详解地铁列车LED显示屏的设计

详解地铁列车LED显示屏的设计【大比特导读】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。

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

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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。