地铁列车LED显示屏的设计

摘要：根据地铁车辆CAN智能总线通讯的要求设计了一种先进的多功能LED屏，其特点是采用多模块化设计，可根据需要对系统的总线通讯模块和测温模块进行更换，实现了对多种动态文字和静态图形的显示和车内外的温度和湿度的监测。该显示屏的刷新频率可以达到61.6Hz,动态显示的换帧频率达到26.2Hz.文章从组成框图、硬件设计以及逻辑控制流程等几方面介绍了该LED的驱动电路，给出了硬件接口电路图。驱动电路的核心部分采用单片机77E58来控制LED的显示，大大降低了LED显示屏的成本，优化了LED显示器件的驱动电路。

1引言

LED显示屏在地铁中作为一种面向公众的信息显示终端，有着非常广泛的民用和商用价值。

目前在国内运行的地铁车辆普遍都配备了LED显示屏，但附加功能较少，屏幕显示内容单一。为了配合新型地铁旅客信息系统的使用，我们设计了一种全新的多总线式LED显示动态屏。

该显示屏在外部通讯时不但具有多种总线接口，在内部控制电路设计中还采用了单总线和I2C总线器件。

地铁上的LED屏分两种：一种放置于车厢外侧，用于显示列车运行区间、运行方向和当前到站站名，中英文兼容显示；也可根据运行需要显示其他服务信息；文字显示可选静止、滚动、平移、瀑布、动画等多种效果，最大显示字符数为16×16点阵字符12个。另一种为终点LED显示屏，放置于车内，终点站LED显示屏可按列车运营要求预置终点站，并实时显示当前的终点站，同时还能显示目前车内温度，最大显示字符数为16×16点阵字符8个。

2系统构成

LED显示系统屏由单片机控制单元和显示单元两部分组成，单个显示单元可显示16×16的汉字4个，若制作生产一定尺寸的LED图文显示屏系统，只要用若干智能显示单元，采用"搭积木"的方法即可实现，系统中各显示单元之间采用串行通信联系。控制单元除了负责控制显示单元和传输上位机的指令和信号外，还内嵌了单总线数字温度传感器18B20。得益于控制电路的模块设计，若对湿度测量也有要求的情况下，18b20可升级为Dallas公司的DS2438和Honeywell公司的HIH23610构成的模块电路。为了满足整车的通讯需要，上位机与车内的各控制单元之间采用CAN总线方式通讯。

图1系统结构图

3硬件设计

显示单元由LED显示面板和显示电路两部分组成，LED显示面板是由4块点阵模块组成的16×64点阵通用智能显示单元，单个显示单元全屏可以显示4个16×16点阵汉字或符号，系统中各显示单元之间采用串行通信联系，从而使得整个系统的工作协调统一。显示电路由两个16针排线口、两个74H245三态总线驱动器、一个74HC04D六反相器、两个74H138八译码器以及8个74HC595移位锁存器组成。控制电路核心为WINBOND的高速单片机77E58,晶振频率为24MHz.AT29C020A为256K的ROM,用于存贮16×16点阵的汉字库和16×8点阵的ASCII码表。AT24C020是基于I2C串行总线的EP2ROM,其存储预设定的语句，例如地铁站点名称、问候语等。车内温度通过单总线式数字温度传感器18b20测量。SJA1000和TJA1040分别为CAN总线控制器和收发器。

3.1控制电路单元设计

整个系统以winbond的动态单片机77E58为核心，77E58采用了重新设计的微处理器内核，其指令兼容51系列，但由于时钟周期仅为4个周期，在相同的时钟频率下，其运行速度一般比传统8051提高2~3倍，因此很好地解决了大容量汉字动态显示时对单片机的频率要求，另外还自带看门狗。77E58通过锁存器74LS373控制闪速存储器AT29C020,大小为256K.由于存储器容量大于64K,因此在设计中采用了分页寻址的方法，即用P1.1和P1.2对闪存器进行页选，共分4页，每页的寻址大小为64K,P1.5除了用于对AT29C020片选外，还保证了P1.1和P1.2在16针的排线接口上复用时不对AT29C020造成误操作。CAN控制器为通讯的关键部分，为了提高抗干扰能力，在CAN控制器SJA1000和CAN收发器TJA1040之间加接6N137高速光耦，单片机通过P3.0对CAN控制器SJA1000进行片选。18B20为单总线器件，该器件与单片机接口仅需占用一个I/O端口，可直接将温度转化成数字信号，并以9位数字码方式串行输出，在控制电路中选用P1.4完成对18B20的片选和数据传输功能。AT24C020的时钟线SCL和双向数据线SDA分别接单片机的P1.6和P1.7.16针的排线接口是控制电路和显示电路的接口部分。控制电路的硬件连接图如图2。

图2控制电路硬件连接图

3.2显示单元连接与控制

显示电路部分通过16针排线（1）口与控制电路部分的16针排线口相连，16针排线口（1）将单片机的指令和数据传输到LED显示电路，16针排线（2）用于多个显示屏幕的级联，它的连线和16针排线口（1）基本一样，但是要注意其R端连接的是图2从左至右的第8个74H595的DS端，在级联的时候它将与下一块显示屏的16针排线（1）口串接（如图1）。CLK为时钟信号端，STR为行锁存端，R为数据端，G（GND）、LOE为行点亮使能端，A、B、C、D为行选端。各端口具体作用如下：A、B、C、D为行选择端，用于控制将来自上位机数据具体送至显示面板上的指定行，R为数据端，接受单片机传输的数据。LED显示单元的工作时序如下：CLK时钟信号端在R端收到一个数据后，由控制电路人为地给一个脉冲上升沿，STR在一行数据（16×4）64个数据全部传送完后，给出一个脉冲上升沿以锁存数据；LOE由单片机置1将该行点亮。显示电路原理图如图3。

图3显示电路原理图

4模块化设计

地铁车辆根据实际情况对LED显示屏有不同的要求，因此我们在设计电路时对此做了充分考虑，即在保证主要功能和结构不变的情况下，可以对特定模块进行互换。该结构使得LED控制电路具有良好的扩展性和易用性。

4.1温湿度模块

在南方炎热和多雨地带，尽管车内有恒温空调，但湿度也是旅客们关心的一个重要指标。我们设计的温湿度模块，具有测量温度和湿度的功能。温度模块和温湿度模块有相同的插座接口，且都是单总线结构，均用P1.4口控制，因此互换很方便。HIH3610是Honeywell公司生产的电压输出的三端集成湿度传感器，DS2438是具有单总线通讯接口的10位A/D转换器，片内包含一个高分辨率的数字温度传感器，它可用于湿度传感器的温度补偿。图4为温湿度模块原理图。

图4温湿度模块原理图

4.2485总线扩展模块

485总线作为一种成熟而廉价的总线在工业现场和交通领域有着不可替代的位置，为此我们设计了485总线扩展模块，它可替代原有的CAN模块进行外部通讯。该模块采用MAXIM公司的光电隔离型的MXL1535E作为485收发器，为了保证控制上的兼容，MXL1535E与SJA1000均通过P3.0进行片选。另外在RS2485侧与控制器或控制逻辑侧之间通过变压器提供2500VRMS电隔离，在模块的输出部分添加了TVS二极管电路以减少线路浪涌干扰，还可利用跳线决定是否加载总线的终端电阻。原理图如图5。

图5485总线扩展模块原理图

5软件设计

系统软件由上位机管理软件和单元控制器控制软件组成。上位机管理软件是在Windows22000操作平台上，利用C++BUILD6.0开发的，包括显示方式选择（包括静态、闪动、滚动、打字等）,滚动方向选择（包括上下滚动和左右滚动）,动态显示速度调节（即文字闪动频率、滚动速度、打字显示速度等）,显示内容输入及显示预览等。

系统运行时，系统不仅可按预设定显示报站、广告等字符，也可人工输入需要的显示字符。单元控制器控制软件采用8051的KEILC编程，固化于单片机77E58的EEPROM中，主要完成上下位机通讯、温度和湿度的数据采集、I/O接口控制等功能。在实际运行时，温度测量精度达到±0.5℃，湿度测量精度达到±2%RH.

6结论

从硬件原理图的设计、逻辑结构、组成框图等几方面介绍了地铁LED显示屏的设计思路，通过对现场总线接口模块以及温湿度模块接口的设计，使得该LED显示屏可适应不同环境的要求，具有良好的扩展性和通用性。经过多次测试，该LED显示屏已在国产地铁新型旅客信息系统中装车试用，效果良好。实践证明该显示屏能很好地完成对汉字和图形的静态显示和各种动态显示，且具有亮度高、无闪烁、逻辑控制简单等特点，充分满足了地铁车辆对LED屏的显示要求。