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，屏幕顯示內容單一。為了配合新型地鐵旅客信息系統的使用，我們設計了一種全新的多總線式LED顯示動態屏。
該顯示屏在外部通訊時不但具有多種總線接口，在內部控制電路設計中還採用了單總線和I2 C 總線器件。
地鐵上的LED 屏分兩種：一種放置於車廂外側，用於顯示列車運行區間、運行方向和當前到站站名，中英文兼容顯示;也可根據運行需要顯示其他服務信息;文字顯示可選靜止、滾動、平移、瀑布、動畫等多種效果，*顯示字符數為16 ×16 點陣字符12個。另一種為終點LED 顯示屏，放置於車內，終點站LED 顯示屏可按列車運營要求預置終點站，並實時顯示當前的終點站，同時還能顯示目前車內溫度，*顯示字符數為16 ×16 點陣字符8 個。
2 系統構成
LED 顯示系統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，若製作生產一定尺寸的LED 圖文顯示屏系統，只要用若干智能顯示單元，採用"搭積木"的方法即可實現，系統中各顯示單元之間採用串行通信聯繫。控制單元除了負責控制顯示單元和傳輸上位機的指令和信號外，還內嵌了單總線數字溫度傳感器18B20。得益於控制電路的模塊設計，若對溼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 構成的模塊電路。為了滿足整車的通訊需要，上位機與車內的各控制單元之間採用CAN 總線方式通訊。
圖1 系統結構圖
3 硬件設計
顯示單元由L ED 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，系統中各顯示單元之間採用串行通信聯繫，從而使得整個系統的工作協調統一。顯示電路由兩個16針排線口、兩個74H245 三態總線驅動器、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24 MHz.A T29C020A 為256 K 的ROM ,用於存貯16 ×16 點陣的漢字庫和16 ×8 點陣的ASCII 碼錶。A T24C020 是基於I2 C 串行總線的EP2ROM ,其存儲預設定的語句，例如地鐵站點名稱、問候語等。車內溫度通過單總線式數字溫度傳感器18b20 測量。SJA1000 和TJA1040 分別為CAN 總線控制器和收發器。
3. 1 控制電路單元設計
整個系統以winbond 的動態單片機77E58為核心，77E58 採用了重新設計的微處理器內核，其指令兼容51 系列，但由於時鐘週期僅為4 個週期，在相同的時鐘頻率下，其運行速度一般比傳統8051 提高2~3 倍，因此很好地解決了大容量漢字動態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.由於存儲器容量大於64 K,因此在設計中採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64 K, P1. 5 除了用於對A T29C020 片選外，還保證了P1. 1 和P1. 2 在16 針的排線接口上覆用時不對A T29C020 造成誤操作。CAN 控制器為通訊的關鍵部分，為了提高抗干擾能力，在CAN 控制器SJA1000 和CAN收發器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佔用一個I/ O 端口，可直接將溫度轉化成數字信號，並以9 位數字碼方式串行輸出，在控制電路中選用P1. 4 完成對18B20 的片選和數據傳輸功能。A T24C020 的時鐘線SCL 和雙向數據線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據傳輸到L ED 顯示電路，16 針排線(2) 用於多個顯示屏幕的級聯，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 為數據端， 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，用於控制將來自上位機數據具體送至顯示面板上的指定行，R 為數據端，接受單片機傳輸的數據。L ED 顯示單元的工作時序如下：CL K時鐘信號端在R 端收到一個數據後，由控制電路人為地給一個脈衝上升沿，STR 在一行數據(16 ×4) 64 個數據全部傳送完後，給出一個脈衝上升沿以鎖存數據;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 模塊化設計
地鐵車輛根據實際情況對L ED 顯示屏有不同的要求，因此我們在設計電路時對此做了充分考慮，即在保證主要功能和結構不變的情況下，可以對特定模塊進行互換。該結構使得L ED 控制電路具有良好的擴展性和易用性。
4. 1 溫溼度模塊
在南方炎熱和多雨地帶，儘管車內有恆溫空調，但溼度也是旅客們關心的一個重要指標。我們設計的溫溼度模塊，具有測量溫度和溼度的功能。溫度模塊和溫溼度模塊有相同的插座接口，且都是單總線結構，均用P1. 4 口控制，因此互換很方便。HIH3610 是Honeywell 公司生產的電壓輸出的三端集成溼度傳感器，DS2438 是具有單總線通訊接口的10 位A/ D 轉換器，片內包含一個高分辨率的數字溫度傳感器，它可用於溼度傳感器的溫度補償。圖4 為溫溼度模塊原理圖。
圖4 溫溼度模塊原理圖
4. 2 485 總線擴展模塊
485 總線作為一種成熟而廉價的總線在工業現場和交通領域有著不可替代的位置，為此我們設計了485 總線擴展模塊，它可替代原有的CAN模塊進行外部通訊。該模塊採用MAXIM 公司的光電隔離型的MXL1535E 作為485 收發器，為了保證控制上的兼容，MXL1535E 與SJA1000 均通過P3. 0 進行片選。另外在RS2485 側與控制器或控制邏輯側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湧干擾，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 總線擴展模塊原理圖
5 軟件設計
系統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 開發的，包括顯示方式選擇(包括靜態、閃動、滾動、打字等) ,滾動方向選擇(包括上下滾動和左右滾動) ,動態顯示速度調節(即文字閃動頻率、滾動速度、打字顯示速度等) ,顯示內容輸入及顯示預覽等。
系統運行時，系統不僅可按預設定顯示報站、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採用8051 的KEIL C 編程，固化於單片機77E58 的EEPROM 中，主要完成上下位機通訊、溫度和溼度的數據採集、I/ O 接口控制等功能。在實際運行時，溫度測量精度達到±0. 5 ℃，溼度測量精度達到±2 % RH.
6 結 論
從硬件原理圖的設計、邏輯結構、組成框圖等幾方面介紹了地鐵L ED 顯示屏的設計思路，通過對現場總線接口模塊以及溫溼度模塊接口的設計，使得該L ED 顯示屏可適應不同環境的要求，具有良好的擴展性和通用性。經過多次測試，該L ED 顯示屏已在國產地鐵新型旅客信息系統中裝車試用，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顯示和各種動態顯示，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。
閱讀更多 LED 顯示屏 的文章
