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        一種采用藍牙技術控制的LED點陣屏設計

        2012-06-26 06:10:44蔡植善
        電氣自動化 2012年1期
        關鍵詞:字庫顯示屏藍牙

        蔡植善

        (泉州師范學院 物理與信息工程學院,福建 泉州 362000)

        0 引言

        本文設計一種內容更新便捷、可擴展、低價格的點陣LED文字顯示屏。降低成本的途徑是①用幾乎人人都有的手機的藍牙數據傳輸功能進行LED顯示內容的更新,免去專業(yè)上位機軟件和控制卡的成本,操作也更簡單;②單次顯示內容在5~30個漢字或英文字母,因為顯示內容較少,就可實現擴展電路的簡單化。

        1 系統(tǒng)設計方案

        1.1 系統(tǒng)組成

        系統(tǒng)由帶藍牙功能的智能手機和LED顯示屏組成。其中,LED顯示屏由單片機、LED點陣模塊、字庫芯片、藍牙接收模塊、5V開關電源和3.3V穩(wěn)壓電路組成,如圖1所示。系統(tǒng)工作過程是:用戶通過智能手機的記事本編輯“數據”,并經無線藍牙發(fā)送到顯示屏上的藍牙接收模塊。主控單片機讀取藍牙接收模塊接收的“數據”并進行處理。“數據”由“控制命令”和“顯示內容”構成,兩部分數據用自定義特征符分隔開?!翱刂泼睢庇糜趯︼@示屏的亮度、顯示內容移動速度和移動方向進行設置;而單片機根據收到的“顯示內容”的字符代碼在字庫芯片中找到相應的32字節(jié)顯示代碼送點陣屏顯示。

        圖1 系統(tǒng)組成

        1.2 LED點陣屏工作原理

        LED點陣顯示屏可按顯示需要由若干塊每塊LED單元板拼接而成。通用LED單元板由2位16×16點陣LED構成,尺寸為160*320mm2。單元板的工作原理如下。

        每板有16行32列,數據的顯示采用傳統(tǒng)的行列式掃描方式[1]。通常為了減小閃爍,提高掃描速度,采用1/4掃描,即把16行分為4個4行,每次同時選通4個4行中的同序對應行,這樣掃描4次即可完成16行的掃描顯示。其中列控制由74HC595承擔,每塊單元板上有16片,每片分別控制4行8列的點陣小單元。行控制是由1片譯碼器74LS138承擔,每次使單元板的4個4行的同序對應行選通。為了保證正常的電流驅動(亮度),74LS138的輸出經AMP4593驅動放大。每塊單元板有4片,每片分別驅動4行。16片74HC595接成級聯(lián)方式,由于每4行32列需4片74HC595,16行32列就是16片。設第一個4行的4片74HC595序號為1、2、3、4,第二個4行的4片74HC595序號為5、6、7、8,依次類推。每一片的數據輸出端接到下一片的輸入端,數據從第1片的輸入端串行輸入,在移位脈沖的作用下一位一位依序移入,經過8×16個脈沖,最先移入的數據位移到了第16片的最低位(也是該片的輸出端),所有數據都移入后,就可顯示一板完整的內容,按此規(guī)律即可進行顯示的軟件設計。如果顯示的字數多,拼接的LED單元板就多,顯示一屏完整內容所需的移位脈沖就多。這種顯示方式要求主控單片機有較高的指令執(zhí)行速度,否則就會有閃爍感。點陣單元板原理圖如圖2所示。

        圖2 點陣單元板原理圖

        2 系統(tǒng)主要模塊的選擇和電路設計

        2.1 主控芯片

        2.1.1 芯片選擇

        為了滿足LED顯示屏的顯示及多板的擴展,要求系統(tǒng)主控單片機有較快的運行速度;較大的存儲空間用于存儲顯示數據,因此選用美國silicon公司的C8051F410。該芯片是一款高性能產品,FTQP-32封裝(9mm*9mm)大大減小了體積;由于采用了精簡指令結構,使得每個機器周期僅需一個時鐘周期,運算速度快大大加快,如果使用片內24.5MHz的內部時鐘,其運行速度大約是普通8051單片機工作在12MHz時鐘時的24倍;芯片內部資源豐富,自帶看門狗,通過JTAG接口連接調試器,可方便硬件在線調試;芯片內含UART、SPI、I2C等通信接口,方便與外圍芯片連接;4個定時器/計數器使編程更方便;自帶的16K/32KFLASH,可存儲大約1K個漢字。

        2.1.2 最小系統(tǒng)電路設計

        圖3 C8051F410單片機最小系統(tǒng)

        系統(tǒng)對單片機時鐘的精度和溫度穩(wěn)定度都沒有特別要求,可以直接使用C8051F410單片機內部自帶的時鐘振蕩器,而無需外接振蕩器。使用時要注意的是,是芯片工作電源是從Vregin引腳引入(+3.3V),VDD 是內部基準電壓輸出引腳,VIO是I/O口作為數字引腳時的電源輸入引腳。電路設計時必需在緊靠這3個引腳的位置布上濾波和退耦電容(4.7μ 和 104p)。P1.0~P1.3是顯示屏的控制線 CLK、SCLK、R 和OE;P1.7、P0.0 ~ P0.2是字庫芯片控制線,采用 SPI接口;P2.0和P2.1是顯示屏的行掃控制線A和B;P0.4和P0.5是串口通信線,與藍牙模塊連接。這12根引腳都需配置為數字引腳。最小系統(tǒng)電路如圖3所示。

        2.2 藍牙模塊

        2.2.1 模塊選擇

        選用藍牙模塊的要求是:價格便宜、體積小,使用方便。符合條件的藍牙模塊產品很多。設計選用的是南京國春電氣生產的GC-02藍牙模塊,這是款高質量的CLASS2藍牙模塊。此藍牙模塊內部帶有對象交換協(xié)議(OPP)文件接收功能[2],只要上電后,就可被手機藍牙識別,并可成功配對建立連接,接收手機藍牙傳輸的文件。

        GC-02藍牙模塊共有29個引腳,可通過SPI接口或UART接口與單片機通信。本系統(tǒng)單片機選擇UART方式與GC-02進行通信。藍牙模塊處于待機模式時,已配對過的手機向藍牙模塊發(fā)送文件,未配對的手機需先進行配對,輸入正確的PIN碼(即配對密碼)即可配對。此藍牙模塊的出場廠PIN碼是“1234”,其PIN碼可通過向藍牙模塊發(fā)送指令進行修改。

        2.2.2 電路設計

        單片機通過引腳P0.4和P0.5與藍牙模塊 GC-2的串口(12腳和13腳)進行通信,藍牙模塊的其他功能未用。單片機與藍牙模塊的連接如圖4所示。

        2.3 字庫芯片

        2.3.1 芯片選擇

        由于使用中顯示的內容需要經常更換,采用文字

        “取?!鲍@得顯示數據的方法顯然行不通,在顯示電路中存儲字庫或采用字庫芯片是個可行的辦法。設計采用字庫芯片,選擇GT21L16S2W標準漢字字庫芯片。GT21L16S2W是一款內含11×12點陣和15×16點陣的漢字庫芯片,支持GB2312國標簡體漢字(含有國家信標委合法授權)、ASCII字符及GB2312與Unicode編碼互轉表。排列格式為橫置橫排。根據字符點陣在芯片中的地址,就可從該地址連續(xù)讀出字符點陣信息。

        圖5 漢字點陣排列格式

        以15X16點陣漢字為例,漢字信息需要32個字節(jié)(BYTE0- BYTE 31)來表示,點陣的數據是橫置橫排的,其具體排列結構如圖5。每個漢字在芯片中是以漢字點陣字模的形式存儲的,每個點用一個二進制位表示,存1的點,當顯示時可以在屏幕上顯示亮點,存0的點,則在屏幕上不顯示。點陣排列格式為橫置橫排:即一個字節(jié)的高位表示左面的點,低位表示右面的點,排滿一行的點后再排下一行。這樣把點陣信息用來直接在顯示器上按上述規(guī)則顯示,則將出現對應的漢字。15X16點陣漢字存儲在00000H~3B7BFH的芯片地址范圍中,只要知道漢字的內碼,就可計算出漢字顯示數據的首地址。

        2.3.2 接口電路

        圖6 單片機與字庫芯片的連接圖

        字庫芯片GT21L16S2W的各引腳功能如下:1、2、5、6 腳是 SPI接口,其中:1(CS#)為片選輸入,2(SO)為串行數據輸出,5(SI)為串行數據輸入,6(SCLK)為串行時鐘。7腳(HOLD#)為總線掛起,該信號可用于在片選信號有效期間暫停數據傳輸。單片機通過引腳P0.0~P0.2以及P1.7與字庫芯片進行通信,讀取顯示數據。HOLD#引腳懸空,Vcc工作電源為3.3 V。單片機與字庫芯片的連接如圖6所示。

        2.4 LED點陣屏與單片機的連接

        點陣屏選擇的是市場上應用最為廣泛的P10單紅戶外單元板。該模塊具有高穩(wěn)定性,高亮度,顏色均勻等特點,進行的掃描方式是1/4掃,控制方法簡便,有利于優(yōu)化軟件設計,采用點陣單元可以根據需要進行拼湊,靈活性強。LED點陣屏與單片機的連接如圖7所示。其中,OE(P1.3)為使能信號,連接74HC138,用于亮度控制,也可用于顯示屏消隱。只要調整它的占空比就可以控制亮度的變化。ABCD為行掃描信號,A是最低位,如果ABCD信號全用上,控制掃描的最大范圍是16行,1/4掃描中只要AB(P2.0和 P2.1)信號就可以了。當行控制信號出現異常時,將會出現顯示錯位、高亮或圖像重疊等現象。CLK(P1.0)為移位脈沖,每一個脈沖將數據移入或移出一位。當時鐘信號有異常時,會使整板顯示雜亂無章。STB(P1.1)是鎖存信號,將移位寄存器內的數據鎖存并將其數據內容通過驅動電路點亮LED顯示出來。RI(P1.2)是顯示數據的輸入端。

        圖7 單片機與點陣屏的連接圖

        2.5 電源模塊

        電源模塊由5 V大功率電源和+3.3 V小功率穩(wěn)壓電路組成。前者是給LED屏提供電源,后者是把5V電壓穩(wěn)壓成3.3 V后提供給單片機、藍牙模塊和字庫模塊工作,這里選用ASM1117-3.3芯片。市售通用的LED板輸入額定功率約為190 W/m2,每塊單元板面積是160*320 mm2,最大工作電流約為2 A(5 V工作電壓時功耗是10 W),可根據所要求的LED顯示屏的面積選擇開關電源的功率。常用的開關電源,配合雙MOS管輸出以及加強型散熱器和濾波電容線圈,可保障純凈充足的電流輸出。

        2.6 系統(tǒng)總體電路

        本系統(tǒng)以單片機C8051F410作為MCU,外圍電路包括藍牙模塊、字庫芯片、LED點陣屏和電源模塊,系統(tǒng)電路原理如圖8所示。

        圖8 系統(tǒng)原理圖

        3 系統(tǒng)軟件設計

        單片機的初始化包括:①時鐘初始化,選擇片內24.5MHz內部時鐘。②引腳配置:配置P0.0~P0.2為SPI接口(3線),與字庫芯片通信;配置P0.4和P0.5為串口,與藍牙模塊實現通訊;配置 P1.0 ~P1.3、P2.0 和 P2.1 為數字 I/O,實現對顯示屏的控制。③中斷、定時器/計數器和FLASH相關寄存器初始化。系統(tǒng)軟件流程如圖9所示。

        初始化后系統(tǒng)將主動讀取FLASH指定地址范圍內的數據,并將數據(Unicode字符集)轉換得到與Unicode數據對應的GB2312字符集代碼在字庫芯片的地址碼,然后將該地址碼送給字庫芯片提取該地址所對應的GB2312字符集 ,再將GB2312字符集代碼通過字庫芯片轉化提取相對應的16*16點陣代碼,通過SPI口將代碼送給單片機,進而單片機將點陣代碼送給點陣屏并控制點陣屏將數據顯示出來[3,4]。

        正常工作狀態(tài)下,當手機藍牙與系統(tǒng)藍牙模塊發(fā)生配對時,手機只有輸入正確的PIN碼后,才可成功配對,配對成功后,若手機采用記事本軟件通過藍牙發(fā)送數據,藍牙模塊將接收數據并通過串口發(fā)送出去,這時單片機接收數據,如果識別到有效數據的開始位為標志位“#”,那么系統(tǒng)將認為該命令是控制命令,即控制LED顯示的亮度、速度、移動方向。控制命令的格式自主定義。例如“#35左”,意思為:“#”為控制標志位,“3”控制亮度(控制范圍為0-9,數值越大亮度越高),“5”控制速度(控制范圍0-9,數字越大速度越慢),“左”為方向控制位(左為移動方向向左移,右代表向右移,上表示向上移,下為向下移)。如果有效數據的開始位不為“#”,那么將默認此次數據為LED要顯示的新內容,系統(tǒng)將把數據按順序存入指定的FLASH地址范圍內,待復位后新數據將顯示于屏幕上。特別要指出的是,為了保證顯示屏工作的可靠性,要在顯示循環(huán)程序中得合適位置設置好“喂狗”參數。

        圖9 系統(tǒng)軟件流程

        4 結束語

        系統(tǒng)實現了通過手機更新顯示屏顯示內容的目的,方便又快捷。經過一批用戶的使用,顯示性能和控制性能均較為穩(wěn)定。但是,在實際使用過程中也遇到了尚未解決的問題:①有部分手機不支持Unicode字符集格式。②本設計僅限于智能機通過記事本編輯顯示數據的傳送,而不同手機采用的記事本編輯軟件不盡兼容,本設計是基于Nokia手機軟件設計的。

        [1]諸昌鈴.LED顯示屏系統(tǒng)原理及工程技術[M].成都:電子科技大學出版社,2000:47-52.

        [2]張祿林,雷春娟,郎曉虹.藍牙協(xié)議及其實現[M].北京:人民郵電出版社,2001:89-92.

        [3]譚浩強.C程序設計(第四版)[M].北京:清華大學出版社,2010:142-165.

        [4]童長飛.C8051F系列單片機開發(fā)與C語言編程[M].北京:北京航空航天大學出版社,2005:159-165.

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