基于GPRS的大屏幕LED顯示系統(tǒng)的設計

　　LED 顯示屏是上世紀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、光電子技術、計算機技術、信息處理技術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。本文提出一種基于GPRS 和I2C 總線結(jié)構的大型LED顯示屏系統(tǒng)的設計方法， 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)總體方案

　　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， 及時準確地傳送到希望的顯示終端， 本設計主要是通過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。

圖1 系統(tǒng)的結(jié)構框圖

　　2 系統(tǒng)硬件設計

　　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(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、2.5A 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 命令或關斷信號實現(xiàn)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 主要是用于點火復位， 其作用是作為GPRS 模塊的一個復位轉(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AT+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)傳輸率設置為9 600 b/s , 復位鍵RESET 為高電平時復位。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。

　　2.2.2 驅(qū)動電路

　　LED 顯示屏驅(qū)動電路設計根據(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。

　　本系統(tǒng)采用行掃描方式， 行選通電路由集成電路74HC154 構成。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 三極管開關電路用來提供足夠的電流， 當74HC154 發(fā)出低電平時， 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 以構成更大LED 點陣屏的列驅(qū)動電路。此結(jié)構還可在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。

圖3 LED 驅(qū)動電路示意圖

　　3 系統(tǒng)軟件設計

　　系統(tǒng)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