基于GPRS的大屏幕LED顯示系統的設計和實(shí)現
楊保亮 2012/01/10
摘要：結合GPRS技術(shù)提出了一種大型LED顯示系統設計方案，可以通過(guò)手機或者其他信息平臺向該系統發(fā)送信息控制工作，以實(shí)現遠程控制。該系統結構簡(jiǎn)單穩定，操作方便靈活，環(huán)境適應能力強，價(jià)格低廉，具有廣泛的應用前景。
LED顯示屏是上世紀80年代后期在全球迅速發(fā)展起來(lái)的新型信息傳播媒體，是集微電子技術(shù)、光電子技術(shù)、計算機技術(shù)、信息處理技術(shù)于一體的大型顯示系統。它以其色彩鮮艷、動(dòng)態(tài)范圍廣、亮度高、壽命長(cháng)、工作性能穩定而日漸成為顯示媒體中的佼佼者，廣泛應用于廣告、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(xiàn)結構的大型LED顯示屏系統的設計方法，該系統首先允許客戶(hù)在上位機對要顯示的數據和圖像進(jìn)行處理，然后用GPRS模塊發(fā)送信息，遠程分布的GPRS模塊接收遠程控制和信息的內容，經(jīng)過(guò)CPU單元處理后，通過(guò)I2C總線(xiàn)控制信息在各個(gè)終端的顯示。系統中大型LED顯示屏顯示點(diǎn)陣為320×256像素，劃分為32個(gè)顯示模塊，其中每個(gè)顯示模塊中的顯示屏為長(cháng)方形，含160×16個(gè)像素，由40個(gè)8×8的LED點(diǎn)陣塊組合而成。
1、系統總體方案
該數據顯示系統主要由上位機軟件管理模塊、GPRS的發(fā)送和接收模塊、LED顯示終端等部分組成，該系統框圖如圖所示。上位PC機功能為接收用戶(hù)輸入信息，將其通過(guò)RS-232串口發(fā)送給GPRS的發(fā)送和接收模塊進(jìn)行數據的傳輸。上位機管理模塊是用戶(hù)和該系統進(jìn)行直接交流的平臺，用戶(hù)通過(guò)PC上位機管理軟件輸入要在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(dòng)速度等。遠程的GPRS的發(fā)送和接收模塊主要的功能是將接收到上位機的信息，及時(shí)準確地傳送到希望的顯示終端，本設計主要是通過(guò)I2C總線(xiàn)傳送給各個(gè)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(gè)16×16點(diǎn)陣漢字。本系統采用I2C總線(xiàn)進(jìn)行控制單元和每個(gè)顯示終端的通信，LED點(diǎn)陣屏模塊由MSP430F169單片機控制，能接收自身地址數據并控制顯示。
圖：系統的結構框圖
2、系統硬件設計
該數據采集系統硬件包括上位機通信接口模塊、GPRS的發(fā)送和接收模塊、終端顯示模塊、終端數據處理單元。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計。
2.1 GPRS的發(fā)送和接收模塊設計
2.1.1 GPRS發(fā)送模塊
本系統選用的GSM模塊是西門(mén)子的TC35I模塊，這款無(wú)線(xiàn)模塊是一個(gè)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(shí)為3.5mA，空閑狀態(tài)時(shí)為25mA，發(fā)射狀態(tài)為300mA、2.5A峰值；可以輸出語(yǔ)音和數據信號，功耗在EGSM900和GSM1800分別為2W和1W，通過(guò)接口連接器和天線(xiàn)連接器分別連接SIM卡讀卡器和天線(xiàn)。SIM電壓為3V/1.8V，TC35I
的數據接口通過(guò)AT命令可以雙向傳輸指令和數據，可選波特率為300b/s~115kb/s，自動(dòng)波特率為1.2kb/s~115kb/s；支持TEXT和PDU格式的SMS，可通過(guò)AT命令或關(guān)斷信號實(shí)現重啟和故障修復。TC35I模塊主要由供電模塊、閃存、ZIF連接器、天線(xiàn)接口等6部分組成，作為T(mén)C35I的核心，基帶處理器主要處理GSM終端內的語(yǔ)音和數據信息，并涵蓋了蜂窩射頻設備中的所有模擬和數字功能。
2.1.2 GPRS數據接收模塊
本系統主要是應用GPRS模塊與單片機進(jìn)行數據傳輸，因此涉及的硬件主要是單片機和GPRS模塊，本文GPRS模塊選用西門(mén)子的TC35I，而單片機選擇的是TI公司一種具有超低功耗、功能強大的16bit單片機MSP430F169
。由于該模塊電源引腳有5個(gè)，且電壓都是3.3~4.8V，因此本設計將5個(gè)引腳連在一起，直接接到外部4.2V電源上。但是本系統的外部電源是12V的直流電流，所以設計時(shí)采用LM2941穩壓為4.2V.GPRS模塊上的引腳IGT主要是用于點(diǎn)火復位，其作用是作為GPRS模塊的一個(gè)復位轉換系統，加電后為使TC35I進(jìn)入工作狀態(tài)，必須給IGT加一個(gè)大于100ms的低脈沖，電平下降持續時(shí)間不可超過(guò)1ms，這里通過(guò)RC電路來(lái)實(shí)現。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(shí)的功率增長(cháng)情況，另一種是指示TC35I的工作狀態(tài)，可用AT命令AT+SYNC進(jìn)行切換，本模塊使用的是后一種。GPRS模塊和單片機之間的數據通信主要是通過(guò)端口TXD0與TXD之間、RXD0與RXD之間的數據傳輸來(lái)完成。其中，GPRS模塊上的TXD0口用于接收從單片機傳來(lái)的數據，而單片機上的TXD端口用于向GPRS模塊傳送數據。GPRS模塊上的RXD0口用于向單片機發(fā)送數據，單片機的RXD口則用于接收從GPRS模塊傳輸來(lái)的數據。在TC35I的基帶處理器上有一個(gè)綜合SIM接口，該接口直接接線(xiàn)到主機接口(端到端連接器)，用于連接到外部的SIM卡座。本系統接的SIM卡有CCCLK、CCVCC、CCIO、CCRST、CCIN、CCGND
6個(gè)引腳，分別對應接在TC35I的第1~第6個(gè)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(guò)20cm，為了達到最佳的效果，在SIM支架下敷設一層銅隔離網(wǎng)，該層敷銅與SIM卡的CCGND引腳相連。、
CCVCC和CCGND之間的兩個(gè)電容要離引腳盡量近，并且走線(xiàn)盡量阻抗低，以滿(mǎn)足規范要求。MSP430F169單片機的振蕩器的晶振為11.0592MHz，數據傳輸率設置為9600b/s，復位鍵RESET為高電平時(shí)復位。GPRS數據傳輸模塊硬件部分的電路原理圖如圖所示。
圖：GPRS數據傳輸模塊電路圖
2.2 終端顯示模塊設計
2.2.1 I2C總線(xiàn)
本系統選用的是通過(guò)I2C總線(xiàn)進(jìn)行數據處理單元和終端顯示模塊進(jìn)行通信。I2C(Inter-Integrated Circuit)總線(xiàn)是一種由PHILIPS公司開(kāi)發(fā)的兩線(xiàn)式串行總線(xiàn)，用于連接微控制器及其外圍設備。I2C總線(xiàn)是用2根雙向I/O信號線(xiàn)(串行時(shí)鐘線(xiàn)SCL和串行數據線(xiàn)SDA)把多種器件連接起來(lái)，并實(shí)現器件之間的串行通信。I2C總線(xiàn)最主要的優(yōu)點(diǎn)是其簡(jiǎn)單性和有效性。由于接口直接在組件之上，因此I2C總線(xiàn)占用的空間非常小，減少了電路板的空間和芯片管腳的數量，降低了互聯(lián)成本。MSP430F169內部集成有2個(gè)16bit定時(shí)器，1個(gè)高速12bit
A/D轉換器，12bit或8bit的雙重D/A轉換器，2個(gè)通用同步/異步通信接口和1個(gè)I2C模塊。本文即利用I2C模塊來(lái)對MSP430F169單片機進(jìn)行擴展。
2.2.2 驅動(dòng)電路
LED顯示屏驅動(dòng)電路設計根據驅動(dòng)芯片的選擇不同有著(zhù)很大差異。LED驅動(dòng)芯片可分為通用芯片和專(zhuān)用芯片兩種。通用芯片是指其芯片本身并非專(zhuān)門(mén)為L(cháng)ED而設計，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(hù)內的單色屏、雙色屏等。專(zhuān)用芯片是指按照LED發(fā)光特性而專(zhuān)門(mén)設計用于LED顯示屏的驅動(dòng)芯片。LED是電流特性器件，即在飽和導通的前提下，其亮度隨著(zhù)電流的變化而變化，而不是靠調節其兩端的電壓而變化。因此專(zhuān)用芯片一個(gè)最大的特點(diǎn)就是提供恒流源。
本系統采用行掃描方式，行選通電路由集成電路74HC154構成。74HC154是4線(xiàn)-16線(xiàn)高性能譯碼器，在點(diǎn)陣屏幕不大的情況下，一般的單片機可以直接驅動(dòng)點(diǎn)陣LED的亮滅，但是考慮擴展為大屏幕尺寸時(shí)，因單片機的I/O口不足以提供足夠的驅動(dòng)電流，但可在74HC154和點(diǎn)陣的行接口接上一個(gè)PNP型8550三極管開(kāi)關(guān)電路用來(lái)提供足夠的電流，當74HC154發(fā)出低電平時(shí)，三極管Q導通，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(lái)對列線(xiàn)進(jìn)行驅動(dòng)控制。LED點(diǎn)陣的列線(xiàn)接到74HC595的8bit并行輸出口上，由單片機控制數據的輸出，利用74HC595的鎖存輸出功能，電路共用同一個(gè)移位時(shí)鐘SCK和數據鎖存時(shí)鐘RCK，可級聯(lián)多片74HC595以構成更大LED點(diǎn)陣屏的列驅動(dòng)電路。此結構還可在75HC595的使能端通過(guò)PWM波進(jìn)行灰度調節。以一個(gè)16行×160列的LED點(diǎn)陣單元為例，本系統采用的驅動(dòng)電路原理如圖所示。
圖：LED驅動(dòng)電路示意圖
3、系統軟件設計
系統軟件設計包括上位機軟件的設計、下位機程序設計兩部分。上位機軟件完成圖像和文字的編輯，通過(guò)計算機串行接口把顯示數據傳送到GPRS的發(fā)送模塊上。GPRS發(fā)送模塊把信息及時(shí)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據進(jìn)行分割處理后通過(guò)I2C總線(xiàn)傳給各個(gè)顯示終端，并且完成顯示數據不同方式的處理。
3.1 下位機程序設計
下位機程序設計主要由兩個(gè)部分構成：(1)GPRS的發(fā)送單元的程序設計，該單元把上位機處理好的顯示信息及時(shí)準確地傳到遠程的終端控制單元；(2)終端控制單元的程序設計，該單元主要完成接收GPRS發(fā)送過(guò)來(lái)的信息然后把數據分割后傳給各個(gè)顯示終端。本文主要介紹第二部分的程序設計。
該下位機軟件設計包括主程序、顯示子程序和通信服務(wù)程序的設計。主程序主要完成中斷的初始化和串口的初始化設置。顯示程序主要完成數據的各種顯示，顯示部分采用動(dòng)態(tài)掃描的方式，實(shí)現對顯示屏要顯示的漢字、圖像、字符等數據信息進(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的數據接收、數據的分割處理、數據的發(fā)送等任務(wù)。本文采用模塊化程序設計，程序各部分的功能由各個(gè)模塊分別實(shí)現。程序模塊有：系統初始化模塊、GPRS通信模塊、數據的處理和存儲模塊、I2C通信模塊。為了保證系統工作的實(shí)時(shí)性和高效性，本系統采用了實(shí)用單片機系統MS3，MS3是一套針對MCU51的開(kāi)發(fā)平臺，借簽了VC編程的消息機制，把各個(gè)功能有效地組織起來(lái)。RTOS的系統時(shí)鐘，實(shí)現高效的按鍵掃描和快速的響應中斷，執行例行程序。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(xún)相應的代碼，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接收模塊設計程序的流程圖如圖所示。
圖：GPRS接收模塊設計程序流程圖
3.2 上位機管理軟件設計
在基于GPRS的LED的顯示系統中，上位機機管理軟件主要負責文本信息的編輯，對顯示的數據根據TEXT或PDU模式進(jìn)行編碼，然后通過(guò)GSM的發(fā)送模塊把信息發(fā)送出去。上位機軟件使用可視化編程工具VisualC++6.0開(kāi)發(fā)，首先根據LED顯示屏的大小設置上位機文字和圖像處理的尺寸，然后對輸入的數據和圖像進(jìn)行編輯，最后把提取有用的數據通過(guò)通信接口傳給下位機。在通信的過(guò)程中為了保證應用的廣泛性，PC機的控制系統中采用了Microsoft
Visual C++6.0開(kāi)發(fā)工具中非常好用的多線(xiàn)程串口編程工具CSerialPort類(lèi)，與自帶的MSComm控件相比，這個(gè)類(lèi)打包的時(shí)候不需要加入其他的文件，而且函數都是開(kāi)放透明的允許用戶(hù)改造。
4、小結
通過(guò)終端處理單元可以接收GPRS模塊發(fā)送的數據，然后將數據通過(guò)I2C總線(xiàn)傳給各個(gè)顯示終端。終端顯示采用串行移位輸出方式可以實(shí)現一組字符的各種預定模式顯示。本電路可擴展實(shí)現由30多個(gè)160×16點(diǎn)陣LED模塊組成的LED電子顯示屏顯示控制。經(jīng)實(shí)際應用表明，該電路穩定可靠，效果良好，具有一定的實(shí)用價(jià)值。但是本設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字、文字、圖形圖像，甚至視頻，這需要在數據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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