林秀明，秦德茂，秦秋息

(1.廣西大學電氣工程學院，廣西　南寧　530004；2.廣西交通科學研究院，廣西　南寧　530007)

?

基于STM32實現(xiàn)多區(qū)域顯示的LED點陣屏的設(shè)計

林秀明1，2，秦德茂2，秦秋息2

(1.廣西大學電氣工程學院，廣西南寧530004；2.廣西交通科學研究院，廣西南寧530007)

林秀明(1983—)，工程師，在讀碩士，主要從事交通行業(yè)電子產(chǎn)品的硬件開發(fā)工作；

秦德茂(1991—)，助理工程師，主要從事交通行業(yè)電子產(chǎn)品硬件電路設(shè)計工作；

秦秋息(1988—)，助理工程師，主要從事嵌入式系統(tǒng)移植及底層驅(qū)動程序設(shè)計工作。

摘要：文章介紹了基于STM32為主控芯片的LED點陣顯示屏的硬件電路及系統(tǒng)工作原理，并提出了一種使用C語言數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體和鏈表的編程技術(shù)，實現(xiàn)顯示屏多節(jié)目、多區(qū)域顯示功能的程序設(shè)計方法。

關(guān)鍵詞：STM32；LED點陣顯示屏；C語言；多區(qū)域顯示；設(shè)計

0引言

LED點陣顯示屏作為一種新型節(jié)能的廣告信息傳播媒體，可播放動態(tài)的文字[1]和圖像信息，具備了播放信息內(nèi)容豐富、顯示效果多樣可變、運行穩(wěn)定、耗電量低等優(yōu)點，在日常生活中有著非常廣泛的應用，然而針對不同的應用場合，用戶對顯示屏顯示內(nèi)容的要求也不同，除了單純顯示文字之外，可能還需要同時能夠顯示圖片、時鐘等信息。如設(shè)置在生產(chǎn)車間、項目施工現(xiàn)場等生產(chǎn)場所的LED顯示屏，顯示版面除了發(fā)布安全生產(chǎn)標語外，還可能需要發(fā)布生產(chǎn)倒計時、時鐘圖案、任務(wù)表格、氣象等信息。每種信息內(nèi)容、顯示效果及在顯示屏上的顯示區(qū)域的位置、大小均可以進行自由設(shè)置，自動更新。因此，設(shè)計一款能夠?qū)ζ聊贿M行多區(qū)域劃分，排版靈活的LED點陣顯示屏[2]具有非常現(xiàn)實的意義。

1LED點陣顯示屏的系統(tǒng)組成及電路工作原理介紹

LED點陣顯示屏[3]主要由電源供電系統(tǒng)、顯示屏單元板和顯示屏系統(tǒng)控制卡組成，如圖1所示。

圖1　LED點陣顯示屏結(jié)構(gòu)示意圖

1.1　電源供電系統(tǒng)

供電系統(tǒng)主要負責給控制卡、顯示屏體進行供電，控制卡及顯示屏所需的供電電壓為DC 5 V，因此系統(tǒng)通常采用5 V的直流開關(guān)電源進行供電，電源的數(shù)量及功率可根據(jù)顯示屏的功率進行配置。

1.2　顯示單元板電路原理

圖1中，顯示屏的屏體為若干數(shù)量的點陣顯示單元板拼接組成，這種模塊化的設(shè)計方式，可以靈活地對顯示屏幕的大小進行配置，能夠滿足不同的安裝使用環(huán)境，同時也大大簡化了顯示屏的生產(chǎn)、運輸及現(xiàn)場安裝、維護的難度。

顯示屏單元板集成了LED燈陣列及其驅(qū)動電路，驅(qū)動電路主要由LED點陣行掃描驅(qū)動電路及列驅(qū)動電路組成，行驅(qū)動電路主要是場效應管控制的LED點陣行開關(guān)電路，列驅(qū)動電路為帶數(shù)據(jù)輸出鎖存功能的串/并轉(zhuǎn)換功能芯片，如74HC595、MBI5024等芯片構(gòu)成的LED列驅(qū)動電路。其電路基本原理圖如圖2所示。

圖2　LED點陣顯示單元板基本原理圖

圖2中，DAT為串并轉(zhuǎn)換驅(qū)動芯片的數(shù)據(jù)輸入端，LED點陣列數(shù)據(jù)由此輸入，S為芯片數(shù)據(jù)移位控制時鐘輸入，L為數(shù)據(jù)鎖存時鐘輸入，OE為驅(qū)動芯片內(nèi)部寄存器數(shù)據(jù)輸出使能，控制LED點陣列數(shù)據(jù)從芯片內(nèi)部的寄存器到并行數(shù)據(jù)管腳的輸出，CSx(x為1~n，n一般≤16)為LED屏行選信號控制信號，通常為譯碼器的譯碼輸出。電路工作原理分析如下：

控制卡將顯示的數(shù)據(jù)流從DAT端輸入，并控制S移位時鐘使得數(shù)據(jù)流逐位向箭頭方向移動，當最先送出的數(shù)據(jù)位移動到該行的串并轉(zhuǎn)換驅(qū)動芯片數(shù)據(jù)末端時，控制卡在L端產(chǎn)生鎖存信號將數(shù)據(jù)流鎖存到串/并轉(zhuǎn)換驅(qū)動芯片的內(nèi)部寄存器中，最后通過控制使能信號OE，將數(shù)據(jù)流輸出至芯片外接LED燈的管腳上。此時，控制卡控制對應的行選驅(qū)動信號CSx(x為1~n)輸出低電平時，對應的行驅(qū)動場效應管導通，+5V電壓輸出到該行LED燈的正極上，則該行對應在驅(qū)動芯片端口上的數(shù)據(jù)為0的LED燈珠就會被點亮，為1的LED燈則被熄滅。同理，控制卡通過掃描改變行選信號CSx的狀態(tài)及DAT數(shù)據(jù)內(nèi)容，即可完成顯示屏每一行上的LED燈的掃描點亮。根據(jù)人類視覺的暫留特性可知，當每一行點亮時間間隔<0.1 s時，在屏幕上就會看到一幅完整的顯示圖像。

1.3　顯示屏系統(tǒng)控制卡的電路基本原理

系統(tǒng)控制卡為基于STM32微控制器進行設(shè)計的，其外圍芯片擴展的電路屬于典型SPI總線、FSMC總線擴展電路，較為常見但連接的線路信號也較多，鑒于篇幅有限，本文使用電路原理框圖的方式來對系統(tǒng)控制卡的電路原理進行介紹，如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)控制卡功能模塊框圖

圖3中，STM32F207ZGT6是32位ARM CortexTM-M3內(nèi)核的微控制器[3-4]，主要負責接收并存儲上位機發(fā)送的節(jié)目數(shù)據(jù)并保存到片外Flash存儲器中，同時控制顯示單元板驅(qū)動電路，將顯示緩存上的數(shù)據(jù)信息輸出到屏幕上，完成節(jié)目的顯示。另外，屏幕分區(qū)顯示、顯示特效等排版功能的實現(xiàn)也是通過對STM32F207 ZGT6進行軟件編程，通過內(nèi)部定時刷新顯示緩存內(nèi)容來完成的。

SST25VF032B為SPI接口的32Mbit Flash存儲芯片[5]，用于對顯示節(jié)目數(shù)據(jù)、顯示屏IP地址等掉電需要保存的數(shù)據(jù)進行存儲。IS61LV51216為8Mbit的高速SRAM芯片，通過MCU的FSMC總線進行連接，主要用于上位機數(shù)據(jù)的接收、顯示屏顯示緩存的劃分、顯示數(shù)據(jù)排版處理等軟件運行所需的數(shù)據(jù)緩存。

上位機通過UDP協(xié)議[6-7]與LED點陣顯示屏進行通訊[8]，實現(xiàn)顯示屏配置參數(shù)、顯示內(nèi)容等數(shù)據(jù)信息的聯(lián)網(wǎng)更新及遠程控制功能[9]。通訊電路采用了NS公司的集成以太網(wǎng)控制芯片DP83848C設(shè)計，該芯片為10/100Mbit單路物理層以太網(wǎng)收發(fā)器件，支持MII和RMII的接口模式，具有體積小、功耗低、性能齊全的特點。

25M時鐘晶振電路及復位電路主要給主控MCU提供時鐘信號和上電復位信號，保證MCU的正常運行。電源供電電路為三端穩(wěn)壓芯片AMS1117-3.3 V給系統(tǒng)提供3.3 V電源。

2LED點陣顯示屏系統(tǒng)控制卡軟件設(shè)計

2.1　系統(tǒng)控制卡與上位機通信協(xié)議的設(shè)計

2.1.1LED屏節(jié)目數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計

本方案設(shè)計中，系統(tǒng)控制卡具備多節(jié)目、多個區(qū)域顯示播放的功能，每個節(jié)目里可分別設(shè)置節(jié)目的播放時間，顯示區(qū)域分區(qū)數(shù)目及各區(qū)域內(nèi)的播放內(nèi)容、播放頁數(shù)、每個頁面的播放特效等信息。因此，上位機向LED屏發(fā)送的節(jié)目數(shù)據(jù)中應包括：節(jié)目號、節(jié)目播放時間、節(jié)目區(qū)域總數(shù)、區(qū)域號、區(qū)域位置信息、區(qū)域顯示頁數(shù)、區(qū)域各頁的顯示特技、區(qū)域顯示數(shù)據(jù)等信息。節(jié)目數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　節(jié)目數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖

2.1.2通訊數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)的定義

控制卡與上位機通信的過程中，主要有數(shù)據(jù)及命令類2類信息。數(shù)據(jù)類主要為顯示屏的節(jié)目信息、字體字庫數(shù)據(jù)等內(nèi)容。命令類主要用于對顯示屏進行參數(shù)的配置功能，如修改信息屏的IP地址、標識號、屏體像素大小、時間校時、亮度控制等命令。因此，數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)定義如下：

數(shù)據(jù)幀頭+信息屏標識+數(shù)據(jù)類型+數(shù)據(jù)幀總長度+數(shù)據(jù)內(nèi)容+數(shù)據(jù)幀尾

控制卡接收到上位機發(fā)送來的數(shù)據(jù)時，可通過對數(shù)據(jù)幀頭、信息屏標識、數(shù)據(jù)幀總長度及數(shù)據(jù)幀尾的判讀，完成數(shù)據(jù)的接收并根據(jù)數(shù)據(jù)類型選擇數(shù)據(jù)的處理方式。

2.2　軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件主要實現(xiàn)以下兩大功能：

(1)對上位機發(fā)送數(shù)據(jù)的接收及處理程序

主控MCU的軟件設(shè)計上采用嵌入式實時操作系統(tǒng)RT-Thread[10]，搭配LWIP網(wǎng)絡(luò)微協(xié)議，實現(xiàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸。采用LWIP的socket[11]編程，通過UDP協(xié)議接收來自上位機的數(shù)據(jù)，并根據(jù)協(xié)議定義完成數(shù)據(jù)的存儲及處理。根據(jù)3.1.1節(jié)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，通過在程序設(shè)計中定義一個節(jié)目的結(jié)構(gòu)體類型，用來存儲每個節(jié)目信息。程序中采用動態(tài)分配內(nèi)存的方式存儲數(shù)據(jù)，可以適應不同個數(shù)的節(jié)目和區(qū)域節(jié)目單數(shù)據(jù)的接收和存儲，滿足多條節(jié)目單信息顯示的同時也提高了內(nèi)存使用效率。

以下是節(jié)目結(jié)構(gòu)體結(jié)構(gòu)及節(jié)目鏈表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5中，*data_file_head：指向文件窗鏈表頭指針；*data_ins_head：指向內(nèi)碼窗鏈表頭指針；*Display_string：指向內(nèi)碼窗字符串首地址；*Display_Dataxbytes：指向文件窗數(shù)據(jù)首地址。

圖5　節(jié)目鏈表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)示意圖

節(jié)目顯示數(shù)據(jù)的接收處理過程如圖6所示，程序流程圖見圖7。

圖6　數(shù)據(jù)接收處理過程

(2)LED屏顯示掃描驅(qū)動程序

顯示驅(qū)動程序主要工作流程為：在RT-Thread系統(tǒng)中分配一塊RAM作為顯示緩存區(qū)，顯存上的每個數(shù)據(jù)位與LED屏的每個像素進行一一對應，根據(jù)1.2節(jié)

介紹的單元板電路工作原理可知，通過LED顯示掃描輸出線程，定時對顯存上的數(shù)據(jù)進行掃描更新，并按單元板驅(qū)動電路邏輯要求輸出到單元板中，完成顯存信息輸出。具體軟件工作流程如圖7所示。

圖7　軟件設(shè)計工作流程圖

4結(jié)語

本設(shè)計方案已經(jīng)在廣西高速公路ETC車道LED點陣顯示屏中得到實際應用，系統(tǒng)軟件設(shè)計中采用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體及數(shù)據(jù)鏈表的編程方法，實現(xiàn)了對動態(tài)數(shù)據(jù)進行快速存儲與訪問，可為相關(guān)的動態(tài)數(shù)據(jù)處理提供一種可借鑒的設(shè)計思路。

參考文獻

[1]王海梅.取模軟件在LED顯示屏設(shè)計中的使用與分析[J].科技信息，2014(6)：59.

[2]郝國法，楊姣.LED大屏幕控制電路設(shè)計方案研究[J].電視技術(shù)，2005，10(11)：94.

[3]汪嵐.智能LED信息顯示屏控制系統(tǒng)設(shè)計與應用[J].液晶與顯示，2011，26(5)：657.

[4]楊明極，祝慶峰，李碩.基于STM32的嵌入式網(wǎng)絡(luò)控制器設(shè)計[J].測控技術(shù)，2014.10：98-101.

[5]Silicon Storage Technology.S71327-00-000[DB/OL].

http：//html.alldatasheet.com/html-pdf/191699/SST/SST25VF032B/58/1/SST25VF032B.html，2006-10：1.

[6]王鐵流，高嵩，袁海英.基于Cortex-M3內(nèi)核處理器的嵌入式Web服務(wù)器設(shè)計[J].電子產(chǎn)品世界，2009，16(3)：41-43.

[7]王文良.嵌入式TCP/IP協(xié)議棧的研究與實現(xiàn)[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學，2010.

[8]陳學泉，關(guān)宇東.嵌入式TCP/IP協(xié)議單片機技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)通信中的應用[J].電子技術(shù)應用，2002，28(8)：48-49.

[9]于春雪.基于STM32F107的高速以太網(wǎng)接口設(shè)計與應用[J].電聲技術(shù)，2011，35(9)：63-67.

[10]李琦，李梅.基于RT-Thread的工業(yè)遠程控制器設(shè)計[J].實驗室研究與探索，2013，32(9)：61-64.

[11]劉駿，顏鋼鋒.基于Socket的網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)及其實現(xiàn)[J].江南大學學報(自然科學版)，2004，3(3)：249-251.

Design of LED Dot Matrix Screen Achieving Multi-zone Display Based on STM32

LIN Xiu-ming1，2，QIN De-mao2，QIN Qiu-xi2

(1.School of Electrical Engineering，Guangxi University，Nanning，Guangxi，530004； 2.Guangxi Transporta-tion Research Institute，Nanning，Guangxi，530007)

Abstract：This article introduced the hardware circuit and system work principles of LED dot matrix display based on STM32 as main controller chips，and proposed a programming design method which is a pro-gramming technology by using the C language data structures and list and can achieve multi-program display and multi-zone function display.

Keywords：STM32； LED dot matrix display； C language； Multi-zone display； Design

收稿日期：2015-04-06

文章編號：1673-4874(2015)05-0075-03

中圖分類號：U412.36+6

文獻標識碼：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2015.05.021

作者簡介