基于STM32實(shí)現(xiàn)多區(qū)域顯示的LED點(diǎn)陣屏的設(shè)計(jì)

林秀明，秦德茂，秦秋息

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

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基于STM32實(shí)現(xiàn)多區(qū)域顯示的LED點(diǎn)陣屏的設(shè)計(jì)

林秀明1，2，秦德茂2，秦秋息2

(1.廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，廣西南寧530004；2.廣西交通科學(xué)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(jì)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(dòng)程序設(shè)計(jì)工作。

摘要：文章介紹了基于STM32為主控芯片的LED點(diǎn)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(yǔ)言數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體和鏈表的編程技術(shù)，實(shí)現(xiàn)顯示屏多節(jié)目、多區(qū)域顯示功能的程序設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞：STM32；LED點(diǎn)陣顯示屏；C語(yǔ)言；多區(qū)域顯示；設(shè)計(jì)

0引言

LED點(diǎn)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(dòng)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(yùn)行穩(wěn)定、耗電量低等優(yōu)點(diǎn)，在日常生活中有著非常廣泛的應(yīng)用，然而針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，用戶對(duì)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(shí)能夠顯示圖片、時(shí)鐘等信息。如設(shè)置在生產(chǎn)車間、項(xiàng)目施工現(xiàn)場(chǎng)等生產(chǎn)場(chǎng)所的LED顯示屏，顯示版面除了發(fā)布安全生產(chǎn)標(biāo)語(yǔ)外，還可能需要發(fā)布生產(chǎn)倒計(jì)時(shí)、時(shí)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(jìn)行自由設(shè)置，自動(dòng)更新。因此，設(shè)計(jì)一款能夠?qū)ζ聊贿M(jìn)行多區(qū)域劃分，排版靈活的LED點(diǎn)陣顯示屏[2]具有非?，F(xiàn)實(shí)的意義。

1LED點(diǎn)陣顯示屏的系統(tǒng)組成及電路工作原理介紹

LED點(diǎn)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(diǎn)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(fù)責(zé)給控制卡、顯示屏體進(jìn)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(jìn)行供電，電源的數(shù)量及功率可根據(jù)顯示屏的功率進(jìn)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(diǎn)陣顯示單元板拼接組成，這種模塊化的設(shè)計(jì)方式，可以靈活地對(duì)顯示屏幕的大小進(jìn)行配置，能夠滿足不同的安裝使用環(huán)境，同時(shí)也大大簡(jiǎn)化了顯示屏的生產(chǎn)、運(yùn)輸及現(xiàn)場(chǎng)安裝、維護(hù)的難度。

顯示屏單元板集成了LED燈陣列及其驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路主要由LED點(diǎn)陣行掃描驅(qū)動(dòng)電路及列驅(qū)動(dòng)電路組成，行驅(qū)動(dòng)電路主要是場(chǎng)效應(yīng)管控制的LED點(diǎn)陣行開關(guān)電路，列驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路。其電路基本原理圖如圖2所示。

圖2　LED點(diǎn)陣顯示單元板基本原理圖

圖2中，DAT為串并轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)芯片的數(shù)據(jù)輸入端，LED點(diǎn)陣列數(shù)據(jù)由此輸入，S為芯片數(shù)據(jù)移位控制時(shí)鐘輸入，L為數(shù)據(jù)鎖存時(shí)鐘輸入，OE為驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)部寄存器數(shù)據(jù)輸出使能，控制LED點(diǎn)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L(zhǎng)ED屏行選信號(hào)控制信號(hào)，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(shí)鐘使得數(shù)據(jù)流逐位向箭頭方向移動(dòng)，當(dāng)最先送出的數(shù)據(jù)位移動(dòng)到該行的串并轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)芯片數(shù)據(jù)末端時(shí)，控制卡在L端產(chǎn)生鎖存信號(hào)將數(shù)據(jù)流鎖存到串/并轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)芯片的內(nèi)部寄存器中，最后通過(guò)控制使能信號(hào)OE，將數(shù)據(jù)流輸出至芯片外接LED燈的管腳上。此時(shí)，控制卡控制對(duì)應(yīng)的行選驅(qū)動(dòng)信號(hào)CSx(x為1~n)輸出低電平時(shí)，對(duì)應(yīng)的行驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通，+5V電壓輸出到該行LED燈的正極上，則該行對(duì)應(yīng)在驅(qū)動(dòng)芯片端口上的數(shù)據(jù)為0的LED燈珠就會(huì)被點(diǎn)亮，為1的LED燈則被熄滅。同理，控制卡通過(guò)掃描改變行選信號(hào)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(diǎn)亮。根據(jù)人類視覺(jué)的暫留特性可知，當(dāng)每一行點(diǎn)亮?xí)r間間隔<0.1 s時(shí)，在屏幕上就會(huì)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(jìn)行設(shè)計(jì)的，其外圍芯片擴(kuò)展的電路屬于典型SPI總線、FSMC總線擴(kuò)展電路，較為常見但連接的線路信號(hào)也較多，鑒于篇幅有限，本文使用電路原理框圖的方式來(lái)對(duì)系統(tǒng)控制卡的電路原理進(jìn)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(fù)責(zé)接收并存儲(chǔ)上位機(jī)發(fā)送的節(jié)目數(shù)據(jù)并保存到片外Flash存儲(chǔ)器中，同時(shí)控制顯示單元板驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)也是通過(guò)對(duì)STM32F207 ZGT6進(jìn)行軟件編程，通過(guò)內(nèi)部定時(shí)刷新顯示緩存內(nèi)容來(lái)完成的。

SST25VF032B為SPI接口的32Mbit Flash存儲(chǔ)芯片[5]，用于對(duì)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(jìn)行存儲(chǔ)。IS61LV51216為8Mbit的高速SRAM芯片，通過(guò)MCU的FSMC總線進(jìn)行連接，主要用于上位機(jī)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(yùn)行所需的數(shù)據(jù)緩存。

上位機(jī)通過(guò)UDP協(xié)議[6-7]與LED點(diǎn)陣顯示屏進(jìn)行通訊[8]，實(shí)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(yuǎn)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(jì)，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(diǎn)。

25M時(shí)鐘晶振電路及復(fù)位電路主要給主控MCU提供時(shí)鐘信號(hào)和上電復(fù)位信號(hào)，保證MCU的正常運(yùn)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(diǎn)陣顯示屏系統(tǒng)控制卡軟件設(shè)計(jì)

2.1　系統(tǒng)控制卡與上位機(jī)通信協(xié)議的設(shè)計(jì)

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

本方案設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)控制卡具備多節(jié)目、多個(gè)區(qū)域顯示播放的功能，每個(gè)節(jié)目里可分別設(shè)置節(jié)目的播放時(shí)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(yè)數(shù)、每個(gè)頁(yè)面的播放特效等信息。因此，上位機(jī)向LED屏發(fā)送的節(jié)目數(shù)據(jù)中應(yīng)包括：節(jié)目號(hào)、節(jié)目播放時(shí)間、節(jié)目區(qū)域總數(shù)、區(qū)域號(hào)、區(qū)域位置信息、區(qū)域顯示頁(yè)數(shù)、區(qū)域各頁(yè)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(jī)通信的過(guò)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(kù)數(shù)據(jù)等內(nèi)容。命令類主要用于對(duì)顯示屏進(jìn)行參數(shù)的配置功能，如修改信息屏的IP地址、標(biāo)識(shí)號(hào)、屏體像素大小、時(shí)間校時(shí)、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(biāo)識(shí)+數(shù)據(jù)類型+數(shù)據(jù)幀總長(zhǎng)度+數(shù)據(jù)內(nèi)容+數(shù)據(jù)幀尾

控制卡接收到上位機(jī)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)時(shí)，可通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)幀頭、信息屏標(biāo)識(shí)、數(shù)據(jù)幀總長(zhǎng)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(jì)

系統(tǒng)軟件主要實(shí)現(xiàn)以下兩大功能：

(1)對(duì)上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的接收及處理程序

主控MCU的軟件設(shè)計(jì)上采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RT-Thread[10]，搭配LWIP網(wǎng)絡(luò)微協(xié)議，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸。采用LWIP的socket[11]編程，通過(guò)UDP協(xié)議接收來(lái)自上位機(jī)的數(shù)據(jù)，并根據(jù)協(xié)議定義完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及處理。根據(jù)3.1.1節(jié)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，通過(guò)在程序設(shè)計(jì)中定義一個(gè)節(jié)目的結(jié)構(gòu)體類型，用來(lái)存儲(chǔ)每個(gè)節(jié)目信息。程序中采用動(dòng)態(tài)分配內(nèi)存的方式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，可以適應(yīng)不同個(gè)數(shù)的節(jié)目和區(qū)域節(jié)目單數(shù)據(jù)的接收和存儲(chǔ)，滿足多條節(jié)目單信息顯示的同時(shí)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(guò)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(guò)程

(2)LED屏顯示掃描驅(qū)動(dòng)程序

顯示驅(qū)動(dòng)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(gè)數(shù)據(jù)位與LED屏的每個(gè)像素進(jìn)行一一對(duì)應(yīng)，根據(jù)1.2節(jié)

介紹的單元板電路工作原理可知，通過(guò)LED顯示掃描輸出線程，定時(shí)對(duì)顯存上的數(shù)據(jù)進(jìn)行掃描更新，并按單元板驅(qū)動(dòng)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(jì)工作流程圖

4結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)方案已經(jīng)在廣西高速公路ETC車道LED點(diǎn)陣顯示屏中得到實(shí)際應(yīng)用，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)了對(duì)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速存儲(chǔ)與訪問(wèn)，可為相關(guān)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)處理提供一種可借鑒的設(shè)計(jì)思路。

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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(hào)：1673-4874(2015)05-0075-03

中圖分類號(hào)：U412.36+6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2015.05.021

作者簡(jiǎn)介