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(jì)方案,， 可以通過手機(jī)或者其他信息平臺(tái)向該系統(tǒng)發(fā)送信息控制工作，以實(shí)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(jià)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(jì)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(dòng)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(jì)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(gè)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(gè)顯示模塊， 其中每個(gè)顯示模塊中的顯示屏為長方形,， 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(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1 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(tái)， 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(dòng)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(shí)準(zhǔn)確地傳送到希望的顯示終端,， 本設(shè)計(jì)主要是通過I2C 總線傳送給各個(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(tǒng)采用I2C 總線進(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(jī)控制,， 能接收自身地址數(shù)據(jù)并控制顯示。

　　圖1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　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(jì),。

　　2.1 GPRS 的發(fā)送和接收模塊設(shè)計(jì)

　　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(gè)支持中文短信息的工業(yè)級(jí)的GSM 模塊,， 工作在EGSM900 和GSM1800 雙頻段,， 電源范圍為直流3.3~4.8 V， 電源消耗： 休眠狀態(tài)時(shí)為3.5 mA,， 空閑狀態(tài)時(shí)為25 mA,， 發(fā)射狀態(tài)為300 mA、2.5A 峰值,； 可以輸出語音和數(shù)據(jù)信號(hào),， 功耗在EGSM900 和GSM1800 分別為2 W 和1 W， 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3 V/1.8 V,，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300 b/s~115 kb/s，自動(dòng)波特率為1.2 kb/s~115 kb/s ;支持TEXT 和PDU 格式的SMS ,， 可通過AT 命令或關(guān)斷信號(hào)實(shí)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16 bit 單片機(jī)MSP430F169 ,。由于該模塊電源引腳有5 個(gè)， 且電壓都是3.3~4.8 V,， 因此本設(shè)計(jì)將5 個(gè)引腳連在一起,， 直接接到外部4.2 V 電源上。但是本系統(tǒng)的外部電源是12 V 的直流電流,， 所以設(shè)計(jì)時(shí)采用LM2941 穩(wěn)壓為4.2 V.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(gè)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(gè)大于100 ms 的低脈沖，電平下降持續(xù)時(shí)間不可超過1 ms ,， 這里通過RC 電路來實(shí)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(shí)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(gè)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(gè)引腳,， 分別對應(yīng)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20 cm， 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(gè)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11.059 2 MHz ,， 數(shù)據(jù)傳輸率設(shè)置為9 600 b/s ,， 復(fù)位鍵RESET 為高電平時(shí)復(fù)位。GPRS 數(shù)據(jù)傳輸模塊硬件部分的電路原理圖如圖2 所示,。

　　圖2 GPRS 數(shù)據(jù)傳輸模塊電路圖,。

　　2.2 終端顯示模塊設(shè)計(jì)

　　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(hào)線（串行時(shí)鐘線SCL 和串行數(shù)據(jù)線SDA） 把多種器件連接起來， 并實(shí)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(gè)16 bit 定時(shí)器,，1 個(gè)高速12 bit A/D 轉(zhuǎn)換器,，12 bit 或8 bit 的雙重D/A 轉(zhuǎn)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 模塊來對MSP430F169 單片機(jī)進(jìn)行擴(kuò)展,。

　　2.2.2 驅(qū)動(dòng)電路

　　LED 顯示屏驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)根據(jù)驅(qū)動(dòng)芯片的選擇不同有著很大差異。LED 驅(qū)動(dòng)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(jì),， 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(jì)用于LED 顯示屏的驅(qū)動(dòng)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(gè)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(dòng)點(diǎn)陣LED 的亮滅,， 但是考慮擴(kuò)展為大屏幕尺寸時(shí)， 因單片機(jī)的I/O 口不足以提供足夠的驅(qū)動(dòng)電流,， 但可在74HC154 和點(diǎn)陣的行接口接上一個(gè)PNP 型8550 三極管開關(guān)電路用來提供足夠的電流,， 當(dāng)74HC154 發(fā)出低電平時(shí)， 三極管Q 導(dǎo)通,， 輸出高電平,。此外， 可用帶有2 級(jí)鎖存移位輸出功能的74HC595 鎖存器來對列線進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制,。LED 點(diǎn)陣的列線接到74HC595 的8 bit 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(gè)移位時(shí)鐘SCK 和數(shù)據(jù)鎖存時(shí)鐘RCK， 可級(jí)聯(lián)多片74HC595 以構(gòu)成更大LED 點(diǎn)陣屏的列驅(qū)動(dòng)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(gè)16 行×160 列的LED 點(diǎn)陣單元為例， 本系統(tǒng)采用的驅(qū)動(dòng)電路原理如圖3 所示,。

　　圖3 LED 驅(qū)動(dòng)電路示意圖

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì),、下位機(jī)程序設(shè)計(jì)兩部分。上位機(jī)軟件完成圖像和文字的編輯,， 通過計(jì)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(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(shù)據(jù)進(jìn)行分割處理后通過I2C 總線傳給各個(gè)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(jì)

　　下位機(jī)程序設(shè)計(jì)主要由兩個(gè)部分構(gòu)成： （1）GPRS 的發(fā)送單元的程序設(shè)計(jì)， 該單元把上位機(jī)處理好的顯示信息及時(shí)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(jì),， 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(gè)顯示終端,。本文主要介紹第二部分的程序設(shè)計(jì)。

　　該下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)包括主程序,、顯示子程序和通信服務(wù)程序的設(shè)計(jì),。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(dòng)態(tài)掃描的方式,， 實(shí)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(jì)， 程序各部分的功能由各個(gè)模塊分別實(shí)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(chǔ)模塊,、I2C 通信模塊,。為了保證系統(tǒng)工作的實(shí)時(shí)性和高效性， 本系統(tǒng)采用了實(shí)用單片機(jī)系統(tǒng)MS3 ,，MS3 是一套針對MCU51 的開發(fā)平臺(tái),， 借簽了VC 編程的消息機(jī)制，把各個(gè)功能有效地組織起來,。RTOS 的系統(tǒng)時(shí)鐘,， 實(shí)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4 所示,。

　　圖4 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(jì)程序的流程圖如圖5 所示,。

　　圖5 GPRS 接收模塊設(shè)計(jì)程序流程圖

　　3.2 上位機(jī)管理軟件設(shè)計(jì)

　　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(gè)類打包的時(shí)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(gè)顯示終端。終端顯示采用串行移位輸出方式可以實(shí)現(xiàn)一組字符的各種預(yù)定模式顯示,。本電路可擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)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(yīng)用表明， 該電路穩(wěn)定可靠,， 效果良好,， 具有一定的實(shí)用價(jià)值。但是本設(shè)計(jì)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(chǔ)和處理算法方面進(jìn)一步研究,。