摘 要： 提出了一種基于移動數(shù)據(jù)的LED顯示系統(tǒng)。在MCU的控制下,，使用GSM無線模塊TC35i接收合法用戶通過短消息發(fā)送的顯示信息,，并按要求的方式在LED屏幕上顯示出來，解決了傳統(tǒng)LED顯示屏使用有線傳輸?shù)牟槐阈詥栴},。系統(tǒng)在Proteus軟件中進(jìn)行了模擬仿真調(diào)試,，并制作出實(shí)物，取得了良好效果,。
關(guān)鍵詞： LED顯示屏,；TC35i；單片機(jī),；Proteus
LED電子顯示屏幕作為一種信息顯示設(shè)備，主要用于播放廣告,、新聞,、通知、天氣預(yù)報(bào),、時(shí)間,、股票信息、航班信息,、售票信息等,，在站牌、交通路口,、公交車,、售票大廳、營業(yè)大廳,、等候大廳,、證券公司、機(jī)場、體育,、氣象,、交通控制等場所得到了越來越多的應(yīng)用，具有廣闊的應(yīng)用前景,。
但是,，傳統(tǒng)的LED顯示屏使用有線通信方式傳輸數(shù)據(jù)，受到地域和布線的嚴(yán)重限制,。如果有大量的LED顯示屏同時(shí)工作,，為LED顯示屏傳輸更新的數(shù)據(jù)就成為很麻煩的事，并且在沒有其他附加控制設(shè)備的情況下,，LED顯示屏的管理部門也無法監(jiān)控LED顯示屏的實(shí)際運(yùn)行情況,。
基于移動數(shù)據(jù)的LED顯示屏使用目前覆蓋范圍最廣、最穩(wěn)定的GSM/GPRS/CDMA/小靈通網(wǎng)絡(luò),，在任何有移動網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地方都可實(shí)時(shí)方便地通過短消息方式更新LED顯示屏的內(nèi)容,，有效解決了LED顯示屏數(shù)據(jù)更新麻煩、無法監(jiān)控的困難,，減輕了管理部門的工作負(fù)擔(dān),。隨著移動通信技術(shù)的發(fā)展及LED顯示屏幕應(yīng)用范圍的進(jìn)一步推廣，此種基于移動數(shù)據(jù)的LED顯示屏幕具有較大應(yīng)用價(jià)值,。
1 系統(tǒng)構(gòu)成及原理
此種基于移動數(shù)據(jù)的LED顯示屏幕系統(tǒng)由GSM無線收發(fā)模塊,、MCU(單片機(jī))、LED驅(qū)動電路,、LED顯示屏幕四部分組成,。原理框圖如圖1所示。
系統(tǒng)的控制中心為MCU(單片機(jī)),，本設(shè)計(jì)使用ATMEL公司的AT89C51芯片,，它通過串口控制GSM無線模塊收發(fā)移動數(shù)據(jù)，并控制LED驅(qū)動電路及顯示屏幕將需要顯示的內(nèi)容用適當(dāng)?shù)姆绞斤@示出來,。GSM無線收發(fā)模塊使用西門子公司的TC35i,，配一張市面上常見的普通SIM卡，負(fù)責(zé)接收合法用戶通過移動網(wǎng)絡(luò)發(fā)過來的顯示內(nèi)容,，并將LED顯示屏的狀態(tài)數(shù)據(jù)通過移動網(wǎng)絡(luò)回傳給用戶,。LED驅(qū)動電路及顯示屏幕與傳統(tǒng)方式基本相同[1，2],，采用具有“16 PIN 08接口”的LED單元板,，可拼接成需要的屏幕尺寸。
使用時(shí),，用戶只需將希望在LED屏幕上顯示的內(nèi)容在手機(jī)或電腦上按短信格式編輯好,，然后像普通短信一樣發(fā)送給插在TC35i模塊中的SIM卡所對應(yīng)的號碼,。帶SIM卡的TC35i模塊接收到發(fā)來的短信后，首先檢查短信的發(fā)送者是否為合法用戶,。若不是合法用戶,，TC35i丟棄該短信；若是合法用戶,，則取出要顯示的內(nèi)容,，并按要求的方式控制LED屏幕將信息顯示出來。同時(shí),，TC35i可將LED屏幕的狀態(tài)數(shù)據(jù)以短信格式發(fā)送給合法用戶,。如此，利用移動通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了顯示內(nèi)容及狀態(tài)數(shù)據(jù)的雙向?qū)崟r(shí)傳輸,。
考慮到簡便性,，本文以一塊32×64點(diǎn)陣的LED單元板顯示16×16點(diǎn)陣的漢字為例說明系統(tǒng)原理。至于更大尺寸的LED屏幕,，只要將類似的多塊LED單元板通過“16 PIN 08接口”依次級聯(lián)即可,。
2 硬件實(shí)現(xiàn)
2.1 TC35i模塊與單片機(jī)的硬件接口電路
本系統(tǒng)中移動數(shù)據(jù)的收發(fā)都依靠TC35i模塊進(jìn)行。TC35i模塊集射頻電路和基帶處理于一體,，可工作在GSM 900 MHz和DCS 1 800 MHz兩個(gè)頻段,，使用RS232串口與MCU(單片機(jī))連接，其RS232數(shù)據(jù)接口符合GSM07.05和GSM07.07規(guī)范,，使用標(biāo)準(zhǔn)的AT命令集,。模塊通過50 Ω的天線連接器連接天線，還通過40引腳的ZIF連接器實(shí)現(xiàn)電源和SIM卡支架的連接,，以及指令,、數(shù)據(jù)、語音信號及控制信號的雙向傳輸[3],。
圖2顯示了單片機(jī)和TC35i接口的關(guān)鍵部分,。
需要注意，系統(tǒng)加電后,，為使TC35i進(jìn)入工作狀態(tài)，必須給IGT引腳加一延時(shí)大于100 ms的低脈沖,，并且電平下降持續(xù)時(shí)間不可超過1 ms,。啟動后，IGT應(yīng)保持高電平(3.3 V),。驅(qū)動IGT時(shí),，TC35i供電電壓不能低于3.3 V，否則TC35i不能激活,。另外,，ZIF連接座的SIMPRES引腳用來檢測SIM卡是否插好,，如果連接正確，則SIMPRES引腳輸出高電平,，否則為低電平,。
2.2 單片機(jī)及LED顯示驅(qū)動電路
由于通過移動網(wǎng)絡(luò)短消息得到的只是漢字的內(nèi)碼，而LED屏幕顯示需要漢字的點(diǎn)陣信息,，所以在本系統(tǒng)中必須存放GB2312漢字點(diǎn)陣字庫,，再加上LED屏幕顯示時(shí)需要存放大量的顯示數(shù)據(jù)，所以在單片機(jī)AT89C51的外圍擴(kuò)展了64 KB的RAM（62256）和512 KB的Flash 存儲器(29F040),。其中29F040存放點(diǎn)陣字庫(HZK16,、ASC16)和Unicode轉(zhuǎn)GB2312碼表，62256做顯示緩存,。單片機(jī)收到短消息后先把待顯示信息轉(zhuǎn)換成GB2312碼,，顯示時(shí)再從29F040中讀出對應(yīng)點(diǎn)陣信息存儲在62256中。
單片機(jī)P1口用于控制LED屏幕的顯示,，其中P1.0～P1.3腳分別輸出4位行選信號A,、B、C,、D,，ABCD從0000變到1111，逐行掃描1～16行點(diǎn),，將顯示數(shù)據(jù)依次顯示出來,；P1.4腳輸出移位時(shí)鐘信號SHCLK，使得顯示數(shù)據(jù)可以依次進(jìn)入LED單元板,；P1.5腳輸出鎖存信號STB,，使得顯示數(shù)據(jù)可以穩(wěn)定輸出；P1.6腳輸出LED單元板的上16行的顯示數(shù)據(jù)R1,，P1.7腳輸出LED單元板的下16行的顯示數(shù)據(jù)R2,。
32×64點(diǎn)陣的LED單元板用于顯示16點(diǎn)陣的漢字時(shí)，可以顯示２行,，每行4個(gè)漢字,。其組成電路如圖3。行驅(qū)動電路使用了2片74HC138芯片,，上,、下16行的列驅(qū)動電路都使用了8片74HC595芯片。具體顯示時(shí)采用動態(tài)掃描方式,，單片機(jī)輸出的4位行選信號A,、B、C,、D經(jīng)2片74HCl38譯碼后逐行掃描LED單元板的1～16行和17～32行,；上16行的顯示數(shù)據(jù)R1及下16行的顯示數(shù)據(jù)R2在同一移位時(shí)鐘信號SHCLK的作用下分別依次打入各自的74HC595,，最后在共同鎖存信號STB的作用下穩(wěn)定輸出在74HC595的并行輸出端。
在實(shí)際制作LED單元板時(shí),，往往在74HCl38芯片輸出的行掃描線上再加上4953芯片以增加驅(qū)動能力,。
3 程序設(shè)計(jì)
3.1 短消息收發(fā)控制
單片機(jī)通過AT命令控制TC35i模塊進(jìn)行初始化和短消息的收發(fā)，對短消息的控制共有3種模式：Block模式,、PDU模式和Text模式,。Text模式不支持中文，而使用Block模式需要手機(jī)生產(chǎn)廠家提供驅(qū)動支持,，本系統(tǒng)使用PDU模式進(jìn)行短消息接收和發(fā)送,。
系統(tǒng)上電以后首先對TC35i進(jìn)行初始化，內(nèi)容主要包括：
(1)設(shè)置短消息中心號碼AT+CSCA=“+8613800250500”
<CR>(該號碼因地區(qū)不同而設(shè)置不同),。
(2)設(shè)置短消息格式AT+CMGF=0<CR>(0代表PDU格式),。
(3)設(shè)置短消息存放的位置AT+CPMS=“SM”<CR>(SM表示將短消息存放在SIM卡中)。
(4)設(shè)置短信到達(dá)通知AT+CNMI=1,，1,，0，0,，1<CR>,。此命令可使模塊在短消息到達(dá)后向單片機(jī)發(fā)送指令<CR>+CMTI：“SM”，INDEX(信息存儲位置)<CR>,。
系統(tǒng)操作過程中,，單片機(jī)通過AT命令控制TC35i模塊接收或發(fā)送短消息。命令格式如下：
(1)讀取短消息指令A(yù)T+CMGR=INDEX<CR>,。
(2)發(fā)送短消息指令A(yù)T+CMGS=＜length＞＜CR＞,。
(3)刪除短消息指令A(yù)T+CMGD=INDEX<CR>。
(4)SIM卡狀態(tài)查詢命令A(yù)T^SCKS,。
接收和發(fā)送的短消息均以PDU串的數(shù)據(jù)形式被單片機(jī)處理,，PDU串由數(shù)字“0”～“9”和字母“A”～“F”組成，是十六進(jìn)制數(shù)或者BCD碼十進(jìn)制數(shù),。PDU串不僅包含可顯示的消息本身,，還包含很多其他信息，如SMS服務(wù)中心號碼,、目標(biāo)號碼,、回復(fù)號碼、編碼方式和服務(wù)時(shí)間等,。發(fā)送和接收的PDU串結(jié)構(gòu)不完全相同。下面用2個(gè)實(shí)例說明PDU串的結(jié)構(gòu)和編排方式,。
例1：接收,。SMSC號碼是+8613800-
250500,，對方號碼是13851872468，消息內(nèi)容是“你好!”,。單片機(jī)從TC35模塊讀取到的PDU串是——08 91 68 31 08 20 05 05 F0 84 0D 91 68 31 58 81 27 64 F8 00 08 30 30 21 80 63 54 80 06 4F 60 59 7D 00 21,。
例2：發(fā)送。SMSC號碼是+8613800-
250500,，對方號碼是13851872468,，消息內(nèi)容是“你好!”。單片機(jī)向TC35模塊發(fā)出的PDU串是——08 91 68 31 08 20 05 05 F0 11 00 0D 91 68 31 58 81 27 64 F8 00 08 00 06 4F 60 59 7D 00 21,。
3.2 LED顯示控制程序
LED的動態(tài)掃描功能通過使用單片機(jī)的定時(shí)器0中斷實(shí)現(xiàn),。定時(shí)器0計(jì)數(shù)初值的設(shè)定滿足每秒中斷1 000次以上，每次中斷掃描顯示一行,，這樣每行在每秒鐘內(nèi)至少被掃描60次以上,。根據(jù)人眼的視覺暫留效應(yīng)，達(dá)到了較理想的顯示效果,。
定時(shí)器0中斷服務(wù)程序：
void int0(void) interrupt 1
{
TR0=0,； //關(guān)定時(shí)器T1
TL0=0x80； //設(shè)置初值的低8位
TH0=0xff,； //設(shè)置初值的高8位
TR0=1,； //開定時(shí)器T1
if(i<16) //i為掃描的行號，取值0～15,，
//依次掃描1～16行
{
P1_5=0,； //關(guān)HC595鎖存
while(z<8) //z為上下各8片HC595按
//從左到右的編號，取值0～7,。
//每片HC595都經(jīng)8次循環(huán),，
//實(shí)現(xiàn)8位數(shù)據(jù)的串/并轉(zhuǎn)換
{ a=disp[i*2+k]；//取上16行的8位顯示數(shù)據(jù)a
b=disp[i*2+k+128],； //取下16行的8位
//顯示數(shù)據(jù)b
if(z%2!=0) k+=32-1,；
else k++；
while(j<8) //循環(huán)8次,，將a通過P1.6
//腳依次移入上面的HC595,，
//將b通過P1.7腳依次
//移入下面的HC595
{
P1_4=0； //將P1.4口線拉低,，
//產(chǎn)生移位脈沖SHCLK
if((a&au)>0) //假串口P1.6,，輸出上16行
//的顯示數(shù)據(jù)a
P1_6=1；
else
P1_6=0,；
if((b&au)>0) //假串口P1.7,，輸出下16行
//的顯示數(shù)據(jù)b
P1_7=1；
else
P1_7=0;
P1_4=1,； //將P1.4口線置高,，產(chǎn)生移位
//脈沖SHCLK
au=au<<1,；
j++；
}
j=0,；
au=0x01,；
z++；
}
k=0,；
z=0,；
}
P1=(P1&0xf0)|i； //通過P1.0～P1.3產(chǎn)生4位
//行掃描信號ABCD
P1_5=1,； //開595鎖存
i++,；
if(i==16) i=0;
}
4 PROTEUS仿真實(shí)現(xiàn)
本設(shè)計(jì)結(jié)合使用Keil μVision2和Proteus軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)和硬件仿真調(diào)試。
Proteus軟件可以仿真包括51系列在內(nèi)的多種常用單片機(jī)及其外圍電路(如LCD,、RAM,、ROM、鍵盤,、馬達(dá),、LED等)，是目前最好的模擬單片機(jī)外圍器件的工具,。仿真時(shí)只需在Proteus軟件中畫好單片機(jī)的外圍控制及LED顯示驅(qū)動電路,，然后在單片機(jī)芯片的屬性中設(shè)置好晶振頻率，將用Keil C51編寫的源程序生成的.HEX文件保存到芯片中,，就可以仿真調(diào)試了[4,，5]。仿真過程中如有硬件問題可在Proteus ISIS中直接修改,，如有軟件問題可在Keil μVision2中直接修改,。通過Keil與Proteus的聯(lián)合調(diào)試就可以得到滿意的結(jié)果，避免了一開始就直接制作實(shí)物,，從而縮短了系統(tǒng)的開發(fā)周期,，降低了開發(fā)調(diào)試成本。
在Proteus軟件中沒有GSM模塊TC35i,，但可以利用Proteus提供的串口仿真功能來實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與TC35i模塊通信的仿真調(diào)試,。具體電路如圖4所示。單片機(jī)的串口(P3.0,、P3.1腳)通過串行接口器件COMPIM連接TC35i模塊（圖中未畫出TC35i模塊）,。首先在仿真主機(jī)上利用虛擬串口軟件VSPDXP(Virtual Serial Port Driver XP)設(shè)置出2個(gè)相互連接的虛擬串口COM3和COM4，再啟動 “串口調(diào)試助手”軟件,，將其中的串口設(shè)置為COM4,，波特率選擇為4 800 b/s，然后將Proteus仿真電路中的COMPIM器件的串口設(shè)置為COM3，波特率也選擇為4 800 b/s,。必須注意COM3和COM4中波特率的設(shè)置值與單片機(jī)軟件中的波特率設(shè)置值要相同,，在此都設(shè)定為4 800 b/s，最后運(yùn)行Proteus仿真,，此時(shí)就可以通過“串口調(diào)試助手”軟件模擬TC35i輸出的數(shù)據(jù)格式向單片機(jī)發(fā)出數(shù)據(jù)了。例如,，正常情況下如果從“串口調(diào)試助手”發(fā)送16進(jìn)制數(shù)據(jù)串“08 91 68 31 08 20 05 05 F0 84 0D 91 68 31 58 81 27 64 F8 00 08 30 30 21 80 63 54 80 06 4F 60 59 7D 00 21”,，仿真電路中的LED屏幕將顯示“你好！”,。而單片機(jī)發(fā)給TC35i模塊的AT命令串將在“串口調(diào)試助手”的接收窗口里實(shí)時(shí)顯示出來,。如果不正確，則可以借助Proteus軟件中的虛擬串口終端等虛擬儀器和圖表進(jìn)行代碼級跟蹤調(diào)試,。
將仿真成功的電路稍加修改后,，制作出電路實(shí)物，將程序固化到實(shí)物的單片機(jī)芯片中,，得到的實(shí)物運(yùn)行結(jié)果與Proteus的仿真結(jié)果完全一致,。
基于移動數(shù)據(jù)的LED顯示屏，使用移動通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)更新LED顯示屏的內(nèi)容,，避免了原有系統(tǒng)鋪設(shè)線路或建造專用無線收發(fā)裝置的麻煩,，有效降低了系統(tǒng)成本，對遠(yuǎn)離辦公場所,、特別是室外LED顯示屏幕的設(shè)計(jì)提供了一種新思路,。同時(shí)，在開發(fā)此系統(tǒng)過程中,，充分利用嵌入式系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)仿真平臺Proteus軟件的強(qiáng)大功能,，進(jìn)行系統(tǒng)虛擬開發(fā)，成功后再進(jìn)行實(shí)際制作,，大大提高了開發(fā)效率,，降低了開發(fā)成本，對單片機(jī)及嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)具有實(shí)用意義,。
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