移動數(shù)據(jù)的LED顯示屏構(gòu)成原理與仿真技術(shù)
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基于移動數(shù)據(jù)的LED顯示屏使用目前覆蓋范圍最廣、最穩(wěn)定的GSM/GPRS/CDMA/小靈通網(wǎng)絡(luò)，在任何有移動網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地方都可實(shí)時(shí)方便地通過短消息方式更新LED顯示屏的內(nèi)容，有效解決了LED顯示屏數(shù)據(jù)更新麻煩、無法監(jiān)控的困難，減輕了管理部門的工作負(fù)擔(dān)。隨著移動通信技術(shù)的發(fā)展及LED顯示屏幕應(yīng)用范圍的進(jìn)一步推廣，此種基于移動數(shù)據(jù)的LED顯示屏幕具有較大應(yīng)用價(jià)值。
LED電子顯示屏幕作為一種信息顯示設(shè)備，主要用于播放廣告、新聞、通知、天氣預(yù)報(bào)、時(shí)間、股票信息、航班信息、售票信息等，在站牌、交通路口、公交車、售票大廳、營業(yè)大廳、等候大廳、證券公司、機(jī)場、體育、氣象、交通控制等場所得到了越來越多的應(yīng)用，具有廣闊的應(yīng)用前景。
但是，傳統(tǒng)的LED顯示屏使用有線通信方式傳輸數(shù)據(jù)，受到地域和布線的嚴(yán)重限制。如果有大量的LED顯示屏同時(shí)工作，為LED顯示屏傳輸更新的數(shù)據(jù)就成為很麻煩的事，并且在沒有其他附加控制設(shè)備的情況下，LED顯示屏的管理部門也無法監(jiān)控LED顯示屏的實(shí)際運(yùn)行情況。
1 系統(tǒng)構(gòu)成及原理
此種基于移動數(shù)據(jù)的LED顯示屏幕系統(tǒng)由GSM無線收發(fā)模塊、MCU(單片機(jī))、LED驅(qū)動電路、LED顯示屏幕四部分組成。原理框圖如圖1所示。
系統(tǒng)的控制中心為MCU(單片機(jī))，本設(shè)計(jì)使用ATMEL公司的AT89C51芯片，它通過串口控制GSM無線模塊收發(fā)移動數(shù)據(jù)，并控制LED驅(qū)動電路及顯示屏幕將需要顯示的內(nèi)容用適當(dāng)?shù)姆绞斤@示出來。GSM無線收發(fā)模塊使用西門子公司的TC35I，配一張市面上常見的普通SIM卡，負(fù)責(zé)接收合法用戶通過移動網(wǎng)絡(luò)發(fā)過來的顯示內(nèi)容，并將LED顯示屏的狀態(tài)數(shù)據(jù)通過移動網(wǎng)絡(luò)回傳給用戶。LED驅(qū)動電路及顯示屏幕與傳統(tǒng)方式基本相同[1，2]，采用具有“16 PIN 08接口”的LED單元板，可拼接成需要的屏幕尺寸。
使用時(shí)，用戶只需將希望在LED屏幕上顯示的內(nèi)容在手機(jī)或電腦上按短信格式編輯好，然后像普通短信一樣發(fā)送給插在TC35I模塊中的SIM卡所對應(yīng)的號碼。帶SIM卡的TC35I模塊接收到發(fā)來的短信后，首先檢查短信的發(fā)送者是否為合法用戶。若不是合法用戶，TC35I丟棄該短信；若是合法用戶，則取出要顯示的內(nèi)容，并按要求的方式控制LED屏幕將信息顯示出來。同時(shí)，TC35I可將LED屏幕的狀態(tài)數(shù)據(jù)以短信格式發(fā)送給合法用戶。如此，利用移動通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了顯示內(nèi)容及狀態(tài)數(shù)據(jù)的雙向?qū)崟r(shí)傳輸。
考慮到簡便性，本文以一塊32×64點(diǎn)陣的LED單元板顯示16×16點(diǎn)陣的漢字為例說明系統(tǒng)原理。至于更大尺寸的LED屏幕，只要將類似的多塊LED單元板通過“16 PIN 08接口”依次級聯(lián)即可。
2 硬件實(shí)現(xiàn)
2.1 TC35I模塊與單片機(jī)的硬件接口電路
本系統(tǒng)中移動數(shù)據(jù)的收發(fā)都依靠TC35I模塊進(jìn)行。TC35I模塊集射頻電路和基帶處理于一體，可工作在GSM 900 MHz和DCS 1 800 MHz兩個(gè)頻段，使用RS232串口與MCU(單片機(jī))連接，其RS232數(shù)據(jù)接口符合GSM07.05和GSM07.07規(guī)范，使用標(biāo)準(zhǔn)的AT命令集。模塊通過50 Ω的天線連接器連接天線，還通過40引腳的ZIF連接器實(shí)現(xiàn)電源和SIM卡支架的連接，以及指令、數(shù)據(jù)、語音信號及控制信號的雙向傳輸[3]。
圖2顯示了單片機(jī)和TC35I接口的關(guān)鍵部分。
需要注意，系統(tǒng)加電后，為使TC35I進(jìn)入工作狀態(tài)，必須給IGT引腳加一延時(shí)大于100 ms的低脈沖，并且電平下降持續(xù)時(shí)間不可超過1 ms。啟動后，IGT應(yīng)保持高電平(3.3 V)。驅(qū)動IGT時(shí)，TC35I供電電壓不能低于3.3 V，否則TC35I不能激活。另外，ZIF連接座的SIMPRES引腳用來檢測SIM卡是否插好，如果連接正確，則SIMPRES引腳輸出高電平，否則為低電平。
2.2 單片機(jī)及LED顯示驅(qū)動電路
由于通過移動網(wǎng)絡(luò)短消息得到的只是漢字的內(nèi)碼，而LED屏幕顯示需要漢字的點(diǎn)陣信息，所以在本系統(tǒng)中必須存放GB2312漢字點(diǎn)陣字庫，再加上LED屏幕顯示時(shí)需要存放大量的顯示數(shù)據(jù)，所以在單片機(jī)AT89C51的外圍擴(kuò)展了64 KB的RAM（62256）和512 KB的Flash 存儲器(29F040)。其中29F040存放點(diǎn)陣字庫(HZK16、ASC16)和Unicode轉(zhuǎn)GB2312碼表，62256做顯示緩存。單片機(jī)收到短消息后先把待顯示信息轉(zhuǎn)換成GB2312碼，顯示時(shí)再從29F040中讀出對應(yīng)點(diǎn)陣信息存儲在62256中。
單片機(jī)P1口用于控制LED屏幕的顯示，其中P1.0～P1.3腳分別輸出4位行選信號A、B、C、D，ABCD從0000變到1111，逐行掃描1～16行點(diǎn)，將顯示數(shù)據(jù)依次顯示出來；P1.4腳輸出移位時(shí)鐘信號SHCLK，使得顯示數(shù)據(jù)可以依次進(jìn)入LED單元板；P1.5腳輸出鎖存信號STB，使得顯示數(shù)據(jù)可以穩(wěn)定輸出；P1.6腳輸出LED單元板的上16行的顯示數(shù)據(jù)R1，P1.7腳輸出LED單元板的下16行的顯示數(shù)據(jù)R2。
32×64點(diǎn)陣的LED單元板用于顯示16點(diǎn)陣的漢字時(shí)，可以顯示２行，每行4個(gè)漢字。其組成電路如圖3。行驅(qū)動電路使用了2片74HC138芯片，上、下16行的列驅(qū)動電路都使用了8片74HC595芯片。具體顯示時(shí)采用動態(tài)掃描方式，單片機(jī)輸出的4位行選信號A、B、C、D經(jīng)2片74HCl38譯碼后逐行掃描LED單元板的1～16行和17～32行；上16行的顯示數(shù)據(jù)R1及下16行的顯示數(shù)據(jù)R2在同一移位時(shí)鐘信號SHCLK的作用下分別依次打入各自的74HC595，最后在共同鎖存信號STB的作用下穩(wěn)定輸出在74HC595的并行輸出端。
在實(shí)際制作LED單元板時(shí)，往往在74HCl38芯片輸出的行掃描線上再加上4953芯片以增加驅(qū)動能力。
3 程序設(shè)計(jì)
3.1 短消息收發(fā)控制
單片機(jī)通過AT命令控制TC35I模塊進(jìn)行初始化和短消息的收發(fā)，對短消息的控制共有3種模式：Block模式、PDU模式和Text模式。Text模式不支持中文，而使用Block模式需要手機(jī)生產(chǎn)廠家提供驅(qū)動支持，本系統(tǒng)使用PDU模式進(jìn)行短消息接收和發(fā)送。
系統(tǒng)上電以后首先對TC35I進(jìn)行初始化，內(nèi)容主要包括：
(1)設(shè)置短消息中心號碼AT+CSCA=“+8613800250500”
(3)設(shè)置短消息存放的位置AT+CPMS=“SM” (4)設(shè)置短信到達(dá)通知AT+CNMI=1，1，0，0，1 系統(tǒng)操作過程中，單片機(jī)通過AT命令控制TC35I模塊接收或發(fā)送短消息。命令格式如下： (1)讀取短消息指令A(yù)T+CMGR=INDEX (2)發(fā)送短消息指令A(yù)T+CMGS=＜length＞＜CR＞。 (3)刪除短消息指令A(yù)T+CMGD=INDEX (4)SIM卡狀態(tài)查詢命令A(yù)T^SCKS。 接收和發(fā)送的短消息均以PDU串的數(shù)據(jù)形式被單片機(jī)處理，PDU串由數(shù)字“0”～“9”和字母“A”～“F”組成，是十六進(jìn)制數(shù)或者BCD碼十進(jìn)制數(shù)。PDU串不僅包含可顯示的消息本身，還包含很多其他信息，如SMS服務(wù)中心號碼、目標(biāo)號碼、回復(fù)號碼、編碼方式和服務(wù)時(shí)間等。發(fā)送和接收的PDU串結(jié)構(gòu)不完全相同。下面用2個(gè)實(shí)例說明PDU串的結(jié)構(gòu)和編排方式。 例1：接收。SMSC號碼是+8613800- 250500，對方號碼是13851872468，消息內(nèi)容是“你好!”。單片機(jī)從TC35模塊讀取到的PDU串是——08 91 68 31 08 20 05 05 F0 84 0D 91 68 31 58 81 27 64 F8 00 08 30 30 21 80 63 54 80 0*F 60 59 7D 00 21。 例2：發(fā)送。SMSC號碼是+8613800- 250500，對方號碼是13851872468，消息內(nèi)容是“你好!”。單片機(jī)向TC35模塊發(fā)出的PDU串是——08 91 68 31 08 20 05 05 F0 11 00 0D 91 68 31 58 81 27 64 F8 00 08 00 0*F 60 59 7D 00 21。 3.2 LED顯示控制程序 LED的動態(tài)掃描功能通過使用單片機(jī)的定時(shí)器0中斷實(shí)現(xiàn)。定時(shí)器0計(jì)數(shù)初值的設(shè)定滿足每秒中斷1 000次以上，每次中斷掃描顯示一行，這樣每行在每秒鐘內(nèi)至少被掃描60次以上。根據(jù)人眼的視覺暫留效應(yīng)，達(dá)到了較理想的顯示效果。 定時(shí)器0中斷服務(wù)程序： void int0(void) interrupt 1 { TR0=0； //關(guān)定時(shí)器T1 TL0=0x80； //設(shè)置初值的低8位 TH0=0xff； //設(shè)置初值的高8位 TR0=1； //開定時(shí)器T1 if(i16) //i為掃描的行號，取值0～15， //依次掃描1～16行 { P1_5=0； //關(guān)HC595鎖存 while(z8) //z為上下各8片HC595按 //從左到右的編號，取值0～7。 //每片HC595都經(jīng)8次循環(huán)， //實(shí)現(xiàn)8位數(shù)據(jù)的串/并轉(zhuǎn)換 { a=disp[i*2+k]；//取上16行的8位顯示數(shù)據(jù)a b=disp[i*2+k+128]； //取下16行的8位 //顯示數(shù)據(jù)b if(z%2!=0) k+=32-1； else k++； while(j8) //循環(huán)8次，將a通過P1.6 //腳依次移入上面的HC595， //將b通過P1.7腳依次 //移入下面的HC595 { P1_4=0； //將P1.4口線拉低， //產(chǎn)生移位脈沖SHCLK if((aau)>0) //假串口P1.6，輸出上16行 //的顯示數(shù)據(jù)a P1_6=1； else P1_6=0； if((bau)>0) //假串口P1.7，輸出下16行 //的顯示數(shù)據(jù)b P1_7=1； else P1_7=0; P1_4=1； //將P1.4口線置高，產(chǎn)生移位 //脈沖SHCLK au=au1； j++； } j=0； au=0x01； z++； } k=0； z=0； } P1=(P10xf0)|i； //通過P1.0～P1.3產(chǎn)生4位 //行掃描信號ABCD P1_5=1； //開595鎖存 i++； if(i==16) i=0; } 4 PROTEUS仿真實(shí)現(xiàn) 本設(shè)計(jì)結(jié)合使用Keil μVision2和Proteus軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)和硬件仿真調(diào)試。 Proteus軟件可以仿真包括51系列在內(nèi)的多種常用單片機(jī)及其外圍電路(如LCD、RAM、ROM、鍵盤、馬達(dá)、LED等)，是目前最好的模擬單片機(jī)外圍器件的工具。仿真時(shí)只需在Proteus軟件中畫好單片機(jī)的外圍控制及LED顯示驅(qū)動電路，然后在單片機(jī)芯片的屬性中設(shè)置好晶振頻率，將用Keil C51編寫的源程序生成的.HEX文件保存到芯片中，就可以仿真調(diào)試了[4，5]。仿真過程中如有硬件問題可在Proteus ISIS中直接修改，如有軟件問題可在Keil μVision2中直接修改。通過Keil與Proteus的聯(lián)合調(diào)試就可以得到滿意的結(jié)果，避免了一開始就直接制作實(shí)物，從而縮短了系統(tǒng)的開發(fā)周期，降低了開發(fā)調(diào)試成本。 在Proteus軟件中沒有GSM模塊TC35I，但可以利用Proteus提供的串口仿真功能來實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與TC35I模塊通信的仿真調(diào)試。具體電路如圖3所示。單片機(jī)的串口(P3.0、P3.1腳)通過串行接口器件COMPIM連接TC35I模塊（圖中未畫出TC35I模塊）。首先在仿真主機(jī)上利用虛擬串口軟件VSPDXP(Virtual Serial Port Driver XP)設(shè)置出2個(gè)相互連接的虛擬串口COM3和COM4，再啟動 “串口調(diào)試助手”軟件，將其中的串口設(shè)置為COM4，波特率選擇為4 800 b/s，然后將Proteus仿真電路中的COMPIM器件的串口設(shè)置為COM3，波特率也選擇為4 800 b/s。必須注意COM3和COM4中波特率的設(shè)置值與單片機(jī)軟件中的波特率設(shè)置值要相同，在此都設(shè)定為4 800 b/s，最后運(yùn)行Proteus仿真，此時(shí)就可以通過“串口調(diào)試助手”軟件模擬TC35I輸出的數(shù)據(jù)格式向單片機(jī)發(fā)出數(shù)據(jù)了。例如，正常情況下如果從“串口調(diào)試助手”發(fā)送16進(jìn)制數(shù)據(jù)串“08 91 68 31 08 20 05 05 F0 84 0D 91 68 31 58 81 27 64 F8 00 08 30 30 21 80 63 54 80 0*F 60 59 7D 00 21”，仿真電路中的LED屏幕將顯示“你好！”。而單片機(jī)發(fā)給TC35I模塊的AT命令串將在“串口調(diào)試助手”的接收窗口里實(shí)時(shí)顯示出來。如果不正確，則可以借助Proteus軟件中的虛擬串口終端等虛擬儀器和圖表進(jìn)行代碼級跟蹤調(diào)試。 將仿真成功的電路稍加修改后，制作出電路實(shí)物，將程序固化到實(shí)物的單片機(jī)芯片中，得到的實(shí)物運(yùn)行結(jié)果與Proteus的仿真結(jié)果完全一致。 基于移動數(shù)據(jù)的LED顯示屏，使用移動通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)更新LED顯示屏的內(nèi)容，避免了原有系統(tǒng)鋪設(shè)線路或建造專用無線收發(fā)裝置的麻煩，有效降低了系統(tǒng)成本，對遠(yuǎn)離辦公場所、特別是室外LED顯示屏幕的設(shè)計(jì)提供了一種新思路。同時(shí)，在開發(fā)此系統(tǒng)過程中，充分利用嵌入式系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)仿真平臺Proteus軟件的強(qiáng)大功能，進(jìn)行系統(tǒng)虛擬開發(fā)，成功后再進(jìn)行實(shí)際制作，大大提高了開發(fā)效率，降低了開發(fā)成本，對單片機(jī)及嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)具有實(shí)用意義。
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