韓春賢，劉興杰，韓艷君，王闊

（1.天津冶金學(xué)院 電子信息工程系，天津 300130；2.北京品佳電子有限公司；3.保定市蠡縣氣象局）

引 言

隨著LED技術(shù)的空前繁榮，LED胸牌備受關(guān)注。LED胸牌也叫LED工作牌[2]，是一款新穎的LED貼片點(diǎn)陣“名片”式顯示屏，可以顯示姓名、性別、工作部門等信息，還可以顯示不同速度、不同動(dòng)作方式的文本及預(yù)置圖型。它可以吊掛在脖子上或者夾在衣服上，作為公共場(chǎng)所個(gè)人及企業(yè)身份的證明及宣傳之用。LED胸牌既可以顯示中文，也可以顯示英文。對(duì)于那些需要顯示的信息量不是很大，分辨率不是很高，制造成本較低的場(chǎng)合，使用小屏幕LED點(diǎn)陣顯示器比較適用。電源大多采用鋰電池，鋰電池具有使用壽命長(zhǎng)、能量較高、重量輕和高低溫適應(yīng)能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

目前，大多數(shù)LED胸牌的點(diǎn)陣顯示系統(tǒng)自帶字庫，顯示效果主要靠硬件掃描來驅(qū)動(dòng)，該方法比較簡(jiǎn)單，但是顯示只能按照預(yù)先的硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行，不能隨意改動(dòng)，因此顯示方式單一，顯示內(nèi)容不能隨意更改，體積較大不適合隨身攜帶。[3]除此之外，也可使用8位單片機(jī)作為核心控制芯片，實(shí)現(xiàn)字符、數(shù)字、漢字和簡(jiǎn)單圖形的顯示。但是由于8位單片機(jī)的功耗較大，體積較大，而且運(yùn)算速度和通信速率都較低，實(shí)際顯示效果會(huì)有比較明顯的閃爍感。為了克服以上缺點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)的電子胸牌采用低功耗、小體積、高性能、低價(jià)格的基于Cortex－M0內(nèi)核的LPC1112作為主控芯片，12×36的LED點(diǎn)陣屏能夠?qū)崿F(xiàn)8種動(dòng)態(tài)顯示，通過按鍵切換顯示方式能夠開機(jī)自檢，并且可通過USB接口方便地更新顯示數(shù)據(jù)。

1 電子胸牌設(shè)計(jì)要求

針對(duì)市場(chǎng)的實(shí)際需要，從使用角度出發(fā)，本文設(shè)計(jì)的電子胸牌是小型的LED顯示屏，輕巧美觀，可以掛在胸前，能夠顯示漢字或者字符。

1.1 功能描述

電子胸牌掛于胸前主要用于顯示姓名以及其他提示信息，例如：

① 顯示功能：能顯示3個(gè)漢字或者5個(gè)字符，并且包括左移、右移、上移、下移、中分、雪花、固定、動(dòng)畫8種顯示方式，具有跑馬燈以及閃爍功能。

② 上位機(jī)能夠通過USB口，更新下位機(jī)顯示數(shù)據(jù)，更新完成后正常顯示。

③ 兩個(gè)按鍵分別實(shí)現(xiàn)4級(jí)亮度的調(diào)整和顯示條目的切換。

④ 具有開機(jī)自檢功能，開機(jī)可進(jìn)行全屏顯示，檢測(cè)LED點(diǎn)陣有無壞點(diǎn)。

1.2 運(yùn)行環(huán)境說明

工作環(huán)境要求為環(huán)境溫度在5～40℃；相對(duì)濕度≤80%；大氣壓強(qiáng)為86～106kPa。

存儲(chǔ)環(huán)境要求為環(huán)境溫度在－20～55℃；相對(duì)濕度≤93%；大氣壓強(qiáng)為50～106kPa。

2 電子胸卡的工作原理

電子胸卡主要包括硬件電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。硬件電路部分包括LPC1112主控芯片、LED點(diǎn)陣顯示電路、顯示驅(qū)動(dòng)電路、USB接口電路和SWD調(diào)試電路等。軟件部分主要包括主控界面更新內(nèi)容顯示、控制動(dòng)態(tài)顯示效果的代碼編寫。通過按鍵，選擇顯示信息的動(dòng)態(tài)效果（如上下移動(dòng)、左右移動(dòng)、中分、雪花等不同的顯示效果），以及改變移動(dòng)速度或閃爍。其通過USB接口傳輸文件信息。

3 電子胸牌設(shè)計(jì)方案

2010年初，恩智浦（NXP）公司推出了基于ARM 32位Cortex－M0內(nèi)核的 LPC1100MCU系列芯片[4]，其中LPC1112性能卓越、簡(jiǎn)單易用、功耗低，它以8位處理器的價(jià)位實(shí)現(xiàn)了32位處理器的性能[5]。該系統(tǒng)的主控芯片采用基于Cortex－M0內(nèi)核的NXP公司的LPC1112芯片，外設(shè)包括LED點(diǎn)陣顯示屏、電源電路（可由電池供電）、鍵盤、UART接口以及USB接口等。硬件電路框圖如圖1所示。

圖1 胸牌整體設(shè)計(jì)電路框圖

3.1 核心控制芯片

本系統(tǒng)采用的主控制芯片LPC1112具有33個(gè)引腳，工作頻率高達(dá)50MHz，工作電壓3.3V，具備3種節(jié)能方式[6]。

由于LPC1112芯片擁有極低功耗的特性，可通過鋰電池進(jìn)行供電，能夠持續(xù)工作8～10小時(shí)，而且體積很小（7mm×7mm×0.85mm），非常適用于胸牌的應(yīng)用。使用起來簡(jiǎn)單、便捷，可以通過USB接口對(duì)鋰電池進(jìn)行充電，還能夠?qū)﹄娮有嘏浦械娘@示內(nèi)容和方式進(jìn)行更新。

3.2 電源供電系統(tǒng)[7]

LPC1112芯片工作電壓為3.3V，所以需要設(shè)計(jì)的電源電路輸出為3.3V。為了最大限度地降低成本，可以采用1N4148[8]降壓。1N4148是一種小型的高速開關(guān)二極管，開關(guān)比較迅速。電源電路圖如圖2所示。a點(diǎn)電壓為5V，1N4148壓降為0.7V，則b點(diǎn)的理想電壓為4.3V，實(shí)際電壓稍小于4.3V，此電壓為74HC595供電。

圖2 電源電路

74HC595是8位串行輸入、并行輸出移位寄存器，可把串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為并行數(shù)據(jù)，輸出到LED點(diǎn)陣屏。74HC595有一個(gè)級(jí)聯(lián)輸出端Q7，可連至下一片74HC595的數(shù)據(jù)輸入端，這樣就可以很方便地實(shí)現(xiàn)多片74HC595的芯片級(jí)聯(lián)，極大地節(jié)省了LPC1112的I／O引腳資源。LPC1112僅需要時(shí)鐘、數(shù)據(jù)、鎖存和片選4個(gè)I／O引腳即可實(shí)現(xiàn)通信。

電源電路再經(jīng)過一個(gè)1N4148降壓0.7V，c點(diǎn)理想電壓為3.6V[9]，實(shí)際測(cè)試電壓稍小于3.6V，輸出為L(zhǎng)PC1112供電。本系統(tǒng)工作時(shí)采用鋰電池供電，同時(shí)還可充電，充電時(shí)通過USB接口即可實(shí)現(xiàn)。

3.3 USB串口轉(zhuǎn)換電路

筆記本電腦因?yàn)榭臻g的限制和其他原因都沒有串口，這為某些需要串口通信功能的人們帶來了苦惱。為解決此問題，本文采用PL2303HX芯片[10]，為客戶解決無串口的問題。PL2303HX是Prolific公司生產(chǎn)的一種高度集成的RS232－USB接口轉(zhuǎn)換器，可提供一個(gè)RS232全雙工異步串行通信裝置與USB功能接口便利連接的解決方案。

PL2303HX采用28引腳貼片SOIC封裝，工作頻率為12MHz，符合USB1.1通信協(xié)議，可以直接將USB信號(hào)轉(zhuǎn)換成串口信號(hào)，波特率范圍很寬，支持5、6、7、8、16共5種數(shù)據(jù)位。

當(dāng)胸牌需要更新顯示內(nèi)容時(shí)，可通過miniUSB接口電纜線連到電腦的USB接口，安裝驅(qū)動(dòng)程序后，會(huì)在電腦上出現(xiàn)一個(gè)虛擬串口，上位機(jī)軟件可以通過這個(gè)串口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)下載。PL2303HX將USB數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為串口數(shù)據(jù)，連至LPC1114的UART接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。USB－串口轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

3.4 12×36LED點(diǎn)陣顯示電路

圖3 PL2303HX USB－串口轉(zhuǎn)換電路

LED點(diǎn)陣顯示電路由12×36個(gè)LED組成的點(diǎn)陣屏和行列驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成。由于LED數(shù)量較多，點(diǎn)亮整個(gè)LED屏需要很大的功率，需要驅(qū)動(dòng)電路對(duì)LED各行各列驅(qū)動(dòng)顯示[11]。為實(shí)現(xiàn)低功耗，行列均用74HC595芯片來驅(qū)動(dòng)[12]，并通過LPC1112來控制行列的選通。圖4是顯示驅(qū)動(dòng)電路。74HC595是一款漏極開路輸出的CMOS移位寄存器，輸出端口是可控的三態(tài)輸出端。電路中74HC595供電電壓為4.2V，Q0～Q7為三態(tài)輸出，Q7′為串行輸出，Ds為串口輸入。從74HC595A的Q7′引腳輸出信號(hào)到74HC595B的Ds引腳。

不論顯示字符還是漢字，都是通過控制相應(yīng)的二極管的通斷來實(shí)現(xiàn)顯示功能的[12]。在顯示效果部分，采用逐行掃描的方式實(shí)現(xiàn)固定顯示效果。動(dòng)態(tài)顯示方式是利用對(duì)顯示屏的不同掃面方式來實(shí)現(xiàn)的，如上下移動(dòng)、左右移動(dòng)、閃爍等。利用掃描方式和讀取點(diǎn)陣數(shù)據(jù)順序的不同來實(shí)現(xiàn)不同的顯示效果。

圖4 顯示驅(qū)動(dòng)電路

3.5 SWD調(diào)試接口

SWD調(diào)試方式與傳統(tǒng)的調(diào)試方式相比，具有以下優(yōu)勢(shì)：一是SWD模式比JTAG在高速模式下更可靠，在大數(shù)據(jù)的情況下JTAG下載程序會(huì)失敗，但SWD發(fā)生的幾率會(huì)小很多；二是SWD模式占用的GPIO引腳少；三是SWD模式電路體積小[13]。

SWD調(diào)試的硬件接口只需要5個(gè)引腳：VDD（電源）、SWDIO（數(shù)據(jù)）、SWCLK（時(shí)鐘）、RESET（復(fù)位）和GND（地）。

3.6 軟件設(shè)計(jì)功能模塊

軟件功能模塊介紹如下：

LED顯示模塊：提供LED顯示、控制、操作的基本功能，為界面顯示模塊提供服務(wù)。

按鍵處理模塊：通過對(duì)按鍵的識(shí)別判斷，用于界面顯示的控制。

圖5 主程序流程圖

IAP讀寫Flash模塊：提供讀、寫、擦除MCU內(nèi)部Flash的基本操作。74HC595A驅(qū)動(dòng)模塊：提供對(duì)74HC595A數(shù)據(jù)的寫入，以及對(duì)LED矩陣的掃描方式。

USB數(shù)據(jù)更新模塊：與上位機(jī)軟件進(jìn)行交互，配合IAP讀寫Flash數(shù)據(jù)，將需要更新的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到MCU的內(nèi)部Flash中。

主程序流程圖如圖5所示。

4 結(jié)果分析

圖6 LED胸牌顯示漢字

圖6是LED胸牌顯示的漢字。通過整機(jī)調(diào)試，LED顯示運(yùn)行可靠、穩(wěn)定。顯示狀態(tài)包括左移、右移、上移、下移、中分、雪花、固定、動(dòng)畫8種顯示方式，具有跑馬燈以及閃爍功能。

同時(shí)其還具有開機(jī)自檢功能，已檢測(cè)LED點(diǎn)陣無壞點(diǎn)。

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