（通信与信息系统专业论文）铁道信号沙盘模拟显示系统研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 铁路沙盘虽然属于传统的实物沙盘( m a t e r i a ls a n dt a b l e ) 模型，但是由于实 际演示和控制需要，其中包含很多电子控制部分，因此它也富含很多电子沙盘 的气息。例如，铁路沙盘上可以实现无线机车控制，机车定位，模拟g s m r g p r s 铁路无线通信系统，并通过p c 机根据联锁表，控制相应信号灯和道岔动作，实 现计算机联锁，最终用点阵式l e d 显示屏展示整个或局部铁路沙盘工作情况。 在实际铁路运输生产中，大屏幕对于提高其运营水平起着至关重要的作用。 d m i s ( 行车调度指挥系统) 需要用大屏幕将各线路上各列车的运行状况直观、 实时地表现出来，使调度人员如身临现场，高效地安排运输生产。 本课题以铁道信号电子沙盘为背景，研究讨论了具有铁路特色的基于铁路 沙盘的l e d 大屏幕：根据屏幕显示时间与输出速度的分析，设计各硬件电路模 块；建立铁道信号的存储模型，实现信息图像到数据存储的转换；编写各底层 模块，并解决运行显示任务与进行存储器数据更新时对m c u 的占用矛盾，实 现刷新与显示同步。 文中首先对常用l e d 单元板电路结构和显示方式作了透彻分析，归纳总结 出针对常规l e d 单元板最为有效的数据组织方法，然后结合铁道信号电子沙盘 终端显示的需要，设计了基于s p i 的驱动模块及可扩展r a m 模块设计，利用 s p i 方式与计数器组结合，改变了r a m 数据的读取及输出形式；并通过控制信 号的同步与复用，大大压缩了数据读取至输出到屏幕显示的时间。此方式的运 用满足了屏幕显示面积的要求，保证了显示内容的实时刷新，解决了显示时输 出速度的瓶颈问题。通过显示数据的组织和程序的进一步优化，使得5 l 系列单 片机也能够成功驱动2 0 m 2 双基色西3 7 5 l e d 显示屏。 论文方案已在峨眉校区铁道信号实验基地建设中得到实现，这为该方案的 改进及后续与行车监控模块的融合工作打下了基础，为对l e d 大屏幕在调度指 挥系统中应用的深入研究提供了良好的平台。 关键词：铁道信号：沙盘；l e d 大屏幕；单片机：数据组织 西南交通大学硕士研究生学位论文第1i 页 - _ - - _ _ _ _ - _ _ _ - - _ _ _ - _ _ _ - _ _ _ - 一i i _ _ _ _ _ l l _ l _ - _ - l - _ - _ _ - _ _ - _ l _ l _ - _ i _ _ _ _ l - _ _ _ _ i _ _ _ - _ _ _ - l l _ _ - _ _ - _ _ _ - _ _ l _ i _ _ - - _ _ _ - _ _ 一 a bs t r a c t t h er a i l w a ys a n dt a b l ei s e s s e n t i a l l yac o m p r e h e n s i v ee l e c t r o n i cc o n t r o l l h a g s y s t e mb e c a u s ei ti sc o m p o s e do fm a n ye l e c t r o n i cc o n t r o lm o d u l e sf o ra c t u a l r e q u i r e m e n t so fd e m o n s t r a t i o na n dm a n i p u l a t i o n a l t h o u g hw h i c hi st h et r a d i t i o n a l k i n d ( m a t e r i a ls a n dt a b l e ) m o d e l b a s e do nt h er a i l w a ys a n dt a b l e ：1 0 c o m o t i v e s w i r e l e s sc o n t r o la n di t sl o c a t i o n s i m u l a t i o n so f r a i l w a y ss p e c i a lw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns u c ha sg s m r g p r sc a nb ea c h i e v e d ；m o r et h a nt h a t t h es a n d t a l b ea l s op r o v i d e sap l a t f o r mf o ri m p l e m e n t a t i o no fc o m p u t e r - b a s e di n t e r l o c k i n g t h r o u g hc o n t r o lo v e rt h ec o r r e s p o n d i n gs i g n a l s s t a t u sa n ds w i t c hm a c h i n e s a c t i o n s b yp c sc o m p u t i n ga c c o r d i n gt ot h ei n t e r l o c k i n gl o g i c ；u l t i m a t e l y , w o r k i n gc o n d i t o n s o ft h ew h o l eo rp a r to ft h er a i l w a ys a n dt a b l ei sr e f l e c t e do nt h ed o t m a t r i xl e d s c r e e n w h i l ei np r a c t i c a lr a i l w a yt r a n s p o r t t h e1 a r g es c r e e ni sv i t a lt oi m p r o v et h e o p e r a t i o n a ll e v e la n dp r o d u c t i o ne f f i c i e n c y d m i s ( 1 r a i nd i s p a t c h i n gc o m m a n d s y s t e m ) r e q u i r e so p e r a t i o nc o n d i t i o n sd i s p l a y e do nt h el e dp a n e lr e a l t i m ea n d i n t u i t i v e l yf o re a c ht r a i no ni t sr e s p e c t i v el i n e w h i c ha l l o w sd i s p a t c h e r st of e e lt h e y w e r ep e r s o n a l l yo nt h es c e n es oa st oa r r a n g e r a i l w a yt r a n s p o r te f f i c i e n t l y t h i sr e s e a r c hp r o j e c tc o n c e n t r a t e so nt h el e dl a r g es c r e e nw i t hr a i l r o a d c h a r a c t e r i s t i c s a g a i n s tt h eb a c k g r o u n do ft h er a i l w a ys a n dt a b l e c o n c r e t et a s k s c o n s i s to fd e s i g n a t i o no fh a r d w a r ec i r c u i t st h r o u g ha n a l y z i n gt h er e l a t i o nb e t w e e n t h ed i s p l a y i n gt i m ea n dt h ed a t ao u t p u ts p e e d e s t a b l i s h m e n to ft h es t o r a g em o d e lf o r r a i l w a ys i g n a l sa n dt h e nt h e c o n v e r s i o nf r o mi n f o r m a t i o ni m a g et od a t as t o r a g ec o u l d b e a v a i l a b l e ，d e v e l o p m e n to fv a r i o u su n d e r l y i n gm o d u l e s ；i na d d i t i o n ，a st h e p r e c o n d i t i o no fa c h i e v i n gt h es y n c h r o n i z a t i o nb e t w e e nd i s p l a y i n ga n du p d a t i n gt h e s t o r a g e dd a t a ，t h es o l u t i o nt om c uc o m p e t i t i o nu p o nb o t ho c c u rc u r r e n t l yi ss t u d i e d f i r s t l y , t h em o s te f f e c t i v em e t h o dt oo r g a n i z ed i s p l a yd a t af o rc o n v e n t i o n a ll e d u n i tb o a r di sp r e s e n t e di nt h i sp a p e rt h r o u g ha n a l y z i n gt h ec i r c u i ts t r u c t u r ea n dt h e p r i n c i p l eo ft h ec o m m o nu n i tb o a r d a n dt h e nd e s i n go ft h ed r i v e rm o d u l eb a s e do n s p im o d e la n de x p a n d a b l er a mm o d e li sg i v e n ，w h i c hc h a n g e st h ec o n v e n t i o n a l w a yt of e c t c ha n do u t p u td a t ab yc o m b i n i n gw i t hs p ia n dc o u t e rg r o u p m e a n w h i l e t h et i m ec o s to nd a t at r a n s m i s s i o ni sd e c r e a s e dd r a m a t i c a l l y t h i ss c h e m ec o u l dm e e t t h er e q u i r e m e n t so fl a r g es c a l es c r e e nd i s p l a yb yb r e a k i n gt h r o u g ht h eb o t t l e n e c ko f t h ed a t ao u t p u ts p e e d t o g e t h e rw i t ht h e o p t i m i z a t i o nt od a t ao r g a n i z a t i o na n d p r o g r a m m e da l g o r i t h m , 5 ls e r i e sm c uc o u l dc o n t r o lt h ed o u b l ep r i m a r yc o l o rl e d l a r g es c r e e nc o v e r i n ga l la r e ao f 2 0s q u a r em e t r e sa d e q u a t e l y t h es c h e m ed i s c u s s e di nt h i s p a p e rh a sb e e ne m p l o y e ds u c c e s s f u i l vi n c o n s t r u c t i o no ft h e r a i l w a ys i g n a l i n ge x p e r i m e n t a la n dp r a c t i c a lt r a i n i n gb a s ei n e m e ic a m p u so fs w j t u t h u sp r o v i d e saf o u n d a t i o nf o rt h ei n t e g r a t i o no ft h e r a i l w a yt r a 伍cm o n i t o r i n gm o d u l ea n dt h es c h e m e b u ta l s of o rt h ei m p r o v e m e n to f t h es c h e m ei t s e l b a s e do nt h ep l a t f o r m , i n d e p t hs t u d yo na p p l i c a t i o no ft h el e d 1 a r g es c r e e ni nd m i ss h o u l db ep r o m o t e da c t i v e l y k e y w o r d s ：r a i l w a ys i g n a l ；r a i l s a n d t a b l e ；l e dl a r g e s c r e e n ；m c u ；d a t a o r g a n i z a t i o n 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将 本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密日，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者签名：獬乏军 日期：汐口7 牟f 口j j 十l a 指导老师签名：兹腹 日期：p 绎叫溯灵 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进 行研究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本 文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 铁道信号电子沙盘和l e o 显示大屏幕的成功结合，将面积大 约2 0 m 5 m 的铁道信号电子沙盘全局概况显示在l e d 显示大屏幕 上，并能够根据电子沙盘的变化而在l e d 显示屏上实时显示，辅 助沙盘讲解和演示，实现了普通l e d 显示大屏幕所不能达到的功 能。整个控制系统核心采用一款较新的增强型5 l 系列单片机 铁电单片机v r s 5 1 l 3 0 7 4 ( 4 0m i p s 单周期8 0 5 1 内核) 。在充分发 挥该单片机的特性基础上，结合硬件计数器电路，控制双基色l e d 大屏，长度3 7 1 2 点，高2 5 6 点，并且具有适合铁道信号电子沙盘 终端显示器的功能。 学位论文作者签名：j 名善葺 西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 第1 章前言 1 1 研究背景与意义 1 1 1 研究背景 铁路沙盘模型起源于德国，目前在欧美各国，铁路沙盘模型主要以h o 轨 ( 比例1 8 7 ) 为主；日本由于地少人多，所以大多数玩家会收藏较小的n 轨( 比 例1 1 6 0 ) 模型。一般的比例主要有三种：1 ：5 0 、1 ：8 7 、1 ：1 6 0 ，它们的轨距分别 是2 8 m m 、1 6 5 m m 、9 m m 。在中国，由于受观念和收入等多种因素的影响，铁 路车迷和模型厂商的数量都比较少，铁路模型市场还不够成熟。 铁路模型的基本使用方法是：先组装好铁轨，接上电源( 一般约为1 2 v 到 1 8 v 直流或交流电压) ，在控制器的指挥下，火车模型可以在铁轨上前进、后退 或是变速。有些控制器或是火车模型会发出真实火车的声音，还可自动控制进 站停靠，有的蒸汽火车还配有发烟装置，模拟冒烟的效果。有些铁路模型的玩 家是以收藏火车模型为主，另一些玩家则是以制作场景为主，其中最有造诣的 j o h na l l e n 是一代场景宗师，紧随其后就有很多铁路爱好者群起而效之。如今许 多铁路模型还配有数字控制( 也就d c c 火车模型) ，甚至可以用计算机控制火车 模型、道岔和信号灯的状态。 铁路沙盘不仅能给“玩家”带来乐趣，最重要的是它在铁道信号专业教育 中可以说是不可缺的重要教学设备，尤其是对运输、电务专业，建立一套专业 铁路沙盘几乎是铁路专业学校的必备教学设备。铁路企业、专业学校用沙盘与 普通车迷沙盘有着很大的区别： 表1 1 专业沙盘与车迷沙盘的对比 专业沙盘 车迷沙盘 有反映车辆运行位置的轨道电路一般没有 与实际车站一致的信号机一般没有 能够反映道岔位置的电路一般没有 能够与6 5 0 2 电气集中结合一般不能 铁路沙盘虽然属于传统的实物沙盘( m a t e r i a ls a n dt a b l e ) 模型，但是由于实 际演示和控制需要，其中包含很多电子控制部分，因此它也富含很多电子沙盘 ( e l e c t r o n i cs a n dt a b l e ) 的气息。例如，铁路沙盘上可以实现无线机车控制，机 车定位，模拟g s m r g p r s 铁路无线通信系统，并通过p c 机根据联锁表，控 制相应信号灯和道岔动作，实现计算机联锁，最终用点阵式l e d 显示屏展示整 个或局部铁路沙盘工作情况。 西南交通大学峨眉校区计算机系以铁道信号沙盘为核心，正在筹建铁路信 息综合实训基地，建成后开设实验方式分为设计型、演示型、操作型和故障型。 结合的课程有车站自动控制、微机联锁、区间自动控制、远程控制、编组站调 车自动控制、信号基础设备、信号控制网络及通信等。可开出的主要实验有： ( 1 ) 6 5 0 2 大站电气集中进路办理、电路原理、故障判断与处理的实验与训 练 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 ( 2 ) 微机联锁进路办理、电路原理的实验与训练操作 ( 3 ) 微机联锁编程 ( 4 ) 半自动和自动闭塞电路原理和电路故障判断与处理的训练 ( 5 ) 调度集中远程控制原理和电路故障判断与处理的训练 ( 6 ) 调度监督原理和电路故障判断与处理的训练 ( 7 ) 编组站驼峰调车进行编组作业过程的实验和电路原理电路故障判断 与处理的训练 ( 8 ) 继电器结构及逻辑实验 ( 9 ) 转辙机结构及控制实验 ( 1 0 ) 电源屏结构及原理实验和电路故障判断与处理的训练 ( 1 1 ) 室内实训基地可完成组合配线、架间配线、排间配线、分线盘配线、 电缆测试等基本技能的训练。 ( 1 2 ) 室外实训基地主要可完成道岔、信号机、轨道电路的测试调整和故 障处理以及各种箱盒配线的基本技能的训练。 例如，目前车站区域联锁是我国铁路综合行车指挥自动化系统的一个重要 研究方向。在沙盘联锁系统中，采用远程计算机网络控制方式，实现区域联锁， 在控制中心设一区域联锁子系统，可以对各个车站进行控制，并实时监控列车 的运行情况。 铁道4 - n - n - 沙盘区域联锁系统 图l 一1 区域连锁示意图 铁道信号的主要功能是保证行车安全，提高运输效率实现运输管理自动化、 列车运行自动控制以及改善铁路职工的劳动条件。铁道信号是实践性、应用性 极强的专业。铁道信号实训基地作为培养学生基本技能和专业技能的重要场所， 对于提高学生的专业素质起着不可替代的作用，丽铁道信号沙盘的建设又是重 中之中。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 1 2 研究意义 铁道信号实训基地中所开设的很多项目均要依托铁道信号沙盘完成演示、 验证、讲解，但是由于该沙盘整体较大( 2 0 m x 5 m ) ，在给学生讲解或演示时具 有一定局限性。例如，在给一批学生讲解区间闭塞的时候，如果区间较长，在 搬动某一个或几个道岔的时候，不能保证所有学生都能看见道岔动作情况，而 且区间较长的时候不可避免会由于沙盘中的场景布置会遮挡视线，也会造成无 法感性的认识区间闭塞。所以需要使用一套与沙盘整体联动的显示系统对沙盘 整体进行描述。因此选择合适的显示媒体能够增强沙盘整体的表述能力，给观 看者更为直观的感受，不仅仅是为沙盘整体锦上添花，更重要的是对沙盘功能 的拓展和增强。 铁道信号沙盘显示系统的研究结合了l e d 显示大屏幕技术和铁道信号知 识，成功将沙盘概况、铁路系统中信号灯与道岔的连锁关系、机车运行情况等， 沙盘的实时运行情况反映在l e d 显示大屏幕上，解决了对类似铁道信号专业沙 盘的平面显示问题，为铁道信号沙盘的讲解和演示提供了一条很好的途径。而 且在对l e d 显示大屏幕控制系统研究过程中，其控制核心仅采用了一款增强型 5 1 系列单片机铁电单片机v r s 5 1 l 3 0 7 4 ，具有非常强的性价比。之所以用 一款5 l 单片机就可以驱动2 0 m 2 的l e d 显示大屏幕，这主要是在对l e d 控制 系统设计过程中对数据组织、算法和硬件电路优化等，多方面研究的综合成果， 而这部分也正是所有l e d 显示控制系统的最根本和核心的内容。在对这部分核 心技术研究透彻以后，采用更高级、更昂贵的器件，可以直接提高现有控制卡 的控制范围和刷新频率。从本课题也可以看出，只要软件优化得当，配合相应 硬件电路，单片机仍然有其广阔的应用前景。 1 2 铁路沙盘显示系统国内外发展概况 1 2 1 现代主要显示技术 从未来发展趋势看，目前具有视频效果的几种主流媒体，其性能优势各有 千秋f l 】： ( 1 ) 阴极管( c r t ) 或石英管( d v ) 大型电视：成本非常昂贵，通常只能 做到3 7 英寸，体积再大就要受到限制。在不需要超大画面且在室内使用时效果 理想。 ( 2 ) 彩色液晶显示( l c d ) ：同样成本昂贵、电路复杂，面积不能太大， 而且受视角的影响非常大，可视角度很小，但画面细腻、视觉感好。 ( 3 ) 映像投影设备( p r o j e c t o r ) ：亮度小、清晰度差( 画面受光不均匀) ， 优点是安装方便、维护简单。 ( 4 ) 电视墙( w a l l ) ：表面有分割线，视觉上有异物感，室外应用时亮 度上效果差，不适于像文字这样需要高对比度的显示对象，但室内表现电视画 面时效果良好。 在大屏幕显示墙领域，d l p 投影技术的应用目前有三个分支，分别是：d l p 拼墙( 箱体式拼接) 、d l p 硬拼( e t 影机阵列+ 多组光学屏幕) 、d l p 软拼( 投 影机阵列+ 边缘融合+ 整体软幕) 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 其中d l p 拼墙由多个背投显示单元拼接而成，背投显示单元一般采用单片 d l p 投影系统，以及u h p 灯泡。多个显示单元的协同工作需要专门的多屏处理 器来完成，用户可以通过专门的软件来实现对d l p 拼墙显示内容的控制。 背投显示单元从设计之初就保证了良好的散热，因此d l p 拼墙可以7 x 2 4 小时地全天候工作。d l p 拼墙的分辨率由各显示单元的分辨率叠加而来，所以 其往往可以获得超高的分辨率。d l p 拼墙相比其他技术亦有劣势，因为要保证 良好的散热，亮度无法做得很高，一般在6 0 01 3 0 0 流明；由于由各显示单元 拼接而成，各显示单元之间难免会有屏幕拼缝，不过般小于0 5 m m 。 d l p 拼墙一般适用于需要不问断工作且位于室内环境光较暗的工作环境， 目前主要应用于电力、电信、能源、金融、交通等监控系统；军事、人防、政 府等指挥中心；会议室、展览、演出等市场。 ( 5 ) l e d 是英文l i g h te m i t t i n gd i o d e 的缩写，直译为“光发射二极管“， 通常称为发光二极管或简称l e d ( 管) 。我们最常用的l e d 是i n g a a s p i n p 双异质结边发光二极管，其发光二极管的发光原理可以用p - n 结的能带结构来 解释。制作半导体发光二极管的材料是重掺杂的，热平衡状态下的n 区有很多 迁移率很高的电子，p 区有较多的迁移率较低的空穴。由于p n 结阻挡层的限 制，在常态下，二者不能发生自然复合。而当给p - n 结加以正向电压时，沟区 导带中的电子则可逃过p n 结的势垒进入到p 区一侧。于是在p n 结附近稍偏 于p 区一边的地方，处于高能态的电子与空穴相遇时，便产生发光复合。这种 发光复合现象所发出的光属于自发辐射，辐射光的波长决定于材料的禁带宽度 e g 。由于不同材料的禁带宽度不同，所以由不同材料制成的发光二极管可发出 不同波长的光。另外，有些材料由于成分和掺杂的不同，具有很复杂的能带结 构，相应的还有间接跃迁辐射等。但利用半导体的p - n 结电致发光原理制成的 发光二极管只是到了1 9 6 0 年后期才得以发展 2 】。 满带空穴满带空穴 警笆当氅 禁带f e 禁带t 瓦 =8 盯r 斤耶汀r 斤邵 导带电子导带电子 纯净半导体能级图 掺杂半导体能级图 图1 2 半导体能级图 l e d 受空间限制较小，并可以根据用户要求设计屏的大小，具有全彩色效 果、视角大的特点，将声、光、电、机等学科整合并完美组合，集视频、动画、 字幕、图片于一体的高科技信息发布的终端产品。l e d 显示屏还可以延伸到网 络、通讯、综合布线、监控、广播等弱电系统。 l e d 视频产品和普通液晶或背投显示产品的主要区别在于：普通液晶或背 投显示产品的亮度低于l e d 显示产品。在一些光线比较强或者光线变化比较复 杂的场合，如体育场馆、城市广场、电视节目制作场所和大型购物广场中，普 通液晶或背投产品的发光亮度和视角范围都不能满足使用要求，所以l e d 产品 就成为目前最好的选择。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 1 2 2 铁路沙盘显示系统 近年来由于多媒体技术的发展，国内外专业用于铁道信号的沙盘也配备有 相应的显示系统。例如采用沙盘中加装微型摄像头，配以背投、电视等视频输 出设备，能在一定程度上逼真显示火车经过或某个局部场景，能给人一种身临 其境的感觉。但是在显示沙盘整体布局、站场布置、信号灯和道岔摆放位置时， 只能用静态图片，或是用光带站场模拟显示，显示方法较为单调，甚至无法在 机车运行的同时，在视频图像上反映整个站场或区间中道岔、信号灯之间的联 锁关系。除了显示战场情况外，铁路模拟沙盘同时也希望能够显示文字或图片， 通过图文并茂的方式讲解、演示。 适合于做铁路模拟沙盘的显示系统主要有投影仪、电视墙、l e d 点阵式大 屏幕。其中，投影仪可显示图像较小，适合于小型沙盘场景介绍；电视墙组装 较复杂，功耗大，占用面积大，需要考虑良好通风散热系统，而且拼接处有缝 隙；l e d 点阵式大屏幕长宽比例可任意调整，显示面积较大，而且寿命长，亮 度高，但真彩l e d 价格较高，通常可以选择性价比较高的双基色。因此铁路沙 盘显示系统必须根据实际使用场景需求，量身定制，以达到最佳效果。 对于峨嵋校区铁道信号实训基地铁路沙盘模拟显示系统来说，考虑到经费、 后期维护、开发周期等因素，最终考虑采点阵式双基色l e d 显示屏作为其整体 显示系统。 1 3 课题主要研究内容及创新点 1 3 1 课题主要研究内容 该课题拟研究解决以下几个问题： 1 铁道信号模型定义和控制命令集的制定 按铁道信号的定义规范要求，采用合适比例，描绘路轨、信号灯、道岔等 信息模型。由于沙盘上铁路设备动作后回产生相应的反馈数据，同时，沙盘模 拟显示系统也要实时更新，所以必须制定相应的命令集，方便l e d 控制系统和 上位机的通讯。 2 数据组织和存储方式 由于铁路沙盘模拟显示系统要求与沙盘同时动作，因此其刷新速度要求较 高，必须对显示数据预处理，按照按l e d 屏幕信息的显示位置与存储器地址的 对应关系，完成数据的存储以利于提高l e d 显示系统刷新速度。 3 屏幕信息的动态显示 核心电路设计要求能支持屏幕的超长显示，并能在完成显示信息修改的同 时实现动态刷新。拟采用m o t o r o l a 公司提出的s p i ( s e r i a lp e r i p h e r a li n t e r f a c e ) 高速同步串行口，配以计数器组，提高数据输出速度，满足屏幕的显示面积要 求，保证显示内容的实时刷新。 4 各外围电路的搭配及相应功能程序的实现 外围电路设计除完成相应功能外，应考虑应用的灵活性。采用可扩展r a m 组设计，满足铁路沙盘模拟显示系统高度上的变化：并设计屏幕保护模块，保 护非正常情况下关断向屏幕的输出；合理分配单片机各引脚，完成各功能电路 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 的设计。此外，完成相应功能的程序编制，实现铁路沙盘模拟显示系统良好的 显示效果。 1 3 2 课题创新点 本课题创新点在于： ( 1 ) 铁道信号电子沙盘和l e d 显示大屏幕的成功结合，将面积大约 2 0 m x 5 m 的铁道信号电子沙盘全局概况显示在l e d 显示大屏幕上，并能够根据 电子沙盘的变化而在l e d 显示屏上实时显示，辅助沙盘讲解和演示，实现了普 通l e d 显示大屏幕所不能达到的功能； ( 2 ) 通过对常规l e d 单元板电路分析的基础上，总结出l e d 显示控制系 统最核心的数据组织方法，从而有效的缩短显示数据组织和发送的时间，显著 提高了l e d 显示屏的刷新率，从而使其能够完成更多的特效，实现更多的功能； ( 3 ) 整个控制系统核心采用一款较新的增强型5 1 系列单片机铁电单 片机v r s 5 1 l 3 0 7 4 ( 4 0m i p s 单周期8 0 5 1 内核) 。在充分发挥该单片机的特性基 础上，结合硬件计数器电路，控制双基色l e d 大屏，长度3 7 1 2 点，高2 5 6 点， 并且具有适合铁道信号电子沙盘终端显示器的功能。 此外本文所制作的l e d 显示屏幕点阵数达到了8 2 万以上，以最低刷新率 6 0 h z 计，每秒钟需要传输给大屏幕的数据达3 m 以上，而普通5 1 系列控制卡 的输出速度只有i m b s 左右，若输出速度较低也会降低屏幕亮度、增加画面切 换时的延时。本文中控制卡采用s p i 的输出方式，不仅满足数据量传送要求， 而且刷新率也较高，达到l e d 显示屏显示标准。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章常用l e d 显示电路及理论分析 市场中点阵式l e d 显示屏绝大多数都采用单元板的形式，用拼接的方法构 成，所以显示电路都采用较为通用的模式构成。因此，若想提高控制卡的性能， 必须对其显示电路工作原理进行详细剖析，才能够做出针对其最优化的控制电 路。本章中主要针对铁路信号沙盘模拟显示系统中采用的双基色l e d 单元板进 行分析，同时它也是但前市面上较为流行、性价比较高、成交量最高的点阵式 l e d 单元板。 图2 一l8 x 8 点阵式l e d 模块实物图 点阵式l e d 模块主要按照三种规格区分：( 1 ) 按照使用场地可以分为室 内、半户外、户外；( 2 ) 按照模块上发光点直径大小可以分为中1 9m m 、中30 m m 、中37 5m m 、中50m r r l 、m 1 0 m m 、m 1 2 m m 、中1 6 m m 、m 1 9 m m 、m 2 l m m 、 0 2 6 m m ；( 3 ) 按照封装形式可以分为表贴式、直插式。 图2 1 中给出了室内直插式8 8 点阵双基色l e d 模块封装图，这种模块 由6 4 个发光l e d 芯片以8 x 8 的形式构成一个正方形模块然后用两列1 2 针引 脚将内部电路接口引出，供驱动电路使用。这种结构是市面上最通用，也是现 在应用最为广泛的形式，除此外还有5 x 7 、5 x 8 点阵形式的模块。在同等象素的 情况下，孔径越大，所构成的l e d 显示屏面积也就越大，其图文的细腻程度不 如孔径较小的模块，但它由于其面积大，所显示的内容在观看距离较远的情况 下会较为醒目，所以选用哪种模块制作l e d 显示屏需要根据实际场景决定。对 于铁路信号沙盘模拟系统来说，考虑到观看距离较近( 约7 9 米) ，显示轨道 条数较多，所以采用0 37 5m m 直插式双基色单元板。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 2 2 常用双基色l e d 显示屏基本控制单元 单个8 x 8 点阵模块对于面积较大l e d 显示屏生产和安装会带来很多问题， 例如，对于一个5 平方的l e d 显示屏，采用5 0 双色模块，会用大约1 5 0 0 块， 现场安装这么多模块会涉及到组装的一致性、焊点可靠性、屏体平整度等问题， 所以为了加快l e d 显示屏推广和产品化程度的提高，l e d 厂商推出了组装l e d 显示屏的基本单元l e d 单元板。它成为了现在整个l e d 显示屏行业认可的 基本标准组成单元，所以在设计l e d 显示屏时还需要考虑基本组成单元的尺寸。 下面以室内双基色l e d 单元板为例剖析其结构和工作方式。 2 2 1 室内双基色l e d 单元板结构介绍 l e d 单元板的基本组成单位是8 x 8 个l e d 模块，一般采用4 x 8 的排列方 式，即高4 块，长8 块，因此每张单元板由3 2 块l e d 模块构成。由于l e d 显 示屏最终是用很多块这样的单元板拼接而成，所以在单元板两端分别预留级联 接口。这种接口为1 6 针插座，也称为0 8 接口，如图2 图2 2 所示。除了l e d 模块外，单元板还有印刷电路板和电子元件这两部份，为了维修方便，所有电 子元件均焊接在印刷电路板的正面，反面插l e d 模块，即使有部分电路发现故 障一般情况下不拆卸l e d 模块也可以完成维修工作。 8 x 88 88 x 88 8 8 x 88 88 x 88 x 8 模组模组模组模组模组模组模组模组 8 x 88 x 88 x 88 8 8 x 88 x 88 88 x 8 模组模组模组模组模组模组模组稹组 8 x 88 8 8 x 88 x 8 8 88 88 88 x 8 模组模组模组模组模组模组模组模组 8 x 88 x 88 x 88 x 8 8 x 88 8g x 88 x 8 模组模组模组模组模组模组模组模组 0 8 接口 g n dl o i c n d i g n dlo l 心l i r i lo i 配l g 胁io i g n dl l 图2 2 5 0 l e d 单元板( 垂5 o ) 模块排列和接口示意图( 单位：c m ) 2 2 2 室内双基色单元板电路分析 1 l e d 单元板整体电路介绍 l e d 单元板是组成l e d 显示屏的基本单元，其组成部分主要有3 2 块 8 x 8 l e d 模块，3 2 片7 4 h c 5 9 5 ，8 片4 9 5 3 ，2 片7 4 h c l 3 8 ，2 片7 4 h c 2 4 5 。为 了便于介绍各部分功能，因此对其按照电路划分为接口电路、驱动电路、译码 电路和列数据电路这几部分。如图2 3 所示，在图最右边为接口电路，采用1 6 针插座( 又称0 8 接口) ，接口数据线定义说明： ( 1 ) a 、b 、c 、d ：行扫描信号线，决定1 6 行中的哪一行点亮 ( 2 ) r 1 、r 2 ：红色l e d 列数据线 ( 3 ) g 1 、g 2 ：绿色l e d 列数据线 ( 4 ) s c k ：7 4 h c 5 9 5 串行数据移位信号，上升沿将数据锁存入驱动模块中 的串行寄存器 【：蒿ll 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 ( 5 ) r c k ：7 4 h c 5 9 5 数据锁存信号，上升沿将串行数据锁存入并行寄存器， 同时屏体显示更新 ( 6 ) e n ：7 4 h c l 3 8 片选信号线，有效时屏体点亮，无效时屏体熄灭 图2 3 双基色单元板电路结构框图 每块单元板之间就是通过这个1 6 针插座，用数据线连接起来，数据和控制 信号都由控制卡从第一块单元板的输入接口送入。为了防止数据线过长，信号 衰减，在0 8 接口后面加入一片增强信号驱动能力的芯片，通常采用7 4 h c 2 4 5 t 4 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 所有信号经过再次驱动后，分为两部份进入控制电路：( 1 ) r c k 、s c k 、r 1 、 r 2 、g 1 、g 2 进入列数据电路：( 2 ) a 、b 、c 、d 、e n 进入行扫描电路。最后 所有信号汇入输出0 8 接口端，以供级联的下一个单元板级联使用。 下面将对单元板的两大核心电路列数据电路和行扫描电路进行分析。 2 列数据电路分析 异步显示屏可以分为屏体和控制器两大部分。屏体的主要部分是显示点阵， 以及行列驱动电路。显示点阵多采用6 4 x 3 2 单色或双色显示单元拼接而成。由 于l e d 发光器件数目较多，不宜使用静态驱动电路，通常采用扫描驱动方式。 扫描驱动电路一般采用多行的同名列共用一套列驱动器，行驱动器一行的行线 连到电源的一端，列驱动器一列的列线连到电源的另一端，当行驱动选中第i 行，列驱动选中第j 列时，对应的l e d 器件根据列驱动器的要求进行显示。控 制电路负责有序的选通各行，在选通每一行之前还要把该行各列的数据准备好。 一旦该行选通，这一行线上的l e d 发光管就可以根据列数据进行显示。电路连 接示意图如图2 4 所示： 图2 _ 48 行8 列扫描驱动电路连接示意图 采用扫描方式进行显示时，每行有一个行驱动器，各行的同名列共用一个 列驱动器。由行译码器给出行有效信号，从第一行开始，按顺序依次对各行进 行扫描( 把该行与电源一端接通) 。另一方面，根据各列锁存的数据，确定相应 的列驱动器是否将该列与电源的另一端接通。接通的列就在该行该列点亮l e d ， 未接通列所对应的l e d 不亮。当一行的持续扫描时间结束后，下一行又以同样 的方法进行显示。全部各行都扫过一遍后( 一个扫描周期) ，又从第一行开始下 一个周期的扫描。只要扫描周期的时间比人眼闪烁临界时间短，就不容易感觉 出数据的更替1 6 1 。 显示数据并行( 8 位或1 6 位) 存储在下位机的存储器中，显示时要把一行 中各列的数据都送到相应的列驱动器上去，传输方式可以采用并行方式或串行 方式，显然采用并行方式时从控制电路到列驱动器的连线的数量是巨大，相应 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 的硬件数量多。当列数很多时并行传输列信号的方式是不可取。 采用串行传输方法，控制电路可以只用一根信号线，将列数据一位一位的 传往列驱动器，数据要经过并行到串行和串行到并行两次转换。首先，微处理 器从存储器中读出的1 6 位并行数据要通过并串转换，按顺序一位一位的输出给 列驱动器，与此同时，列驱动器中每一列都把当前数据传向后一列，并从前一 列接收新数据，一直到全部各列数据都传输完为止。只有当一行的各列数据都 已传输到位之后，这一行的各列才能并行的进行显示。这样，对于一行的显示 过程就可以分解成列数据准备和列数据显示两个部分。这种方式下，列数据准 备的时间较长，在行扫描周期确定的情况下，留给行显示的时间就太少了，影 响l e d 的亮度。为了解决这一问题，采用重叠处理的方法，在显示本行各列数 据的同时，准备下一行各列的数据，这样列数据的显示就需要锁存功能。 经过上述分析，可看出列驱动器电路应具备下功能：对于列准备数据来说， 它应该实现串入并出的移位功能；对于列显示数据来说，应具有并行锁存的功 能。这样本行已准备好的数据打入并行锁存器进行显示时，串并移位寄存器就 可以准备下一行的数据，而不会影响本行的显示，这种列驱动电路可以用 7 4 h c 5 9 5 来实现f 5 】。单片7 4 h c 5 9 5 驱动一块l e d 模块电路原理图如图2 5 所示： 级 图2 5 列数据和行扫描线连接示意图 7 4 h c 5 9 5 具有一个8 b i t 的串入并出的移位寄存器和一个8 b i t 输出锁存器的结 构，而且为寄存器和输出锁存器的控制各自独立，所以当第一行数据锁存到行 线上时，其内部通过移位寄存器同时组织第二行数据，这使得行数据准备和显 示可以同时进行。 l e d 单元板上由7 4 h c 5 9 5 组成的列驱动电路如图2 ，共计3 2 片7 4 h c 5 9 5 组成4 组6 4 y l j 的驱动，其中上、下半屏各2 组，由2 个1 6 行驱动器各驱动上下半屏1 6 行。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 上下半屏连接方式一致，现以上半屏为例说明：第一片7 4 h c 5 9 5 的s i 端连接单片 机输出的串行列显示数据，s o 与后续7 4 h c 5 9 5 数据输入端连接，每组共8 片 7 4 h c 5 9 5 ，红色和绿色数据各用一组，因此上半屏共计使用了2 x 8 = 1