地鐵列車LED顯示屏的設(shè)計

摘要：根據(jù)地鐵車輛CAN智能總線通訊的要求設(shè)計了一種先進的多功能LED屏，其特點是采用多模塊化設(shè)計，可根據(jù)需要對系統(tǒng)的總線通訊模塊和測溫模塊進行更換，實現(xiàn)了對多種動態(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到61.6Hz,動態(tài)顯示的換幀頻率達到26.2Hz.文章從組成框圖、硬件設(shè)計以及邏輯控制流程等幾方面介紹了該LED的驅(qū)動電路，給出了硬件接口電路圖。驅(qū)動電路的核心部分采用單片機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LED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

LED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素撠?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。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(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(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(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。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?？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）。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。

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LED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，可以對特定模塊進行互換。該結(jié)構(gòu)使得LED控制電路具有良好的擴展性和易用性。