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簡要淺析地鐵LED顯示屏原理的基本設計

發布時間：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的使用，我們設計了一種全新的多總線式LED顯示屏動態屏。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，只要用若干智能顯示單元，采用“搭積木”的方法即可實現，系統中各顯示單元之間采用串行聯系。控制單元除了負責控制顯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，系統中各顯示單元之間采用串行通信聯系，從而使得整個系統的工作協調統一。顯示電路由兩個16針排線口、兩個74H245三態總線驅動器、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。控制電路核心為WINBOND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總線控制器和收發器。
 
　　整個系統以winbond的動態單片機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8051提高2~3倍，因此很好地解決了大容量漢字動態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，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開發的，包括顯示方式選擇（包括靜態、閃動、滾動、打字等），滾動方向選擇（包括上下滾動和左右滾動），動態顯示速度調節（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。系統運行時，系統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顯示和各種動態顯示，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。