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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,最大顯示字符數為16×16點陣字符12個。另一種為終點LED顯示屏,放置于車內,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溫度,最大顯示字符數為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,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,還內嵌了單總線數字溫度傳感器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。車內溫度通過單總線式數字溫度傳感器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字信號,并以9位數字碼方式串行輸出,在控制電路中選用P1.4完成對18B20的片選和數據傳輸功能。AT24C020的時鐘線SCL和雙向數據線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據傳輸到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為數據端,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據具體送至顯示面板上的指定行,R為數據端,接受單片機傳輸的數據。LED顯示屏顯示單元的工作時序如下:CLK時鐘信號端在R端收到一個數據后,由控制電路人為地給一個脈沖上升沿,STR在一行數據(16×4)64個數據全部傳送完后,給出一個脈沖上升沿以鎖存數據;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,盡管車內有恒溫空調,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,片內包含一個高分辨率的數字溫度傳感器,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)顯示速度調節(jié)(即文字閃動頻率、滾動速度、打字顯示速度等),顯示內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、溫度和濕度的數據采集、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。經過多次測試,該LED顯示屏已在國產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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