摘  要： 結(jié)合GPRS技術(shù)設(shè)計了一種大型LED顯示系統(tǒng),，可以通過手機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,，價格低廉,，具有廣泛的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞： LED顯示屏,；通用無線分組業(yè)務(wù),；信息平臺；遠程控制

　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的宣傳顯示媒體[1]。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,，該系統(tǒng)首先允許客戶在上位機對要顯示的數(shù)據(jù)和圖像進行處理,，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(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點陣塊組合而成,。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
　該數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)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(tǒng)框圖如圖1所示,。上位PC機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)送和接收模塊進行數(shù)據(jù)的傳輸,。上位機管理模塊是用戶和該系統(tǒng)進行直接交流的平臺,，用戶通過PC上位機管理軟件輸入要在LED點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點陣屏模塊組成,，每塊點陣屏模塊有16×160點陣,，可以顯示10個16×16點陣漢字。本系統(tǒng)采用I2C總線進行控制單元和每個顯示終端的通信,，LED點陣屏模塊由MSP430F169單片機控制,，能接收自身地址數(shù)據(jù)并控制顯示。

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3.3~4.8 V，電源消耗：休眠狀態(tài)時為3.5 mA,，空閑狀態(tài)時為25 mA,，發(fā)射狀態(tài)為300 mA、2.5 A峰值,；可以輸出語音和數(shù)據(jù)信號,，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],。
2.1.2 GPRS數(shù)據(jù)接收模塊
　本系統(tǒng)主要是應(yīng)用GPRS模塊與單片機進行數(shù)據(jù)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16 bit單片機MSP430F169。由于該模塊電源引腳有5個,，且電壓都是3.3～4.8 V,，因此本設(shè)計將5個引腳連在一起，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)計時采用LM2941穩(wěn)壓為4.2 V。GPRS模塊上的引腳IGT主要是用于點火復(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進入工作狀態(tài)，必須給IGT加一個大于100 ms的低脈沖,，電平下降持續(xù)時間不可超過1 ms,，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進行切換,，本模塊使用的是后一種,。GPRS模塊和單片機之間的數(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傳來的數(shù)據(jù)，而單片機上的TXD端口用于向GPRS模塊傳送數(shù)據(jù)。GPRS模塊上的RXD0口用于向單片機發(fā)送數(shù)據(jù),，單片機的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20 cm,，為了達到最佳的效果,，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,。

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總線進行數(shù)據(jù)處理單元和終端顯示模塊進行通信,。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16 bit定時器,，1個高速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 單片機進行擴展[3]。
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就是提供恒流源[4],。
　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,，在點陣屏幕不大的情況下,，一般的單片機可以直接驅(qū)動點陣LED的亮滅，但是考慮擴展為大屏幕尺寸時,，因單片機的I/O口不足以提供足夠的驅(qū)動電流,，但可在74HC154和點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鎖存器來對列線進行驅(qū)動控制,。LED點陣的列線接到74HC595的8 bit并行輸出口上，由單片機控制數(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波進行灰度調(diào)節(jié),。以一個16行×160列的LED點陣單元為例，本系統(tǒng)采用的驅(qū)動電路原理如圖3所示,。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
　系統(tǒng)軟件設(shè)計包括上位機軟件的設(shè)計,、下位機程序設(shè)計兩部分。上位機軟件完成圖像和文字的編輯,，通過計算機串行接口把顯示數(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 下位機程序設(shè)計
　下位機程序設(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,，該單元把上位機處理好的顯示信息及時準(zhǔn)確地傳到遠程的終端控制單元；(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4所示。

　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行漢字或表格顯示,。GPRS接收模塊設(shè)計程序的流程圖如圖5所示,。

3.2 上位機管理軟件設(shè)計
　在基于GPRS的LED的顯示系統(tǒng)中，上位機機管理軟件主要負(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)置上位機文字和圖像處理的尺寸,，然后對輸入的數(shù)據(jù)和圖像進行編輯,，最后把提取有用的數(shù)據(jù)通過通信接口傳給下位機。在通信的過程中為了保證應(yīng)用的廣泛性,，PC機的控制系統(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[5-6],。
　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,。本電路可擴展實現(xiàn)由30多個160×16點陣LED模塊組成的LED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一步研究。
參考文獻
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