移動(dòng)數(shù)據(jù)的LED顯示屏構(gòu)成原理與仿真技術(shù)

　　基于移動(dòng)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(dòng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地方都可實(shí)時(shí)方便地通過(guò)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(wú)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(dòng)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(dòng)數(shù)據(jù)的LED顯示屏幕具有較大應(yīng)用價(jià)值。

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(yíng)業(yè)大廳、等候大廳、證券公司、機(jī)場(chǎng)、體育、氣象、交通控制等場(chǎng)所得到了越來(lái)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L(zhǎng)ED顯示屏傳輸更新的數(shù)據(jù)就成為很麻煩的事，并且在沒(méi)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(wú)法監(jiān)控LED顯示屏的實(shí)際運(yùn)行情況。?

1 系統(tǒng)構(gòu)成及原理

　　此種基于移動(dòng)數(shù)據(jù)的LED顯示屏幕系統(tǒng)由GSM無(wú)線收發(fā)模塊、MCU(單片機(jī))、LED驅(qū)動(dòng)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(guò)串口控制GSM無(wú)線模塊收發(fā)移動(dòng)數(shù)據(jù)，并控制LED驅(qū)動(dòng)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(lái)。GSM無(wú)線收發(fā)模塊使用西門子公司的TC35i，配一張市面上常見(jiàn)的普通SIM卡，負(fù)責(zé)接收合法用戶通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)過(guò)來(lái)的顯示內(nèi)容，并將LED顯示屏的狀態(tài)數(shù)據(jù)通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)回傳給用戶。LED驅(qū)動(dòng)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(duì)應(yīng)的號(hào)碼。帶SIM卡的TC35i模塊接收到發(fā)來(lái)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(lái)。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(dòng)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(jiǎn)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(shuō)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(guò)“16 PIN 08接口”依次級(jí)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(dòng)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(guò)50 Ω的天線連接器連接天線，還通過(guò)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(yǔ)音信號(hào)及控制信號(hào)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(guò)1 ms。啟動(dòng)后，IGT應(yīng)保持高電平(3.3 V)。驅(qū)動(dòng)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(lái)檢測(cè)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(dòng)電路

　　由于通過(guò)移動(dòng)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(kù)，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(chǔ)器(29F040)。其中29F040存放點(diǎn)陣字庫(kù)(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?gòu)?9F040中讀出對(duì)應(yīng)點(diǎn)陣信息存儲(chǔ)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(hào)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(lái)；P1.4腳輸出移位時(shí)鐘信號(hào)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(hào)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(dòng)電路使用了2片74HC138芯片，上、下16行的列驅(qū)動(dòng)電路都使用了8片74HC595芯片。具體顯示時(shí)采用動(dòng)態(tài)掃描方式，單片機(jī)輸出的4位行選信號(hào)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(hào)SHCLK的作用下分別依次打入各自的74HC595，最后在共同鎖存信號(hào)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(dòng)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(guò)AT命令控制TC35i模塊進(jìn)行初始化和短消息的收發(fā)，對(duì)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(dòng)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(duì)TC35i進(jìn)行初始化，內(nèi)容主要包括：
??????????????? (1)設(shè)置短消息中心號(hào)碼AT+CSCA=“+8613800250500”
???????????????????? (該號(hào)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(0代表PDU格式)。
??????????????? (3)設(shè)置短消息存放的位置AT+CPMS=“SM”(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。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+CMTI：“SM”，INDEX(信息存儲(chǔ)位置)。?

??????? 系統(tǒng)操作過(guò)程中，單片機(jī)通過(guò)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。?
?????????????????(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。
???????????????? (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(hào)碼、目標(biāo)號(hào)碼、回復(fù)號(hào)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(shuō)明PDU串的結(jié)構(gòu)和編排方式。

　　例1：接收。SMSC號(hào)碼是+8613800-
250500，對(duì)方號(hào)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(hào)碼是+8613800-
250500，對(duì)方號(hào)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(dòng)態(tài)掃描功能通過(guò)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(jué)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(kāi)定時(shí)器T1

??????????????????????????????? if(i<16) //i為掃描的行號(hào)，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(hào)，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(guò)P1.6
??????????????????????????????? //腳依次移入上面的HC595，
?????????????????????????????? //將b通過(guò)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(guò)P1.0～P1.3產(chǎn)生4位
????????????????????????????? //行掃描信號(hào)ABCD
??????????????????????? P1_5=1； //開(kāi)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(dòng)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(guò)程中如有硬件問(wèn)題可在Proteus ISIS中直接修改，如有軟件問(wèn)題可在Keil μVision2中直接修改。通過(guò)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(kāi)始就直接制作實(shí)物，從而縮短了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)周期，降低了開(kāi)發(fā)調(diào)試成本。

　??? 在Proteus軟件中沒(méi)有GSM模塊TC35i，但可以利用Proteus提供的串口仿真功能來(lái)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(guò)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(dòng) “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(guò)“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(lái)。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(jí)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(dòng)數(shù)據(jù)的LED顯示屏，使用移動(dòng)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(wú)線收發(fā)裝置的麻煩，有效降低了系統(tǒng)成本，對(duì)遠(yuǎn)離辦公場(chǎng)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(kāi)發(fā)此系統(tǒng)過(guò)程中，充分利用嵌入式系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)仿真平臺(tái)Proteus軟件的強(qiáng)大功能，進(jìn)行系統(tǒng)虛擬開(kāi)發(fā)，成功后再進(jìn)行實(shí)際制作，大大提高了開(kāi)發(fā)效率，降低了開(kāi)發(fā)成本，對(duì)單片機(jī)及嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)具有實(shí)用意義。

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