張開(kāi)生，彭 朋

(陜西科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710021)

基于LPC2103的LED顯示字庫(kù)無(wú)線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張開(kāi)生，彭 朋

(陜西科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710021)

針對(duì)LED顯示屏的字庫(kù)更新和數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題，采用嵌入式微處理器LPC2103作為L(zhǎng)ED顯示屏的控制中樞，通過(guò)IAP技術(shù)存儲(chǔ)和更新其內(nèi)部Flash中的字庫(kù)數(shù)據(jù)，采用ZigBee技術(shù)無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)。重點(diǎn)闡述了在存儲(chǔ)和更新LED顯示屏的字庫(kù)時(shí)，上位機(jī)通過(guò)ZigBee協(xié)調(diào)器把LED顯示屏需要更新的字庫(kù)數(shù)據(jù)無(wú)線發(fā)送給與LPC2103相連的ZigBee終端節(jié)點(diǎn)，終端節(jié)點(diǎn)將該數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)給LPC2103，再利用IAP技術(shù)對(duì)LPC2103內(nèi)部Flash進(jìn)行單獨(dú)編程操作，達(dá)到存儲(chǔ)和更新字庫(kù)數(shù)據(jù)的目的。實(shí)驗(yàn)表明，構(gòu)建的LED字庫(kù)數(shù)據(jù)無(wú)線更新系統(tǒng)運(yùn)行良好，切實(shí)可行。

IAP；LPC2103；LED顯示屏;字庫(kù)更新；ZigBee數(shù)據(jù)傳輸

隨著現(xiàn)代生活節(jié)奏的加快， LED顯示屏成了人們?nèi)粘Ｉ罟ぷ髦胁豢扇鄙俚牟糠郑瑥V泛應(yīng)用于車(chē)站、廣場(chǎng)、企事業(yè)單位等場(chǎng)所，成為發(fā)布信息的極好工具[1]。傳統(tǒng)的LED顯示技術(shù)通常把單片機(jī)作為微控制器，但是單片機(jī)受時(shí)鐘頻率(通常為12 MHz)的限制，當(dāng)LED顯示屏顯示的數(shù)據(jù)量較大時(shí)，則會(huì)因?yàn)閽呙杷俣忍鴮?dǎo)致LED顯示屏出現(xiàn)閃爍，造成不穩(wěn)定的視覺(jué)效果，為此系統(tǒng)采用嵌入式微處理器LPC2103作為控制器[2]，不僅提高了微處理器的運(yùn)算速度及系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時(shí)由于LPC2103自帶的PLL(鎖相環(huán))電路可以使系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率倍頻到70 MHz。

從顯示字庫(kù)存儲(chǔ)位置的角度出發(fā)，市場(chǎng)上現(xiàn)有的LED屏的顯示字庫(kù)在微處理器中的存放位置一般分為兩種，一種是把顯示字庫(kù)同主函數(shù)、子函數(shù)一樣直接存在微處理器處的內(nèi)部ROM或Flash中，缺陷是當(dāng)需要更新LED屏的顯示字庫(kù)時(shí)，除了更新顯示字庫(kù)外，還需要連同主函數(shù)、子函數(shù)也要一起更新，而這些操作，需要操作人員具有專(zhuān)業(yè)的技能才能做到。另一種是把字庫(kù)放在處理器拓展的外部存儲(chǔ)器中，這種方法的缺陷是需要擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器，這樣不僅降低了數(shù)據(jù)的讀取速度，而且還增加了系統(tǒng)成本。為了解決上述問(wèn)題，系統(tǒng)把顯示字庫(kù)放在LPC2103的內(nèi)部Flash中，首次采用IAP(In-Application Programming)[3-6]技術(shù)只對(duì)存放顯示字庫(kù)的那部分Flash進(jìn)行操作，較好的解決了上述問(wèn)題。

從顯示字庫(kù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕嵌瘸霭l(fā)，市場(chǎng)上現(xiàn)有的LED顯示屏當(dāng)需要更新顯示字庫(kù)時(shí)一部分是通過(guò)有線與上位機(jī)連接的[7]，有線連接受到距離、場(chǎng)地、布線復(fù)雜度高的限制；另一部分則是通過(guò)WiFi、藍(lán)牙等無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與上位機(jī)連接的，WiFi在沒(méi)有Internet的場(chǎng)合則無(wú)法工作；藍(lán)牙則不能自組網(wǎng)，而系統(tǒng)采用ZigBee通信技術(shù)來(lái)無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)，較好地解決了上述問(wèn)題。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于LPC2103的LED顯示字庫(kù)無(wú)線更新系統(tǒng)，主要由計(jì)算機(jī)、ZigBee通信模塊以及LED顯示屏3部分組成[1]。計(jì)算機(jī)的USB通過(guò)RS-232與協(xié)調(diào)器的串口相連，LPC2103與終端節(jié)點(diǎn)相連，由于一個(gè)協(xié)調(diào)器可以同時(shí)和多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)通信，每個(gè)要更新顯示內(nèi)容的LED顯示屏連接一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，然后把這些終端節(jié)點(diǎn)都加入同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，這樣即可一次更新多個(gè)LED顯示屏的顯示內(nèi)容。系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)

當(dāng)需要更新LED顯示屏的內(nèi)容時(shí)，首先組建以協(xié)調(diào)器為中心節(jié)點(diǎn)的星型網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)建立完成后，計(jì)算機(jī)通過(guò)上位機(jī)軟件將要更新的數(shù)據(jù)內(nèi)容通過(guò)串口發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器收到數(shù)據(jù)之后，將數(shù)據(jù)發(fā)送給各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，終端節(jié)點(diǎn)然后將數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳給LED顯示屏的微處理器LPC2103，LPC2103收到數(shù)據(jù)之后通過(guò)IAP程序?qū)?shù)據(jù)寫(xiě)到自身的Flash中，然后從Flash中讀出這部分?jǐn)?shù)據(jù)，替換原有的LED顯示字庫(kù)，從而達(dá)到只更新LED顯示屏字庫(kù)的目的。

在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)包可以被單播、多播或廣播。一個(gè)多播數(shù)據(jù)包發(fā)送給一組設(shè)備，這就保證了一次可以更新多個(gè)LED顯示屏。由于LPC2103有32 kbyte的片內(nèi)Flash，可以實(shí)現(xiàn)IAP編程，這樣就可以不用擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器，而直接把內(nèi)部Flash當(dāng)做EEPROM來(lái)時(shí)使用，這樣在更新顯示屏內(nèi)容時(shí)不用重新對(duì)LPC2103進(jìn)行程序燒寫(xiě)，只需要通過(guò)串口就可以更新想要更新的內(nèi)容。

2 實(shí)現(xiàn)方案

2.1 IAP軟件設(shè)計(jì)

LPC2103是一個(gè)基于支持實(shí)時(shí)仿真的16/32位ARM7 TDMI-S CPU的微控制器，內(nèi)部有8 kbyte的片內(nèi)靜態(tài)RAM和32 kbyte的片內(nèi)Flash程序存儲(chǔ)器；單個(gè)扇區(qū)或整片扇區(qū)擦出時(shí)間為100 ms，256 byte編程時(shí)間為1 ms；有多個(gè)串口，包括2個(gè)UART(16C550協(xié)議)。

對(duì)Flash的編程操作分為兩種，一種是在系統(tǒng)編程(ISP)，另一種是在應(yīng)用編程(IAP)。所謂在系統(tǒng)編程(ISP)是通過(guò) Boot 裝載程序和UART0 對(duì)片內(nèi) Flash 存儲(chǔ)器進(jìn)行擦除/編程的方法[9]，如圖2所示。

圖2 ISP 編程示意圖

所謂在應(yīng)用編程(IAP)是用戶的應(yīng)用代碼對(duì)片內(nèi) Flash 存儲(chǔ)器進(jìn)行擦除/編程的方法，如圖3 所示。

圖3 IAP 編程示意圖

基于LPC2103的LED顯示字庫(kù)無(wú)線更新系統(tǒng)中，為了對(duì)LED屏顯示字庫(kù)進(jìn)行更新，需要一塊單獨(dú)存儲(chǔ)字庫(kù)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)區(qū)域。LPC2103具有32 kbyte的Flash，存儲(chǔ)在LPC2103 Flash中的正常顯示程序只有十幾kbyte，如果LPC2103擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器(如EEPROM)專(zhuān)門(mén)用來(lái)存儲(chǔ)LED屏字庫(kù)數(shù)據(jù)，不僅提高了成本，對(duì)LPC2103的資源造成浪費(fèi)，而且降低了數(shù)據(jù)的讀取速度，因此系統(tǒng)采用IAP技術(shù)對(duì)LPC2103的Flash進(jìn)行編程操作，來(lái)存儲(chǔ)LED屏字庫(kù)數(shù)據(jù)。LPC2103的Flash分為8個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)4 kbyte，如表1所示。

表1 LPC2103的Flash扇區(qū)

要對(duì)內(nèi)部Flash進(jìn)行寫(xiě)操作，首先要知道對(duì)哪個(gè)扇區(qū)的Flash進(jìn)行操作，可以用LPC2000 Buffer Utility查看hex文件在LPC2103 Flash中的存儲(chǔ)詳情，此外點(diǎn)擊LPC2000 Buffer Utility中的Download Flash按鈕可以讀出處理器中當(dāng)前的hex文件，用這種方法可以查看IAP對(duì)Flash的寫(xiě)操作是否成功。要用IAP對(duì)Flash進(jìn)行操作，需要按步驟進(jìn)行操作，如圖4所示。

圖4 片內(nèi)Flash編程步驟

IAP對(duì)Flash進(jìn)行編程操作時(shí)一次至少對(duì)一個(gè)扇區(qū)進(jìn)行操作[8]，所以一次寫(xiě)入的字節(jié)數(shù)固定為256、512、1 024 或者 4 096。 IAP程序運(yùn)行時(shí)要關(guān)閉所有的中斷，特別注意的是要在啟動(dòng)代碼Startup.s文件中的InitStack函數(shù)內(nèi)設(shè)置系統(tǒng)堆棧模式，程序如下：

MSR CPSR_c， #0xdf

LDR SP，=StackUsr-32

MOV PC， R0

為了提高LPC2103的掃描速度，當(dāng)LED顯示屏不需要更新顯示內(nèi)容時(shí)，LPC2103只執(zhí)行當(dāng)前的顯示程序，而不執(zhí)行IAP程序，所以在LED顯示屏的控制模塊中增加一個(gè)按鍵，當(dāng)需要無(wú)線更新LED顯示屏的顯示內(nèi)容時(shí)，上位機(jī)要先發(fā)送一個(gè)低電平給LPC2103，按下按鍵，當(dāng)檢測(cè)到按鍵按下后LED顯示屏微處理器(LPC2103)的串口開(kāi)始接收數(shù)據(jù)，接收完以后，把該數(shù)據(jù)寫(xiě)到Flash相關(guān)的扇區(qū)中，然后從該扇區(qū)讀出該數(shù)據(jù)，相關(guān)代碼如下：

if((IOPIN&KEY)==0) //檢測(cè)按鍵是否按下

{

DelayNS(3)；//延時(shí)一會(huì)

if((IOPIN&KEY)==0)//按鍵確實(shí)按下

{

for(i=0；i<512；i++)

{

uiBuf[i]=jieshou()；//從串口接收字符串

}

/*把從串口接收到的數(shù)據(jù)寫(xiě)到Flash中*/

WriteFlash(DestAddr， (uint32)uiBuf， 512)；

ReadFlash()；//從Flash中讀出該數(shù)據(jù)

}

}

LED顯示屏的微處理器LPC2103從串口接收到的數(shù)據(jù)最開(kāi)始存儲(chǔ)在RAM中，此時(shí)給LPC2103掉電或者復(fù)位以后該數(shù)據(jù)就會(huì)丟失。為了不讓該數(shù)據(jù)丟失，在沒(méi)有擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器(例如EEPROM)的條件下，只能將該數(shù)據(jù)從RAM寫(xiě)到內(nèi)部Flash中，相關(guān)代碼如下：

uint8 WriteFlash(uint32 dst， uint32 src， uint32 no)

{

SelSector((dst/0x1000)，(dst+no)/0x1000)； //選擇扇區(qū)

EraseSector((dst/0x1000)，(dst+no)/0x1000)； //擦除扇區(qū)

BlankCHK((dst/0x1000)，(dst+no)/0x1000)； //查空扇區(qū)

elSector((dst/0x1000)，(dst+no)/0x1000)； //選擇扇區(qū)

RamToFlash(dst，src，no)； //寫(xiě)數(shù)據(jù)到Flash

return(Compare(dst，src，no))； //比較數(shù)據(jù)

}

由于CPU從Flash(ROM)中讀取數(shù)據(jù)的速度較慢，為了提高速度，CPU開(kāi)機(jī)以后，先將數(shù)據(jù)從Flash讀到RAM中，然后從RAM中取指令執(zhí)行相關(guān)命令，LPC2013也是一樣，從串口接收到的數(shù)據(jù)寫(xiě)到Flash中以后，為了更新RAM中的數(shù)據(jù)，還要把該數(shù)據(jù)從Flash中讀出來(lái)，相關(guān)代碼如下：

void ReadFlash()

{

uint32 i；

uint8 *p；

p=(uint8 *)DestAddr； //DestAddr為第五扇區(qū)的首地址

for(i=0；i<512；i++)

{

/*把讀取的數(shù)據(jù)從放在shanqu5[]這個(gè)數(shù)組中*/

shanqu5[i]=*p；

p++；

}

}

系統(tǒng)通過(guò)上述方法，利用IAP技術(shù)只對(duì)顯示字庫(kù)進(jìn)行更新的程序流程圖如圖5所示。

圖5 字庫(kù)更新流程圖

2.2 ZigBee模塊的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)將ZigBee中的協(xié)調(diào)器作為發(fā)送設(shè)備與上位機(jī)通過(guò)串口相連，把ZigBee中的終端節(jié)點(diǎn)作為接收設(shè)備與LPC2103相連。協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)的微控制器芯片都采用TI公司的CC2430。CC2430具有2.4 GHz IEEE802.15.4兼容RF收發(fā)器，具有優(yōu)良的接收靈敏度和抗干擾性，而且功耗很低，有多種工作模式[9]。

系統(tǒng)中ZigBee模塊的設(shè)計(jì)主要分為硬件部分和軟件部分。硬件部分主要由電源電路、復(fù)位電路、串口接收電路和無(wú)線收發(fā)電路組成[10]。由于ZigBee硬件電路相對(duì)成熟，這里把設(shè)計(jì)重點(diǎn)放在軟件部分。硬件選型上采用SIKAI ELECTRONICS公司的ARMSKY-CC2430EB開(kāi)發(fā)板。對(duì)單個(gè)LED顯示屏操作時(shí)，使用2個(gè)ARMSKY-CC2430EB開(kāi)發(fā)板，一個(gè)配置為協(xié)調(diào)器(CoodinatorEB)設(shè)備，另一個(gè)配置為終端設(shè)備(EndDeviceEB)；對(duì)多個(gè)LED顯示屏操作時(shí)，可采用多塊開(kāi)發(fā)板。

協(xié)調(diào)器與上位機(jī)相連，在系統(tǒng)中主要功能是接收上位機(jī)通過(guò)串口發(fā)來(lái)的LED屏字庫(kù)數(shù)據(jù)，然后將該數(shù)據(jù)通過(guò)RF發(fā)送給終端節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器從串口讀數(shù)據(jù)的函數(shù)模型如下：

uint16 HalUARTRead(uint8 port， uint8 *buf， uint16 len )；

該函數(shù)的功能是讀取UART緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)。形參port用來(lái)指定數(shù)據(jù)將被讀取的串口、buff是數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的指針、len是所請(qǐng)求的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。

終端節(jié)點(diǎn)與LED顯示屏的微控制器LPC2103相連，在系統(tǒng)中的主要功能是接收協(xié)調(diào)器發(fā)過(guò)來(lái)的LED屏字庫(kù)數(shù)據(jù)，然后將該數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送給LPC2103，終端節(jié)點(diǎn)部分串口發(fā)送函數(shù)模型如下：

uint16 HalUARTWrite( uint8 port， uint8 *buf， uint16 len )；

該函數(shù)的功能是寫(xiě)一個(gè)指定長(zhǎng)度的緩沖區(qū)到一個(gè)指定串口。這3個(gè)形參和上述講的3個(gè)形參功能類(lèi)似，這里就不再贅述。

3 實(shí)驗(yàn)分析

基于LPC2103的LED顯示字庫(kù)無(wú)線更新系統(tǒng)硬件組成如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)整體硬件(照片)

圖6右半部分與PC機(jī)相連的是ZigBee協(xié)調(diào)器模塊，左半部分有個(gè)小天線的是ZigBee終端節(jié)點(diǎn)，與終端節(jié)點(diǎn)相連的是微處理器模塊，芯片采用的是LPC2103，微處理器與LED顯示屏相連。利用ZigBee通信技術(shù)對(duì)LED顯示屏的顯示字庫(kù)進(jìn)行IAP更新的具體操作是用上機(jī)軟件將LED顯示屏需要更新的顯示字庫(kù)通過(guò)串口發(fā)送給ZigBee協(xié)調(diào)器模塊，協(xié)調(diào)器將該數(shù)據(jù)發(fā)送ZigBee終端節(jié)點(diǎn)，終端節(jié)點(diǎn)通過(guò)串口將該數(shù)據(jù)發(fā)送給LED顯示屏的為控制器LPC2103，LPC2103通過(guò)查詢方式收到該數(shù)據(jù)后存儲(chǔ)在RAM中，如果此時(shí)給LPC2103掉電或者復(fù)位，該數(shù)據(jù)就會(huì)丟失，為了不讓該數(shù)據(jù)丟失，實(shí)驗(yàn)將該數(shù)據(jù)寫(xiě)到LPC2103的第五扇區(qū)。然后利用LPC200 Buffer Utility軟件的Download Flash把微處理器中的Flash數(shù)據(jù)讀回來(lái)，看是否把該數(shù)據(jù)寫(xiě)到了第五扇區(qū)。LPC2103沒(méi)有通過(guò)IAP更新之前的Flash如圖7所示。

圖7 IAP更新之前的Flash(截圖)

LPC2103的第五扇區(qū)是從0x00005000開(kāi)始的，IAP更新之前第五扇區(qū)里面默認(rèn)數(shù)據(jù)是0xFF，為了便于觀察，實(shí)驗(yàn)將 0～511 共512個(gè)數(shù)據(jù)寫(xiě)到LPC2103的第五扇區(qū)，第五扇區(qū)經(jīng)過(guò)IAP更新以后如圖8所示。

圖8 IAP更新之前的Flash(截圖)

由于LPC2103的Flash數(shù)據(jù)是以8位的十六進(jìn)制文件存儲(chǔ)的，8位二進(jìn)制數(shù)的范圍是0～255，所以從0x00005100開(kāi)始寫(xiě)入256個(gè)數(shù)，從0(0x00)開(kāi)始，255(0xff)結(jié)束，而LED顯示屏的顯示數(shù)據(jù)是由8位的十六進(jìn)制數(shù)構(gòu)成的所以不會(huì)超出范圍。由于0～511可以通過(guò)上位機(jī)軟件，利用ZigBee技術(shù)無(wú)線對(duì)LPC2103 Flash的第五扇區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行IAP更新，同理LED顯示屏的顯示字庫(kù)也可以通過(guò)上位機(jī)軟件，利用ZigBee技術(shù)無(wú)線對(duì)LPC2103 Flash的其他扇區(qū)進(jìn)行操作，然后讀出該數(shù)據(jù)對(duì)LED顯示屏的顯示內(nèi)容進(jìn)行更新，這里就不再贅述。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于LPC2103的LED數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)交互研究，采用了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，與市場(chǎng)上常用的WiFi和其他無(wú)線或者有線技術(shù)相比，具有功耗低，成本低，系統(tǒng)工作頻段靈活等優(yōu)勢(shì)，更重要的是ZigBee協(xié)議具有自組網(wǎng)功能，可以對(duì)多塊LED顯示屏進(jìn)行同時(shí)更新字庫(kù)內(nèi)容。除此以外，系統(tǒng)采用了IAP技術(shù)，每次只更新顯示字庫(kù)，大大降低了更新LED顯示字庫(kù)的操作難度。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試及實(shí)際應(yīng)用，對(duì)LED顯示屏的操作具有簡(jiǎn)單、方便、靈活等諸多優(yōu)點(diǎn)，效果良好，該方法對(duì)操作多個(gè)LED顯示屏優(yōu)勢(shì)更為顯著。

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LED Display Word Stock Update Wireless Research Based on LPC2103

ZHANG Kaisheng, PENG Peng

(CollegeofElectricalandInformationEngineering,ShannxiUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710021,China)

Aim at the problem of LED display word stock update and data transmission, the system adopts the embedded microcontroller processor LPC2103 as the control center of the LED display. By the technology of IAP storage and update font data in its internal Flash, display word stock is transmitted wirelessly by ZigBee technology. When update LED display content, PC wirelessly transfer the data on LED needed to update to ZigBee terminal nodes connected to the LPC2103 via ZigBee coordinator, terminal node send the data via UART to LPC2103, reuse IAP technology to program LPC2103 internal Flash, to achieve the purpose of only storing and updating character data. Experiments show that the built LED character data wireless update system runs well, is feasible.

IAP; LPC2103; LED panel; word stock update; ZigBee data transmission

【本文獻(xiàn)信息】張開(kāi)生，彭朋.基于LPC2103的LED顯示字庫(kù)無(wú)線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電視技術(shù),2015，39(13).

陜西校地合作項(xiàng)目(2011K-29);陜西省西安未央科技區(qū)項(xiàng)目( 2012-03)

TN948

A

10.16280/j.videoe.2015.13.024

責(zé)任編輯：閆雯雯

2014-11-26

張開(kāi)生(1963— )，博士，教授，主要從事嵌入式系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用及開(kāi)發(fā)研究。