基于GPRS的大屏幕LED顯示系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)
楊保亮 2012/01/10
摘要：結(jié)合GPRS技術(shù)提出了一種大型LED顯示系統(tǒng)設(shè)計方案，可以通過手機(jī)或者其他信息平臺向該系統(tǒng)發(fā)送信息控制工作，以實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單穩(wěn)定，操作方便靈活，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，價格低廉，具有廣泛的應(yīng)用前景。
LED顯示屏是上世紀(jì)80年代后期在全球迅速發(fā)展起來的新型信息傳播媒體，是集微電子技術(shù)、光電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、信息處理技術(shù)于一體的大型顯示系統(tǒng)。它以其色彩鮮艷、動態(tài)范圍廣、亮度高、壽命長、工作性能穩(wěn)定而日漸成為顯示媒體中的佼佼者，廣泛應(yīng)用于廣告、證券、信息傳播、新聞發(fā)布等方面，是目前國際上較為先進(jìn)的宣傳顯示媒體。本文提出一種基于GPRS和I2C總線結(jié)構(gòu)的大型LED顯示屏系統(tǒng)的設(shè)計方法，該系統(tǒng)首先允許客戶在上位機(jī)對要顯示的數(shù)據(jù)和圖像進(jìn)行處理，然后用GPRS模塊發(fā)送信息，遠(yuǎn)程分布的GPRS模塊接收遠(yuǎn)程控制和信息的內(nèi)容，經(jīng)過CPU單元處理后，通過I2C總線控制信息在各個終端的顯示。系統(tǒng)中大型LED顯示屏顯示點(diǎn)陣為320×256像素，劃分為32個顯示模塊，其中每個顯示模塊中的顯示屏為長方形，含160×16個像素，由40個8×8的LED點(diǎn)陣塊組合而成。
1、系統(tǒng)總體方案
該數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)主要由上位機(jī)軟件管理模塊、GPRS的發(fā)送和接收模塊、LED顯示終端等部分組成，該系統(tǒng)框圖如圖所示。上位PC機(jī)功能為接收用戶輸入信息，將其通過RS-232串口發(fā)送給GPRS的發(fā)送和接收模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。上位機(jī)管理模塊是用戶和該系統(tǒng)進(jìn)行直接交流的平臺，用戶通過PC上位機(jī)管理軟件輸入要在LED點(diǎn)陣屏顯示的文字和命令以及各種圖像，可以選擇靜止、從下向上移、從右向左移、閃爍等顯示方式，也能改變字體和移動速度等。遠(yuǎn)程的GPRS的發(fā)送和接收模塊主要的功能是將接收到上位機(jī)的信息，及時準(zhǔn)確地傳送到希望的顯示終端，本設(shè)計主要是通過I2C總線傳送給各個顯示終端。顯示終端由多塊LED點(diǎn)陣屏模塊組成，每塊點(diǎn)陣屏模塊有16×160點(diǎn)陣，可以顯示10個16×16點(diǎn)陣漢字。本系統(tǒng)采用I2C總線進(jìn)行控制單元和每個顯示終端的通信，LED點(diǎn)陣屏模塊由MSP430F169單片機(jī)控制，能接收自身地址數(shù)據(jù)并控制顯示。
圖：系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖
2、系統(tǒng)硬件設(shè)計
該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件包括上位機(jī)通信接口模塊、GPRS的發(fā)送和接收模塊、終端顯示模塊、終端數(shù)據(jù)處理單元。下面主要介紹GPRS的發(fā)送和接收模塊和終端顯示模塊的設(shè)計。
2.1 GPRS的發(fā)送和接收模塊設(shè)計
2.1.1 GPRS發(fā)送模塊
本系統(tǒng)選用的GSM模塊是西門子的TC35I模塊，這款無線模塊是一個支持中文短信息的工業(yè)級的GSM模塊，工作在EGSM900和GSM1800雙頻段，電源范圍為直流3.3~4.8V，電源消耗：休眠狀態(tài)時為3.5mA，空閑狀態(tài)時為25mA，發(fā)射狀態(tài)為300mA、2.5A峰值；可以輸出語音和數(shù)據(jù)信號，功耗在EGSM900和GSM1800分別為2W和1W，通過接口連接器和天線連接器分別連接SIM卡讀卡器和天線。SIM電壓為3V/1.8V，TC35I
的數(shù)據(jù)接口通過AT命令可以雙向傳輸指令和數(shù)據(jù)，可選波特率為300b/s~115kb/s，自動波特率為1.2kb/s~115kb/s；支持TEXT和PDU格式的SMS，可通過AT命令或關(guān)斷信號實現(xiàn)重啟和故障修復(fù)。TC35I模塊主要由供電模塊、閃存、ZIF連接器、天線接口等6部分組成，作為TC35I的核心，基帶處理器主要處理GSM終端內(nèi)的語音和數(shù)據(jù)信息，并涵蓋了蜂窩射頻設(shè)備中的所有模擬和數(shù)字功能。
2.1.2 GPRS數(shù)據(jù)接收模塊
本系統(tǒng)主要是應(yīng)用GPRS模塊與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，因此涉及的硬件主要是單片機(jī)和GPRS模塊，本文GPRS模塊選用西門子的TC35I，而單片機(jī)選擇的是TI公司一種具有超低功耗、功能強(qiáng)大的16bit單片機(jī)MSP430F169
。由于該模塊電源引腳有5個，且電壓都是3.3~4.8V，因此本設(shè)計將5個引腳連在一起，直接接到外部4.2V電源上。但是本系統(tǒng)的外部電源是12V的直流電流，所以設(shè)計時采用LM2941穩(wěn)壓為4.2V.GPRS模塊上的引腳IGT主要是用于點(diǎn)火復(fù)位，其作用是作為GPRS模塊的一個復(fù)位轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，加電后為使TC35I進(jìn)入工作狀態(tài)，必須給IGT加一個大于100ms的低脈沖，電平下降持續(xù)時間不可超過1ms，這里通過RC電路來實現(xiàn)。TC35I的第32腳SYNC引腳有兩種工作模式，一種是指示發(fā)射狀態(tài)時的功率增長情況，另一種是指示TC35I的工作狀態(tài)，可用AT命令A(yù)T+SYNC進(jìn)行切換，本模塊使用的是后一種。GPRS模塊和單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信主要是通過端口TXD0與TXD之間、RXD0與RXD之間的數(shù)據(jù)傳輸來完成。其中，GPRS模塊上的TXD0口用于接收從單片機(jī)傳來的數(shù)據(jù)，而單片機(jī)上的TXD端口用于向GPRS模塊傳送數(shù)據(jù)。GPRS模塊上的RXD0口用于向單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，單片機(jī)的RXD口則用于接收從GPRS模塊傳輸來的數(shù)據(jù)。在TC35I的基帶處理器上有一個綜合SIM接口，該接口直接接線到主機(jī)接口(端到端連接器)，用于連接到外部的SIM卡座。本系統(tǒng)接的SIM卡有CCCLK、CCVCC、CCIO、CCRST、CCIN、CCGND
6個引腳，分別對應(yīng)接在TC35I的第1~第6個引腳上。模塊的連接器和SIM卡座的引腳之間的距離不要超過20cm，為了達(dá)到最佳的效果，在SIM支架下敷設(shè)一層銅隔離網(wǎng)，該層敷銅與SIM卡的CCGND引腳相連。、
CCVCC和CCGND之間的兩個電容要離引腳盡量近，并且走線盡量阻抗低，以滿足規(guī)范要求。MSP430F169單片機(jī)的振蕩器的晶振為11.0592MHz，數(shù)據(jù)傳輸率設(shè)置為9600b/s，復(fù)位鍵RESET為高電平時復(fù)位。GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊硬件部分的電路原理圖如圖所示。
圖：GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊電路圖
2.2 終端顯示模塊設(shè)計
2.2.1 I2C總線
本系統(tǒng)選用的是通過I2C總線進(jìn)行數(shù)據(jù)處理單元和終端顯示模塊進(jìn)行通信。I2C(Inter-Integrated Circuit)總線是一種由PHILIPS公司開發(fā)的兩線式串行總線，用于連接微控制器及其外圍設(shè)備。I2C總線是用2根雙向I/O信號線(串行時鐘線SCL和串行數(shù)據(jù)線SDA)把多種器件連接起來，并實現(xiàn)器件之間的串行通信。I2C總線最主要的優(yōu)點(diǎn)是其簡單性和有效性。由于接口直接在組件之上，因此I2C總線占用的空間非常小，減少了電路板的空間和芯片管腳的數(shù)量，降低了互聯(lián)成本。MSP430F169內(nèi)部集成有2個16bit定時器，1個高速12bit
A/D轉(zhuǎn)換器，12bit或8bit的雙重D/A轉(zhuǎn)換器，2個通用同步/異步通信接口和1個I2C模塊。本文即利用I2C模塊來對MSP430F169單片機(jī)進(jìn)行擴(kuò)展。
2.2.2 驅(qū)動電路
LED顯示屏驅(qū)動電路設(shè)計根據(jù)驅(qū)動芯片的選擇不同有著很大差異。LED驅(qū)動芯片可分為通用芯片和專用芯片兩種。通用芯片是指其芯片本身并非專門為LED而設(shè)計，而是一些符合LED顯示屏邏輯功能需求的芯片(如串、并移位寄存器)。通用芯片一般用于LED顯示屏的低檔產(chǎn)品，如戶內(nèi)的單色屏、雙色屏等。專用芯片是指按照LED發(fā)光特性而專門設(shè)計用于LED顯示屏的驅(qū)動芯片。LED是電流特性器件，即在飽和導(dǎo)通的前提下，其亮度隨著電流的變化而變化，而不是靠調(diào)節(jié)其兩端的電壓而變化。因此專用芯片一個最大的特點(diǎn)就是提供恒流源。
本系統(tǒng)采用行掃描方式，行選通電路由集成電路74HC154構(gòu)成。74HC154是4線-16線高性能譯碼器，在點(diǎn)陣屏幕不大的情況下，一般的單片機(jī)可以直接驅(qū)動點(diǎn)陣LED的亮滅，但是考慮擴(kuò)展為大屏幕尺寸時，因單片機(jī)的I/O口不足以提供足夠的驅(qū)動電流，但可在74HC154和點(diǎn)陣的行接口接上一個PNP型8550三極管開關(guān)電路用來提供足夠的電流，當(dāng)74HC154發(fā)出低電平時，三極管Q導(dǎo)通，輸出高電平。此外，可用帶有2級鎖存移位輸出功能的74HC595鎖存器來對列線進(jìn)行驅(qū)動控制。LED點(diǎn)陣的列線接到74HC595的8bit并行輸出口上，由單片機(jī)控制數(shù)據(jù)的輸出，利用74HC595的鎖存輸出功能，電路共用同一個移位時鐘SCK和數(shù)據(jù)鎖存時鐘RCK，可級聯(lián)多片74HC595以構(gòu)成更大LED點(diǎn)陣屏的列驅(qū)動電路。此結(jié)構(gòu)還可在75HC595的使能端通過PWM波進(jìn)行灰度調(diào)節(jié)。以一個16行×160列的LED點(diǎn)陣單元為例，本系統(tǒng)采用的驅(qū)動電路原理如圖所示。
圖：LED驅(qū)動電路示意圖
3、系統(tǒng)軟件設(shè)計
系統(tǒng)軟件設(shè)計包括上位機(jī)軟件的設(shè)計、下位機(jī)程序設(shè)計兩部分。上位機(jī)軟件完成圖像和文字的編輯，通過計算機(jī)串行接口把顯示數(shù)據(jù)傳送到GPRS的發(fā)送模塊上。GPRS發(fā)送模塊把信息及時地傳到終端顯示控制卡的GPRS的接收部分，然后終端的CPU控制單元把接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行分割處理后通過I2C總線傳給各個顯示終端，并且完成顯示數(shù)據(jù)不同方式的處理。
3.1 下位機(jī)程序設(shè)計
下位機(jī)程序設(shè)計主要由兩個部分構(gòu)成：(1)GPRS的發(fā)送單元的程序設(shè)計，該單元把上位機(jī)處理好的顯示信息及時準(zhǔn)確地傳到遠(yuǎn)程的終端控制單元；(2)終端控制單元的程序設(shè)計，該單元主要完成接收GPRS發(fā)送過來的信息然后把數(shù)據(jù)分割后傳給各個顯示終端。本文主要介紹第二部分的程序設(shè)計。
該下位機(jī)軟件設(shè)計包括主程序、顯示子程序和通信服務(wù)程序的設(shè)計。主程序主要完成中斷的初始化和串口的初始化設(shè)置。顯示程序主要完成數(shù)據(jù)的各種顯示，顯示部分采用動態(tài)掃描的方式，實現(xiàn)對顯示屏要顯示的漢字、圖像、字符等數(shù)據(jù)信息進(jìn)行傳輸控制以及顯示等功能。通信服務(wù)程序主要完成GPRS的數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)的分割處理、數(shù)據(jù)的發(fā)送等任務(wù)。本文采用模塊化程序設(shè)計，程序各部分的功能由各個模塊分別實現(xiàn)。程序模塊有：系統(tǒng)初始化模塊、GPRS通信模塊、數(shù)據(jù)的處理和存儲模塊、I2C通信模塊。為了保證系統(tǒng)工作的實時性和高效性，本系統(tǒng)采用了實用單片機(jī)系統(tǒng)MS3，MS3是一套針對MCU51的開發(fā)平臺，借簽了VC編程的消息機(jī)制，把各個功能有效地組織起來。RTOS的系統(tǒng)時鐘，實現(xiàn)高效的按鍵掃描和快速的響應(yīng)中斷，執(zhí)行例行程序。顯示終端主程序如圖所示。
圖：顯示終端主程序流程圖
GPRS通信模塊主要的功能是接收到GPRS發(fā)送模塊的信息，然后從外面的Flash中查詢相應(yīng)的代碼，然后在顯示終端顯示信息，顯示屏可按不同顯示方式進(jìn)行漢字或表格顯示。GPRS接收模塊設(shè)計程序的流程圖如圖所示。
圖：GPRS接收模塊設(shè)計程序流程圖
3.2 上位機(jī)管理軟件設(shè)計
在基于GPRS的LED的顯示系統(tǒng)中，上位機(jī)機(jī)管理軟件主要負(fù)責(zé)文本信息的編輯，對顯示的數(shù)據(jù)根據(jù)TEXT或PDU模式進(jìn)行編碼，然后通過GSM的發(fā)送模塊把信息發(fā)送出去。上位機(jī)軟件使用可視化編程工具VisualC++6.0開發(fā)，首先根據(jù)LED顯示屏的大小設(shè)置上位機(jī)文字和圖像處理的尺寸，然后對輸入的數(shù)據(jù)和圖像進(jìn)行編輯，最后把提取有用的數(shù)據(jù)通過通信接口傳給下位機(jī)。在通信的過程中為了保證應(yīng)用的廣泛性，PC機(jī)的控制系統(tǒng)中采用了Microsoft
Visual C++6.0開發(fā)工具中非常好用的多線程串口編程工具CSerialPort類，與自帶的MSComm控件相比，這個類打包的時候不需要加入其他的文件，而且函數(shù)都是開放透明的允許用戶改造。
4、小結(jié)
通過終端處理單元可以接收GPRS模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)通過I2C總線傳給各個顯示終端。終端顯示采用串行移位輸出方式可以實現(xiàn)一組字符的各種預(yù)定模式顯示。本電路可擴(kuò)展實現(xiàn)由30多個160×16點(diǎn)陣LED模塊組成的LED電子顯示屏顯示控制。經(jīng)實際應(yīng)用表明，該電路穩(wěn)定可靠，效果良好，具有一定的實用價值。但是本設(shè)計所用的控制卡只能控制顯示屏的單色顯示，如果能顯示雙色，甚至三色那就更方便了。如何使LED顯示屏可以顯示變化的數(shù)字、文字、圖形圖像，甚至視頻，這需要在數(shù)據(jù)的存儲和處理算法方面進(jìn)一步研究。
C114中國通信網(wǎng)
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