摘要： 結(jié)合GPRS 技術(shù)提出了一種大型LED 顯示系統(tǒng)設(shè)計方案， 可以通過手機(jī)或者其他信息平臺向該系統(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(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， 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(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

　　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。

　　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、2.5A 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(guān)斷信號實(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， 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(diǎn)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(jìn)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(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(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

　　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(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(jī)進(jìn)行擴(kuò)展。

　　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(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)動點(diǎn)陣LED 的亮滅， 但是考慮擴(kuò)展為大屏幕尺寸時， 因單片機(jī)的I/O 口不足以提供足夠的驅(qū)動電流， 但可在74HC154 和點(diǎn)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(jìn)行驅(qū)動控制。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(diǎn)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(jìn)行灰度調(diào)節(jié)。以一個16 行×160 列的LED 點(diǎn)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(shè)計

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計包括上位機(jī)軟件的設(shè)計、下位機(jī)程序設(shè)計兩部分。上位機(jī)軟件完成圖像和文字的編輯， 通過計算機(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

　　下位機(jī)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(jī)處理好的顯示信息及時準(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， 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(jī)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(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， 程序各部分的功能由各個模塊分別實(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)的處理和存儲模塊、I2C 通信模塊。為了保證系統(tǒng)工作的實(shí)時性和高效性， 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， 借簽了VC 編程的消息機(jī)制，把各個功能有效地組織起來。RTOS 的系統(tǒng)時鐘， 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)計程序的流程圖如圖5 所示。

　　圖5 GPRS 接收模塊設(shè)計程序流程圖

　　3.2 上位機(jī)管理軟件設(shè)計

　　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。

        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(jìn)一步研究。