基于GPRS的大屏幕LED显示系统的设计

　　LED 显示屏是上世纪80 年代后期在全球迅速发展起来的新型信息传播媒体， 是集微电子技术、光电子技术、计算机技术、信息处理技术于一体的大型显示系统。它以其色彩鲜艳、动态范围广、亮度高、寿命长、工作性能稳定而日渐成为显示媒体中的佼佼者， 广泛应用于广告、证券、信息传播、新闻发布等方面， 是目前国际上较为先进的宣传显示媒体。本文提出一种基于GPRS 和I2C 总线结构的大型LED显示屏系统的设计方法， 该系统首先允许客户在上位机对要显示的数据和图像进行处理，然后用GPRS 模块发送信息， 远程分布的GPRS 模块接收远程控制和信息的内容， 经过CPU 单元处理后， 通过I2C 总线控制信息在各个终端的显示。系统中大型LED显示屏显示点阵为320×256 像素， 划分为32 个显示模块， 其中每个显示模块中的显示屏为长方形， 含160×16个像素， 由40 个8×8 的LED 点阵块组合而成。

　　1 系统总体方案

　　该数据显示系统主要由上位机软件管理模块、GPRS的发送和接收模块、LED 显示终端等部分组成， 该系统框图如图1 所示。上位PC 机功能为接收用户输入信息，将其通过RS-232 串口发送给GPRS 的发送和接收模块进行数据的传输。上位机管理模块是用户和该系统进行直接交流的平台， 用户通过PC 上位机管理软件输入要在LED 点阵屏显示的文字和命令以及各种图像， 可以选择静止、从下向上移、从右向左移、闪烁等显示方式，也能改变字体和移动速度等。远程的GPRS 的发送和接收模块主要的功能是将接收到上位机的信息， 及时准确地传送到希望的显示终端， 本设计主要是通过I2C 总线传送给各个显示终端。显示终端由多块LED 点阵屏模块组成， 每块点阵屏模块有16×160 点阵， 可以显示10个16×16 点阵汉字。本系统采用I2C 总线进行控制单元和每个显示终端的通信，LED 点阵屏模块由MSP430F169 单片机控制， 能接收自身地址数据并控制显示。

图1 系统的结构框图

　　2 系统硬件设计

　　该数据采集系统硬件包括上位机通信接口模块、GPRS 的发送和接收模块、终端显示模块、终端数据处理单元。下面主要介绍GPRS 的发送和接收模块和终端显示模块的设计。

　　2.1 GPRS 的发送和接收模块设计

　　2.1.1 GPRS 发送模块

　　本系统选用的GSM 模块是西门子的TC35I 模块， 这款无线模块是一个支持中文短信息的工业级的GSM 模块， 工作在EGSM900 和GSM1800 双频段， 电源范围为直流3.3~4.8 V, 电源消耗： 休眠状态时为3.5 mA, 空闲状态时为25 mA, 发射状态为300 mA、2.5A 峰值； 可以输出语音和数据信号， 功耗在EGSM900 和GSM1800 分别为2 W 和1 W, 通过接口连接器和天线连接器分别连接SIM 卡读卡器和天线。SIM 电压为3 V/1.8 V,TC35I 的数据接口通过AT 命令可以双向传输指令和数据， 可选波特率为300 b/s~115 kb/s,自动波特率为1.2 kb/s~115 kb/s ;支持TEXT 和PDU 格式的SMS , 可通过AT 命令或关断信号实现重启和故障修复。TC35I 模块主要由供电模块、闪存、ZIF 连接器、天线接口等6 部分组成， 作为TC35I 的核心， 基带处理器主要处理GSM 终端内的语音和数据信息， 并涵盖了蜂窝射频设备中的所有模拟和数字功能。

　　2.1.2 GPRS 数据接收模块

　　本系统主要是应用GPRS 模块与单片机进行数据传输， 因此涉及的硬件主要是单片机和GPRS 模块， 本文GPRS 模块选用西门子的TC35I , 而单片机选择的是TI公司一种具有超低功耗、功能强大的16 bit 单片机MSP430F169 .由于该模块电源引脚有5 个， 且电压都是3.3~4.8 V, 因此本设计将5 个引脚连在一起， 直接接到外部4.2 V 电源上。但是本系统的外部电源是12 V 的直流电流， 所以设计时采用LM2941 稳压为4.2 V.GPRS模块上的引脚IGT 主要是用于点火复位， 其作用是作为GPRS 模块的一个复位转换系统， 加电后为使TC35I 进入工作状态， 必须给IGT 加一个大于100 ms 的低脉冲，电平下降持续时间不可超过1 ms , 这里通过RC 电路来实现。TC35I 的第32 脚SYNC 引脚有两种工作模式， 一种是指示发射状态时的功率增长情况， 另一种是指示TC35I 的工作状态， 可用AT 命令AT+SYNC 进行切换，本模块使用的是后一种。GPRS 模块和单片机之间的数据通信主要是通过端口TXD0 与TXD 之间、RXD0 与RXD 之间的数据传输来完成。其中，GPRS 模块上的TXD0 口用于接收从单片机传来的数据， 而单片机上的TXD 端口用于向GPRS 模块传送数据。GPRS 模块上的RXD0 口用于向单片机发送数据， 单片机的RXD 口则用于接收从GPRS 模块传输来的数据。在TC35I 的基带处理器上有一个综合SIM 接口， 该接口直接接线到主机接口（ 端到端连接器）， 用于连接到外部的SIM 卡座。本系统接的SIM 卡有CCCLK、CCVCC、CCIO、CCRST、CCIN、CCGND 6 个引脚， 分别对应接在TC35I 的第1~ 第6 个引脚上。模块的连接器和SIM 卡座的引脚之间的距离不要超过20 cm, 为了达到最佳的效果， 在SIM 支架下敷设一层铜隔离网， 该层敷铜与SIM 卡的CCGND 引脚相连。

　　CCVCC 和CCGND 之间的两个电容要离引脚尽量近， 并且走线尽量阻抗低， 以满足规范要求。MSP430F169 单片机的振荡器的晶振为11.059 2 MHz , 数据传输率设置为9 600 b/s , 复位键RESET 为高电平时复位。GPRS 数据传输模块硬件部分的电路原理图如图2 所示。

图2 GPRS 数据传输模块电路图。

　　2.2 终端显示模块设计

　　2.2.1 I2C 总线

　　本系统选用的是通过I2C 总线进行数据处理单元和终端显示模块进行通信。I2C（Inter-Integrated Circuit） 总线是一种由PHILIPS 公司开发的两线式串行总线， 用于连接微控制器及其外围设备。I2C 总线是用2 根双向I/O信号线（串行时钟线SCL 和串行数据线SDA） 把多种器件连接起来， 并实现器件之间的串行通信。I2C 总线最主要的优点是其简单性和有效性。由于接口直接在组件之上， 因此I2C 总线占用的空间非常小， 减少了电路板的空间和芯片管脚的数量， 降低了互联成本。MSP430F169内部集成有2 个16 bit 定时器，1 个高速12 bit A/D 转换器，12 bit 或8 bit 的双重D/A 转换器，2 个通用同步/异步通信接口和1 个I2C 模块。本文即利用I2C 模块来对MSP430F169 单片机进行扩展。

　　2.2.2 驱动电路

　　LED 显示屏驱动电路设计根据驱动芯片的选择不同有着很大差异。LED 驱动芯片可分为通用芯片和专用芯片两种。通用芯片是指其芯片本身并非专门为LED而设计， 而是一些符合LED 显示屏逻辑功能需求的芯片（如串、并移位寄存器）。通用芯片一般用于LED 显示屏的低档产品， 如户内的单色屏、双色屏等。专用芯片是指按照LED 发光特性而专门设计用于LED 显示屏的驱动芯片。LED 是电流特性器件， 即在饱和导通的前提下， 其亮度随着电流的变化而变化， 而不是靠调节其两端的电压而变化。因此专用芯片一个最大的特点就是提供恒流源。

　　本系统采用行扫描方式， 行选通电路由集成电路74HC154 构成。74HC154 是4 线-16 线高性能译码器， 在点阵屏幕不大的情况下， 一般的单片机可以直接驱动点阵LED 的亮灭， 但是考虑扩展为大屏幕尺寸时， 因单片机的I/O 口不足以提供足够的驱动电流， 但可在74HC154 和点阵的行接口接上一个PNP 型8550 三极管开关电路用来提供足够的电流， 当74HC154 发出低电平时， 三极管Q 导通， 输出高电平。此外， 可用带有2 级锁存移位输出功能的74HC595 锁存器来对列线进行驱动控制。LED 点阵的列线接到74HC595 的8 bit 并行输出口上， 由单片机控制数据的输出， 利用74HC595 的锁存输出功能， 电路共用同一个移位时钟SCK 和数据锁存时钟RCK, 可级联多片74HC595 以构成更大LED 点阵屏的列驱动电路。此结构还可在75HC595 的使能端通过PWM 波进行灰度调节。以一个16 行×160 列的LED 点阵单元为例， 本系统采用的驱动电路原理如图3 所示。

图3 LED 驱动电路示意图

　　3 系统软件设计

　　系统软件设计包括上位机软件的设计、下位机程序设计两部分。上位机软件完成图像和文字的编辑， 通过计算机串行接口把显示数据传送到GPRS 的发送模块上。GPRS 发送模块把信息及时地传到终端显示控制卡的GPRS 的接收部分， 然后终端的CPU 控制单元把接收的数据进行分割处理后通过I2C 总线传给各个显示终端， 并且完成显示数据不同方式的处理。

　　3.1