地铁列车LED显示屏的设计

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1 引 言
　　LED显示屏在地铁中作为一种面向公众的信息显示终端，有着非常广泛的民用和商用价值。
　　目前在国内运行的地铁车辆普遍都配备了LED显示屏，但附加功能较少，屏幕显示内容单一。为了配合新型地铁旅客信息系统的使用，我们设计了一种全新的多总线式LED显示动态屏。
　　该显示屏在外部通讯时不但具有多种总线接口，在内部控制电路设计中还采用了单总线和I2 C 总线器件。
　　地铁上的LED 屏分两种：一种放置于车厢外侧，用于显示列车运行区间、运行方向和当前到站站名，中英文兼容显示；也可根据运行需要显示其他服务信息；文字显示可选静止、滚动、平移、瀑布、动画等多种效果，最大显示字符数为16 ×16 点阵字符12个。另一种为终点LED 显示屏，放置于车内，终点站LED 显示屏可按列车运营要求预置终点站，并实时显示当前的终点站，同时还能显示目前车内温度，最大显示字符数为16 ×16 点阵字符8 个。
　　2 系统构成
　　LED显示系统屏由单片机控制单元和显示单元两部分组成，单个显示单元可显示16 ×16 的汉字4 个，若制作生产一定尺寸的LED图文显示屏系统，只要用若干智能显示单元，采用“搭积木”的方法即可实现，系统中各显示单元之间采用串行通信联系。控制单元除了负责控制显示单元和传输上位机的指令和信号外，还内嵌了单总线数字温度传感器18B20。得益于控制电路的模块设计，若对湿度测量也有要求的情况下，18b20 可升级为Dallas 公司的DS2438 和HoneywELl 公司的HIH23610 构成的模块电路。为了满足整车的通讯需要，上位机与车内的各控制单元之间采用CAN 总线方式通讯。

图1 系统结构图
　　3 硬件设计
　　显示单元由LED显示面板和显示电路两部分组成，LED显示面板是由4 块点阵模块组成的16 ×64 点阵通用智能显示单元，单个显示单元全屏可以显示4 个16 ×16 点阵汉字或符号，系统中各显示单元之间采用串行通信联系，从而使得整个系统的工作协调统一。显示电路由两个16针排线口、两个74H245 三态总线驱动器、一个74HC04D 六反相器、两个74H138 八译码器以及8 个74HC595 移位锁存器组成。控制电路核心为WINBOND 的高速单片机77E58 ， 晶振频率为24 MHz.A T29C020A 为256 K 的ROM ，用于存贮16 ×16 点阵的汉字库和16 ×8 点阵的ASCII 码表。A T24C020 是基于I2 C 串行总线的EP2ROM ，其存储预设定的语句，例如地铁站点名称、问候语等。车内温度通过单总线式数字温度传感器18b20 测量。SJA1000 和TJA1040 分别为CAN 总线控制器和收发器。
　　3. 1 控制电路单元设计
　　整个系统以winbond 的动态单片机77E58为核心，77E58 采用了重新设计的微处理器内核，其指令兼容51 系列，但由于时钟周期仅为4 个周期，在相同的时钟频率下，其运行速度一般比传统8051 提高2~3 倍，因此很好地解决了大容量汉字动态显示时对单片机的频率要求，另外还自带看门狗。77E58 通过锁存器74L S373 控制闪速存储器A T29C020 ，大小为256 K.由于存储器容量大于64 K，因此在设计中采用了分页寻址的方法，即用P1. 1 和P1. 2 对闪存器进行页选，共分4 页，每页的寻址大小为64 K， P1. 5 除了用于对A T29C020 片选外，还保证了P1. 1 和P1. 2 在16 针的排线接口上复用时不对A T29C020 造成误操作。CAN 控制器为通讯的关键部分，为了提高抗干扰能力，在CAN 控制器SJA1000 和CAN收发器TJA1040 之间加接6N137 高速光耦，单片机通过P3. 0 对CAN 控制器SJA1000 进行片选。18B20 为单总线器件，该器件与单片机接口仅需占用一个I/ O 端口，可直接将温度转化成数字信号，并以9 位数字码方式串行输出，在控制电路中选用P1. 4 完成对18B20 的片选和数据传输功能。A T24C020 的时钟线SCL 和双向数据线SDA 分别接单片机的P1. 6 和P 1. 7 .16 针的排线接口是控制电路和显示电路的接口部分。控制电路的硬件连接图如图2。‖

图2 控制电路硬件连接图
　　3. 2 显示单元连接与控制
　　显示电路部分通过16 针排线（1） 口与控制电路部分的16 针排线口相连，16 针排线口（1） 将单片机的指令和数据传输到LED显示电路，16 针排线（2） 用于多个显示屏幕的级联，它的连线和16 针排线口（1） 基本一样，但是要注意其R 端连接的是图2 从左至右的第8 个74H595 的DS 端，在级联的时候它将与下一块显示屏的16 针排线（1） 口串接（如图1）。CL K 为时钟信号端， STR为行锁存端，R 为数据端， G（ GND） 、LOE 为行点亮使能端，A 、B、C、D 为行选端。各端口具体作用如下：A、B、C、D 为行选择端，用于控制将来自上位机数据具体送至显示面板上的指定行，R 为数据端，接受单片机传输的数据。LED显示单元的工作时序如下：CL K时钟信号端在R 端收到一个数据后，由控制电路人为地给一个脉冲上升沿，STR 在一行数据（16 ×4） 64 个数据全部传送完后，给出一个脉冲上升沿以锁存数据；LOE 由单片机置1 将该行点亮。显示电路原理图如图3。

图3 显示电路原理图
4 模块化设计
　　地铁车辆根据实际情况对LED显示屏有不同的要求，因此我们在设计电路时对此做了充分考虑，即在保证主要功能和结构不变的情况下，可以对特定模块进行互换。该结构使得LED控制电路具有良好的扩展性和易用性。
　　4. 1 温湿度模块
　　在南方炎热和多雨地带，尽管车内有恒温空调，但湿度也是旅客们关心的一个重要指标。我们设计的温湿度模块，具有测量温度和湿度的功能。温度模块和温湿度模块有相同的插座接口，且都是单总线结构，均用P1. 4 口控制，因此互换很方便。HIH3610 是Honeywell 公司生产的电压输出的三端集成湿度传感器，DS2438 是具有单总线通讯接口的10 位A/ D 转换器，片内包含一个高分辨率的数字温度传感器，它可用于湿度传感器的温度补偿。图4 为温湿度模块原理图。
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图4 温湿度模块原理图
　　4. 2 485 总线扩展模块
　　485 总线作为一种成熟而廉价的总线在工业现场和交通领域有着不可替代的位置，为此我们设计了485 总线扩展模块，它可替代原有的CAN模块进行外部通讯。该模块采用MAXIM 公司的光电隔离型的MXL1535E 作为485 收发器，为了保证控制上的兼容，MXL1535E 与SJA1000 均通过P3. 0 进行片选。另外在RS2485 侧与控制器或控制逻辑侧之间通过变压器提供2500VRMS电隔离，在模块的输出部分添加了TVS 二极管电路以减少线路浪涌干扰，还可利用跳线决定是否加载总线的终端电阻。原理图如图5。

图5 485 总线扩展模块原理图
　　5 软件设计
　　系统软件由上位机管理软件和单元控制器控制软件组成。上位机管理软件是在Windows22000 操作平台上，利用C + + BUILD6. 0 开发的，包括显示方式选择（包括静态、闪动、滚动、打字等） ，滚动方向选择（包括上下滚动和左右滚动） ，动态显示速度调节（即文字闪动频率、滚动速度、打字显示速度等） ，显示内容输入及显示预览等。
　　系统运行时，系统不仅可按预设定显示报站、广告等字符，也可人工输入需要的显示字符。单元控制器控制软件采用8051 的KEIL C 编程，固化于单片机77E58 的EEPROM 中，主要完成上下位机通讯、温度和湿度的数据采集、I/ O 接口控制等功能。在实际运行时，温度测量精度达到±0. 5 ℃，湿度测量精度达到±2 % RH.
　　6 结 论
　　从硬件原理图的设计、逻辑结构、组成框图等几方面介绍了地铁LED显示屏的设计思路，通过对现场总线接口模块以及温湿度模块接口的设计，使得该LED显示屏可适应不同环境的要求，具有良好的扩展性和通用性。经过多次测试，该LED显示屏已在国产地铁新型旅客信息系统中装车试用，效果良好。实践证明该显示屏能很好地完成对汉字和图形的静态显示和各种动态显示，且具有亮度高、无闪烁、逻辑控制简单等特点，充分满足了地铁车辆对LED屏的显示要求。
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