采用多模塊化的地鐵列車多功能LED顯示屏的設(shè)計

1 引 言

L ED 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(shè)計了一種全新的多總線式L ED 顯示動態(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(shè)計中還采用了單總線和I2 C 總線器件。

地鐵上的LED 屏分兩種：一種放置于車廂外側(cè)，用于顯示列車運行區(qū)間、運行方向和當(dāng)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(wù)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(yù)置終點站，并實時顯示當(dāng)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。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

L ED 顯示系統(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L ED 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通信聯(lián)系。控制單元除了負(fù)責(zé)控制顯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(shè)計，若對濕度測量也有要求的情況下，18B20 可升級為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

顯示單元由L ED 顯示面板和顯示電路兩部分組成，L ED 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(qū)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24 MHz.A T29C020A 為256 K 的ROM ,用于存貯16 ×16 點陣的漢字庫和16 ×8 點陣的ASCII 碼表。A T24C020 是基于I2 C 串行總線的EP2ROM ,其存儲預(yù)設(shè)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。

3. 1 控制電路單元設(shè)計

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(shè)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74L S373 控制閃速存儲器A T29C020 ,大小為256 K.由于存儲器容量大于64 K,因此在設(shè)計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64 K, P1. 5 除了用于對A T29C020 片選外，還保證了P1. 1 和P1. 2 在16 針的排線接口上復(fù)用時不對A T29C020 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，該器件與單片機接口僅需占用一個I/ O 端口，可直接將溫度轉(zhuǎn)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。A T24C020 的時鐘線SCL 和雙向數(shù)據(jù)線SDA 分別接單片機的P1. 6 和P 1. 7 .16 針的排線接口是控制電路和顯示電路的接口部分。控制電路的硬件連接圖如圖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）。CL K 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)。L ED 顯示單元的工作時序如下：CL K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。

圖3 顯示電路原理圖

4 模塊化設(shè)計

地鐵車輛根據(jù)實際情況對L ED 顯示屏有不同的要求，因此我們在設(shè)計電路時對此做了充分考慮，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L ED 控制電路具有良好的擴(kuò)展性和易用性。

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)心的一個重要指標(biāo)。我們設(shè)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(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。圖4 為溫濕度模塊原理圖。

圖4 溫濕度模塊原理圖

4. 2 485 總線擴(kuò)展模塊

485 總線作為一種成熟而廉價的總線在工業(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5 485 總線擴(kuò)展模塊原理圖

5 軟件設(shè)計

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(yù)覽等。

系統(tǒng)運行時，系統(tǒng)不僅可按預(yù)設(shè)定顯示報站、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KEIL C 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(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、邏輯結(jié)構(gòu)、組成框圖等幾方面介紹了地鐵L ED 顯示屏的設(shè)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(shè)計，使得該L ED 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L ED 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L ED 屏的顯示要求。