充分滿足了地鐵車輛對LED顯示屏的顯示要求。

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