（计算机应用技术专业论文）基于串口的远程多路led显示系统的研制.pdf

摘费 本文针对某项目中工厂的实际需求，研究基于a v r 单片机的l e d 显示屏控制技 术，提出了一种基于r s - 4 8 5 总线的双向主从分布式远程多机l e d 显示屏控制系统。 上位机通过串行端口为下位a v r 单片机发送控制命令和要显示的字符信息，实现对 多块显示屏的远程监控及显示内容的动态刷新；下位a v r 单片机通过字模芯片把字 符信息转化为字模信息，然后通过行驱动器、列驱动器可将字符通过l e d 显示屏显 示出来；同时无线智能手持智能终端通过终端上的l c d 进行信息显示，并可通过终 端上的键盘向上位机进行信息反馈。 本文研制的l e d 显示屏系统使只有上位机向下位机发送与显示内容相关信息的 传统l e d 显示系统发展成为上位机和下位机可以进行双向通信的通信系统，弥补了 国内市场的空白，拓展了l e d 的发展空间。 关键字：l e d 点阵显示单片机l 峪4 8 5 通信 a b s t r a c t t h i sp a p e rd i s c u s s e st h et e c h n o l o g yo ft h el e dl a t t i c ed i s p l a ys y s t e mb a s e do na v r m i c r o c o n t r o l l e rf o r t h ea c t u a ln e e d so faf a c t o r yi nai t e r n ，a n dd e v e l o p e sab i d i r e c t i o n a l m a s t e r s l a v ed i s t r i b u t e dm u l t i m a c h i n el o n g r a n g ec o m m u n i c a t i o nl e dl a t t i c ed i s p l a y c o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h er s 4 8 5b u s t h ep ct r a n s m i t st h ei n s t r u c t i o n sa n dd i s p l a y s c o d et oa 冗m i c r o c o n t r o l l e r , a n da l lt h e s ei n s t r u c t i o n sa n dd i s p l a yc o d em u s tb ep a s st h e s e r i a lp o r t i tc a n s i m u l t a n e o u s l ym o n i t o ra n dc o n t r o lm a n yu e d l a t t i c ed i s p l a ys y s t e m d i s t r i b u t e di nd i f f e r e n td i s t a n tp l a c e sa n dd r a m a t i c a l l yr e f r e s ht h e i rd i s p l a yc o n t e n t s t h e 氏rm i c r o c o n t r o l l e rc o n v e r st h ec o n t e n t si n t om a t r i xu s i n gm a t r i xc h i p 。a n dd r i v e st h e r o wd r i v e ra n dc o l u m nd r i v e rt od i s p l a yt h e s em a t r i xb yf o r mo fl e dl a t t i c e ；a tt h es a m e t i m e ，t h ew i r e l e s sh a n d h e l di n t e l l i g e n tt e r m i n a ld i s p l a yt h ec o n t e n t sb yl c di nt h e t e r m i n a l ，a n df e e d b a c kt h ei n f o r m a t i o nb yk e y b o a r di nt h et e r m i n a l t h i sl e dl a t t i c ed i s p l a ys y s t e md e v e l o pt h et r a d i t i o n a ll e d d i s p l a ys y s t e mi nw i t c h o n l yd o e st h ep ct r a n s m i tt h ec o d et oa v r m i c r o c o n t r o l l e ri n t op ca n dm i c r o c o n t r o l l e r s c a nc o m m u n i c a t ee a c ho t h e r i tf i l l st h eb l a n ko ft h ed o m e s t i cm a r k e t ，a n de x p a n dt h e s p a c eo ft h el e ds y s t e m k e y w o r d s ： l e dl a t t i c ed i s p l a ym c ur s - 4 8 5c o m m u n i c a t i o ni nt w o - w a y s 长春理工大学硕士( 或博士) 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士( 或博士) 学位论文，基于串口的远程多路 l e d 显示系统的研制是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的 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 表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名： 年三月一2 0 日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定”，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕 士学位论文全文数据库和c n k i 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 指导导师签名： 年三月2 0 月翔同 第一章绪论帚一早珀t 匕 l e d 显示屏是八十年代后期在全球迅速发展起来的新型信息显示媒体，是集微 电子技术、光电子技术、计算机技术、信息处理技术于一体的大型显示系统，广泛 应用于广告、证券、交通、新闻发布等方面，迅速发展成一种电子广告媒体，是 当前国际上较为先进的显示媒体。 目前，某些企业的生产工厂也希望引进l e d 大屏幕显示系统，以此实现指挥调 度中心的各种信息发布，从而方便指挥调度中心和各车间的通讯。本课题即是针对 某项目中工厂的实际需求，在考虑开发成本的基础上，提出了一种基于r s 4 8 5 总线 的双向主从分布式远程多机l e d 显示屏控制系统，解决了该工厂指挥调度中心和多 个各车间双向通讯的难题，从而提高了企业的生产效率。 1 1l e d 显示屏的发展现状及趋势 在现代信息社会，众多行业开始把面向大众的服务信息发布作为自身一项重要 的服务内容。各类公司、金融企业、大型商场、体育场馆、医院、政府部门等各类 有大量服务信息发布需求的场合，普遍要求以大屏幕信息显示设备作为与大众沟通 的主要手段。在这样的背景下，l e d ( l i g h t e m i t t i n g d i d e ，发光二极管) 显示屏作为大 屏幕显示设备家族中的重要一员也开始倍受关注。 1 1 1 l e d 显示屏简介 发光二极管( l e d ) 是六十年代末发展起来的一种半导体显示器件。l e d 显示屏是 利用发光二极管构成的点阵模块或像素单元乜3 组成的显示屏幕。自2 0 世纪8 0 年代以 来，l e d 显示屏凭借其自身优势己经成长为平板显示类设备的主流产品。与传统的 显示设备相比，正是这种未来的巨大需求让大屏幕显示技术成为众人目光的焦点： ( 1 ) l e d 显示屏色彩丰富，显示方式变化多样( 图形、文字、三维、二维动画、 电视画面等) 、亮度高、寿命长，是信息传播设施划时代的产品。 ( 2 ) l e d 显示屏是集光电子技术、微电子技术、计算机技术、信息处理技术于一 体的高技术产品，可用来显示文字、计算机屏幕同步的图形。它以其超大画面、超 强视觉、灵活多变的显示方式等独居一格的优势，是目前国际上使用广泛的显示系 统。 ( 3 ) l e d 显示屏应用广泛，金融证券、银行利率、商业广告、文化娱乐等方面， 有巨大的社会效益和丰厚的经济效益。 在其历史的演变过程中，出现了多种信息传播媒体，但就其性能看：如阴级管 ( c r t ) 或石英管( d v ) 大型电视，成本非常昂贵，在不需要超大画面且在室内使用时效果 尚可；彩色液晶显示同样成本昂贵、电路复杂，面积有限，受视频角的影响非常大， 可视角度很小；影象投影设备亮度小、清晰度差( 画面受光不均匀) ；电视墙表面有 分割线，视觉上有异物感，室外应用时亮度效果差。而l e d 显示屏以其受空问限制 较小，并可以根据用户要求设计显示屏的大小，具有全彩色效果，视角大，可以用 于显示文字、图案、图象、动画、视频、录象信号等各种信息的特点得到了突飞猛 进的发展。 1 1 2l e d 显示屏的发展概述 l e d 显示屏技术包括半导体光电技术、电子电路技术、图像信息处理技术、信 息传输技术、计算机网络技术以及电子产品制造和电子产品安装工程相关的技术。 我国l e d 显示屏产业自9 0 年代以来，在规模迅速发展的同时，产品技术也推陈出 新，一直保持了在该领域内比较先进的水平。早在9 0 年代初，国产的l e d 显示屏 就具备了成熟的1 6 级灰度、2 5 6 色视频控制技术和无线遥控等代表了当时的国际先 进水平的技术。近几年，在全彩色l e d 显示屏、2 5 6 级灰度控制技术、级群控制技 术等方面，国内企业均拥有了居行业先进技术水平的产品。国内的l e d 显示屏技术 的发展主要经历了以下三个阶段1 ： ( 1 ) l e d 显示屏的成长形成期 在1 9 9 0 年以前国外应用较广，但由于受到l e d 材料器件的限制，国内并没有 广泛的使用。 ( 2 ) l e d 显示屏的迅速发展期 进入9 0 年代后，在l e d 显示屏的设计制造技术与应用水平h 1 上都得到了迅速 的提高。l e d 显示屏也经历了从单色、双色到全彩显示屏的发展过程。在这个时期， 不论是在器件的性能还是控制器的设计上都取得了长足的进步。 ( 3 ) l e d 大屏幕的发展成熟期 进入2 1 世纪后，由于l e d 器件成本的大幅下降。l e d 显示屏得到了空前广泛 的应用。l e d 控制器的设计也同趋成熟。l e d 控制器设计和屏体设计开始渐渐分离， 这时出现了一批专业设计提供l e d 大屏幕控制器的公司，它们在技术上也大大推动 了l e d 产业的发展。l e d 控制器的设计趋于通用性。 目前l e d 大屏幕的显示向高亮度、更高的发光均匀性、更高的可靠性等方向发 展。控制系统的运行，操作和维护也越来越向集成化、网络化、智能化等方向发展。 ( 1 ) 高亮度、全彩化 蓝色及绿色超高亮l e d 的出现，以及其成本的降低，使得l e d 全彩显示屏成 本大大下降，使得其普及速度也大大加快。 ( 2 ) 标准化、规范化 材料、技术的成熟及市场价格基本均衡后，l e d 显示屏的标准化和规范化将成 为l e d 显示屏发展的一个趋势。行业规范和标准体系的形成，使得l e d 显示屏行 业的发展趋于有序。 ( 3 ) 产品结构多样化 随着社会的发展，l e d 显示屏的应用前景越来越广阔。l e d 屏幕从大型系统开 始向大批量、小型化系统发展。 总之，在l e d 元件研制方面，单色、多色l e d 点阵模块产品已经发展得很成 熟。而在产品方面，l e d 大屏幕朝着标准化、大型化和小型化等方面发展。 1 1 3l e d 显示屏的分类 根据划分标准的不同，l e d 显示屏可以有很多种类。例如，按显示颜色分为： 单色l e d 显示屏，双色l e d 显示屏和全彩色( 三基色) l e d 显示屏；按显示内容分 为l e d 图文显示屏、l e d 图像显示屏等。 对于不同种类的l e d 显示屏，其控制系统的设计也必然有所差异。例如，l e d 图文显示屏的控制相对简单，只要控制l e d 屏幕上各点的亮、灭即可。而l e d 图 像显示屏的控制则相对复杂，它不但需要控制l e d 屏幕上各点是否发光还要控制它 们的发光强度。 此外，l e d 图像显示屏的控制还要考虑所显示的图像是静止的还是运动的。对 于动态图像，其图像的显示还要考虑动作连续、无闪烁等要求。这就对其控制系统 的设计提出了更高要求。 1 1 4l e d 显示屏的控制技术概述 l e d 信息显示屏系统的主要功能是实现对显示信息的接收、处理、存储和显示。 为达到功能设计要求目标，有很多技术路线和设计方案可供选择。例如，作为l e d 信息显示屏系统主体的主控模板可以是嵌入到l e d 显示屏驱动电路中的单片机系 统，也可以是独立的微机系统或者是微机+ 单片机主从控制系统。在诸多设计方案中， 目前比较流行思路是由微机和单片机共同构成主从控制系统。在此基础之上，l e d 显示屏的控制技术瞄1 主要分同步控制和异步控制两种类型。 同步控制技术在上位机( 微机) 与l e d 屏幕之间建立一个映射通道，将微机显示 器上的内容，直接映射到l e d 屏幕上。这样，l e d 屏幕就可以显示上位机显示器上 的内容( 主要是动画靓频) 。这种控制方式的突出优点就是显示内容可以更为丰富， 缺点是显示屏控制系统的设计比较复杂，且难以实现对多个显示屏的集群控制。 异步控制则通过通讯接口( 般是串口) 将显示信息发送到显示屏系统，并且存 储到其存储器上。然后，显示屏系统再根据控制命令管理这些信息，使之显示在l e d 屏幕上。显然，由于受本身信息处理能力和存储空间的限制，采用异步控制方式的 控制系统一般不具备显示复杂信息的能力。因此，异步控制方式主要用于文字和静 态图形信息的显示。异步控制方式的优点是系统设计相对简单，且容易实现多个屏 幕的集群控制。 在实际应用当中，以文字信息以及静态图形为主的l e d 信息显示屏系统多采用 异步控制方式，以视频显示以及动态图形为主的l e d 信息显示屏系统则多采用同步 控制技术。 1 2 本课题研究的背景和意义 1 2 1 项目需求 随着信息化进程的不断深入，市场对l e d 信息显示设备的需求量越来越大，对 l e d 信息显示设备的功能要求也呈现出多样化的趋势。 某工厂某生产线上有1 2 个生产车间，各生产车间和指挥中心距离长达近千双 向米，这给指挥中心和生产车间的通讯带来了极大的不便，严重的影响了车间的生 产效率。并且这些车间的工作环境都属于强噪音环境，想用对讲机、电话等通讯方 式进行通讯难度非常大，因此工厂决定采用1 2 个l e d 大屏幕构成远程通讯系统来 实现指挥中心和各个车间的通讯。该系统既能实现指挥中心对各个生产车间的l e d 屏进行产量信息发布和通知信息发布，又能实现各个生产车间通过l e d 屏对指挥中 心反馈信息，反馈信息由车间主任通过一部无线手持智能终端输入和控制。 该系统要求具有如下的功能： ( 1 ) l e d 屏的信息显示功能 每块l e d 屏长约1 8 米宽约1 o 米，悬挂于生产车间前方墙上。大屏幕的显示 效果如下图： 图1 1u d 显不屏的显不效果 如图1 1 所示，l e d 屏的信息显示功能有： 实时显示时间和产量信息：车间所有人员( 车间主任和工人) 都可以从大屏 幕上看到时间、产量信息，指挥中心可以随时对显示屏的时问进行校正，对产量信 息进行刷新；l e d 屏还可以自动对时间信息进行实时刷新。 实时显示指挥中心发送的通知信息：车间所有人员都可以从l e d 屏上看到滚 动显示的从指挥中心发布的通知信息。 工人可以从通知信息栏里看到车间主任向指挥中心反馈的信息。 工人可以从通知信息栏罩看到车间主任在车间内部发布的信息，车间主任向 车间里工人发布的信息会在信息前注明：“内部信息”。 ( 2 ) l e d 屏的通讯功能 指挥中心和l e d 屏构成双向多机通讯系统。1 2 块大屏幕l e d 显示屏通过一 台上位机和r s 4 8 5 总线构成双向主从分布式多机控制系统，不仅指挥中心可以控制 1 2 块l e d 屏显示各种不同的通知信息，并且各下位机控制系统可以向指挥中心反 馈信息。 车间主任可以通过无线手持智能终端控制l e d 屏的显示。手持智能终端可以 通过l c d 显示指挥中心向l e d 屏发送的通知信息，可以输入向指挥中心进行反馈 的信息和向车间发布的内部信息，并向l e d 屏发送这些信息和控制l e d 屏显示这 些信息。 指挥中心和车间构成远程通讯系统，通讯距离长达1 0 0 0 米。 ( 3 ) 指挥中心控制软件 为了方便指挥中心工作人员控制十二个生产车间的l e d 显示屏的信息发布和 信息通讯，必须有方便的用户操作界面。 用户登录界面，必须包含用户名和密码，只有在输入的用户名和密码正确的 情况下，方可进入。 通讯控制界面，对十二路l e d 屏进行选择，可以对任意个、几个或全部l e d 屏发送信息，并接收l e d 屏的信息反馈。 通讯详情查询界面，可以对通讯的历史记录进行查询，通讯记录的详细情况 按时间顺序排列。 通过灵活方便的使用这些功能，实现l e d 显示系统和双向通讯系统的结合，真 正实现基于l e d 屏的双向多机通信。让指挥中心与强噪音环境下的生产车问方便快 捷的通讯，以提高工厂的生产效率。 1 2 2 课题的主要内容 第一，本文根据项目需求，在综合分析目前l e d 大屏幕信息显示系统技术不足 的基础上，对本l e d 显示系统进行需求分析、确定系统的基本功能。 第二，在需求分析的基础上，确定了符合项目设计要求的通讯方案。本文选取 了目前比较成熟的p c 机+ 单片机阳1 的l e d 信息显示屏控制技术，在此基础上，引入 r s 4 8 5 总线通讯技术，设计了显示和通讯相结合的远程多机双向通讯的l e d 显示 系统。 第三，下位机系统硬件部分选择了m e g a l 2 8 作为主控制芯片，进行了包括下位 机控制系统、l e d 显示屏驱动系统、无线手持智能终端的信息反馈系统、上位机和 下位机的基于r s 4 8 5 总线的通讯系统、下位机和无线手持智能终端的无线通信系 统、存储器扩展系统、字模提取系统、时钟系统、声光报警系统等的硬件电路设计 和p c b 板开发。 第四，确定通讯协议。 第五，在硬件设计基础上进行硬件部分的软件丌发，选用c 语言进行开发。 第六，上位机软件选取了目前比较流行的v c 进行开发。 1 2 3 课题的意义 随着l e d 显示屏的显示技术和控制技术的飞速发展，l e d 显示屏的应用范围越 来越广，更多的场合对l e d 显示屏提出了更多更新更高的要求，例如本文所研制的 l e d 通讯屏就是国内市场上的一大空白。 目前几乎所有的l e d 屏都只作为显示屏而存在，只有上位机向下位机发送与显 示内容相关的信息，而上位机并不能得到下位机的信息反馈，即上位机和下位机不 能实现双向通讯。 本课题不仅解决了该项目中指挥中心和生产工厂通讯难的问题，也为同样需要 l e d 显示系统作为远程双向多机的通讯系统的场合提供了解决思路，弥补了国内市 场的空白，拓展了l e d 屏的发展空间。 1 3 ，j 、结 本章在介绍l e d 显示屏控制系统发展现状的基础上，针对某项目中的某工厂在 强噪音环境中需要指挥调度中心与多个生产车间进行产量信息发布和通知信息发布 及反馈的难题，提出了一种基于r s 。4 8 5 总线的双向主从分布式远程多机l e d 显示 屏控制系统，从而很好地解决该工厂指挥调度中心和各车间通讯难的问题。 第二章系统的组成及总体设计 2 1 系统的组成及功能 2 1 1 本系统的硬件系统组成 本文所设计的l e d 大屏幕显示系统的硬件系统组成如下图所示，由三大部分组 成：一台上位工控机、1 2 台下位机和通信部分。 图2 1 系统组成框图 如图2 1 所示，下位机硬件部分主要包括包括下位机控制系统，l e d 屏点阵驱 动系统，无线手持智能终端，另外还有字模信息提取及存储系统，时钟芯片和声光 报警部分。其中每台下位机的控制系统采用两片单片机。单片机1 控制系统负责控 制l e d 的时间和产量的静态显示，无线手持智能终端和报警部分。其中手持智能终 端包括液晶显示屏、键盘、s d 卡三部分。单片机2 控制系统负责通知信息的字模信 息提取及存储，以及通知信息的动态显示。 通信部分包括两部分：上位机和下位机间采用基于r s 4 8 5 总线的通讯系统、 下位机和无线手持智能终端间采用基于s p i 总线的无线通信系统。 2 1 2 本系统的软件系统组成 软件部分包括上位机软件和下位机软件。 ( 1 ) 上位机软件 上位p c 机作为整个系统的控制中心，负责向1 2 台下位机发送显示信息，轮询 命令，和接收下位机反馈信息。通过制定相应通信协议，可以向不同的下位机系统 发送不同信息，可以接收各下位机反馈的信息。 ( 2 ) 下位机软件 单片机1 控制软件要完成如下功能：控制时钟芯片对l e d 显示屏的时间进行实 时刷新；接收上位机发送的时间校正命令和产量信息；显示时间和产量；通过无线 端口把通知信息发送给手持智能终端，智能终端把通知信息显示在l c d 上，通过键 盘输入向上位机进行信息反馈，并在大屏上动态显示：所有上位机和本机的通信信 息都存储在s d 卡中，并可以取出来插入电脑的读卡器进行随时查阅。 单片机2 控制软件要完成如下功能：当通知到来时发出声光报警信号；接收上 位机发送的通知信息的机内码，通过机内码在字库中查询通知信息的字模，并存储 在扩展存储器中；完成通知信息的动态显示。 2 2 系统的整体设计 2 2 1 系统的硬件设计 系统的硬件电路主要由以下几部分部分组成：下位机控制部分电路、l e d 屏点 阵显示驱动电路，上位机和下位机的通信电路，字模信息提取及存储系统，手持智 能终端电路，时钟电路，声光报警电路。下面分别对每一部分的总体设计进行论述。 2 2 1 1 下位机控制部分电路选择 采用a t 8 9 c 5 1 单片机h 1 为控制器，a t 8 9 c 5 1 是a t m e l 公司生产的一种低功 耗、高性能的c m o s8 位单片机，辅以外围电路，完成串行通讯、外部存储器读取、 通过上位机的命令将硬件字库的内容调出并进行显示等功能。但是这种方案需要单 片机具有较多的i o 口以进行扩展，并且要求单片机的运行速度较高，否则点阵显 示屏无法j 下常刷新，a t 8 9 c 5 1 单片机在晶振为1 1 0 5 9 2 m h z 的时候，单周期指令执 行速度为l u s ，传送一个字节至少需要8 个周期，一个汉字的大小为3 2 x 2 4 点，屏 的大小为2 4 x 2 5 6 点，若显示5 0 个汉字字模码所需的时间至少为( 5 0 8 u s x 2 4 x 3 2 ) + 8 = 3 8 4 m s ，并且其他指令的执行时间还并没有计算在内。人眼的视觉暂留时间一 般为为0 0 5 s 至0 2 s ，要想使人清晰的看到稳定的l e d 显示，刷新率至少应在5 0 h z 以上，即2 0 m s ，所以，a t 8 9 c 5 1 单片机的刷新速度较难满足要求。从串口通讯方 面来说，可以使用两片a t 8 9 c 5 1 单片机，一片负责与上位机的通讯和键盘显示等， 另一片只负责驱动屏幕显示，但这种方案使单片机资源分配不合理，且a t 8 9 c 5 1 的 f o 口有限，不能满足需要，并且升级能力极为有限，同时单片机的编程、调试难度 增加，开发周期长，不宜采用此方案。 下位机的控制部分采用a v r 系列单片机中的a t m e g a l 2 8 单片机作为控制 器。a v r 系列单片机阳3 是目前广泛应用单片机。a t m e g a l 2 8 具有1 2 8 k 字节的系统 内可编程f l a s h ( 具有在写的过程中还可以读的能力，即r w w ) 、4 k 字节的e e p r o m 、 4 k 字节的s r a m 、5 3 个通用i o 口线、3 2 个通用工作寄存器等丰富的片上资源。 所以本系统采用a t m e g a l 2 8 不论是在速度上还是扩展方面均能满足要求。 2 2 1 2l e d 显示屏驱动部分的选择 发光二极管，是一种把电能变成光能的特种器件，当电流通过它的时候，可以 产生可视的光1 。l e d 显示屏的像素点采用l e d 发光二极管，将许多发光二极管以 点阵方式排列起来，构成l e d 阵列，进而构成l e d 屏幕。 单片机驱动l e d 显示的方法n 们有很多，按显示方式可以分为静态显示和动态扫 描驱动显示。 静态显示就是显示驱动电路具有输出锁存功能，单片机将要显示的数据送出 后就不再控制l e d ，直到下一次显示时再传送一次新的数据。只要当前显示的数据 没有变化，就无须理睬数码显示单元。静态显示的数据稳定，占用的c p u 时间少。 在静态显示中，每一个显示器都要占用单独具有锁存功能的i o 口，这样单片机只 要把显示的字型数据代码发送到接口电路，该字段就可以显示要发送的字型。要显 示新的数据时，单片机再发送新的字型码。静态显示的优点是c p u 占用时间较少， 缺点是占用的口较多，且耗电量较大。 动态扫描驱动n 是通过数字逻辑电路，使若干l e d 器件轮流导通，用以节省 控制驱动电路。l e d 显示屏是将发光灯按行或按列布置的，驱动时也就按行或按列 驱动。在扫描驱动方式下可以按行扫描，按列控制；也可以按列扫描，按行控制。 所谓“行扫描”的含义，就是指一行一行地循环接通整行的l e d 器件，而不问 这一行的哪一列的l e d 器件是否应该点亮，某一列的l e d 器件是否应该点亮，由 所谓的列控制电路来负责。 实现行扫描方法是用其接口电路把所有显示单元的列信号端连在一起，而每一 个显示单元的行选端各自独立接受i o 线控制。c p u 向字段输出端口输出字型码时， 所有显示器接受相同的字型码，但究竟使能哪一位则由i o 线决定。动态扫描用分 时的方法轮流控制每个显示单元( 8 8 ) 的行选端，使每个显示单元的各个行轮流点 亮。在轮流点亮过程中，每位显示器的点亮时间极为短暂，但由于人的视觉暂留现 象及发光二极管的余辉效应，给人的印象就是一幅完整的画面n 引。优点是占用i o 口较少，耗电量较少，缺点是占用c p u 时间较多。本课题采用的就是这种按行扫描 按列控制的驱动方式。 2 2 1 3 上位机和下位机的通信总线的选择 r s 2 3 2 c 是美国电子工业协会e i a ( e l e c t r o n i ci n d u s t r ya s s o c i a t i o n ) s 1 定的一 种串行物理接口标准。r s 是英文“推荐标准”的缩写，2 3 2 为标识号，c 表示修改次 数。r s 2 3 2 c 总线标准n 3 1 设有2 5 条信号线，包括一个主通道和一个辅助通道，在 多数情况下主要使用主通道，对于一般双工通信，仅需几条信号线就可实现，如一 条发送线、一条接收线及一条地线。r s 2 3 2 c 标准规定的数据传输速率为每秒5 0 、 7 5 、1 0 0 、1 5 0 、3 0 0 、6 0 0 、1 2 0 0 、2 4 0 0 、4 8 0 0 、9 6 0 0 、1 9 2 0 0 波特。r s 一2 3 2 一c 标准 规定，驱动器允许有2 5 0 0 p f 的电容负载，通信距离将受此电容限制，例如，采用 1 5 0 p f m 的通信电缆时，最大通信距离为1 5 m ：若每米电缆的电容量减小，通信距 离可以增加。传输距离短的另一原因是r s 2 3 2 属单端信号传送，存在共地噪声和不 能抑制共模干扰等问题，因此一般用于2 0 m 以内的通信。综上所述，虽然p c 机的 串口都采用r s 2 3 2 总线标准，但考虑到本系统的双向远程多站通信系统，因此本文 不易采用r s 2 3 2 总线标准作为通信方式。 在工业控制及测量领域r s 4 8 5 通信接口是广泛采用的方式，在解决多站、 远距离通信距离为几十米到上千米时的问题时，广泛采用r s 4 8 5 串行总线标准u 钉。 这种通信接口可以十分方便地将许多设备组成一个控制网络。从目前解决单片机之 间中长距离通信的诸多方案分析来看，r s 4 8 5 总线通信模式由于具有结构简单、价 格低廉、通信距离和数据传输速率适当等特点而被广泛应用。r s 4 8 5 采用平衡发送 和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具有高灵敏度，能检 测低至2 0 0 m v 的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。应用r s 一4 8 5 可以联网 构成分布式系统，其允许最多并联3 2 台驱动器和3 2 台接收器其总线性能见表2 - 1 。 r s 4 8 5 由于使用了差分电平传输信号，传输距离比r s 2 3 2 更长，最多可以达 到3 0 0 0m ，因此很适合工业环境下的应用。与c a n 总线等更为先进的现场工业总 线相比，虽然r s 4 8 5 总线存在一些缺点，但由于它的线路设计简单，用于多点互连 时非常方便，可以省掉许多信号线，加之其价格低廉、控制方便，只要处理好细节， 在某些工程应用中能发挥良好的作用。其处理错误的能力还稍显逊色，所以在软件 部分还需要进行特别的设计，以避免数据错误等情况发生。 表2 1r s - 4 8 5 总线电气性能 性能指标r s 4 8 5 总线 工作模式差分传输( 平衡传输) 允许的收发器数目3 2 ( 受芯片驱动能力限制) 最大电缆k 度 4 0 0 0 英尺( 1 2 1 9 米) 最高数据速率1 0 m b p s 最小驱动输出电压范围 1 5 v 最大驱动输出电压范围 5 v 最大输出短路电流 2 5 0 m a 最大输入电流 1 o m a 1 2 v i n 驱动器输出阻抗5 4 欧 输入端电容= 5 0 p f 接收器输入灵敏度 _ 2 0 0 m v 接收器最小输入阻抗 1 2 k 接收器输入电压范围 7 v 一+ 1 2 v 接收器输出逻辑高 2 0 0 m v 接收器输出逻辑低 2 0 0 m v 本文由于系统对实时性要求不是非常高，系统的数据冗余量也不很大，并且下 位机之间不需要通信，因此不需要选择如c a n 总线n 础的高速和带宽，r s 一4 8 5 已能 满足本文的设计需求。在综合考虑成本和设计复杂程度的基础上，最后选择r s 4 8 5 总线标准作为通信方式。 2 2 1 4 字模信息提取及存储系统 计算机内部处理的信息n 6 1 都是用二进制代码表示的，汉字也不例外。我国标准 总局1 9 8 1 年制定了中华人民共和国国家标准g b 2 3 1 2 8 0 信息交换用汉字编码字 符集一基本集，即国标码。国标码字符集中收集了常用汉字和图形符号7 4 4 5 个， 其中图形符号6 8 2 个，汉字6 7 6 3 个。 区位码是国标码的另一种表现形式，把国标g b 2 3 12 8 0 中的汉字、图形符号 组成一个9 4 x 9 4 的方阵，分为9 4 个“区”，每区包含9 4 个“位”。区位码是一个十迸 制的四位数字，其中前两位是“区”号，后两位是“位”号，用确定的区位码即给定“区” 值和“位”值，就可以确定唯一的一个汉字或图形符号。区位码一共有9 4 个区号和9 4 个位号，可以表示9 4 x 9 4 - - 8 8 3 6 个汉字和图形符号，其中7 4 4 5 个汉字和图形字符 中的每一个占一个位置后，还剩下1 3 9 1 个空位，这1 3 9 1 个位置空下来保留备用。 根据国标码的规定，每一个汉字都有了确定的二进制代码，但是这个代码在计 算机内部处理时会与a s c i i 码发生冲突，为解决这个问题，把区位码的每一个字节 的首位上加1 。由于a s c 码只用7 位，所以，这个首位上的“1 ”就可以作为识别汉 字代码的标志，计算机在处理到首位是“1 ”的代码时把它理解为是汉字的信息，在处 理到首位是“0 ”的代码时把它理解为是a s c i i 码。经过这样处理后的区位码就是机内 码。 汉字的机内码、国标码和区位码之间的关系是： ( 汉字机内码前两位) 16 = ( 国标码前两位) 16 + 8 0 h = ( 区码) 16 + a o h ( 汉字机内码后两位) 1 6 = ( 国标码后两位) 1 6 + 8 0 h = ( 位码) 1 6 + a o h 把用十六进制表示的机内码的前两位和机内码的后两位连起来，就得到完整的 用十六进制表示的机内码。在微机内部汉字代码都用机内码，在磁盘上记录汉字代 码也使用机内码。 字形码，是汉字的输出码，输出汉字时都采用图形方式，无论汉字的笔画多少， 每个汉字都可以写在同样大小的方块中。为了能准确地表达汉字的字形，对于每一 个汉字都有相应的字形码，目前大多数汉字系统中都是以点阵的方式来存储和输出 汉字的字形。所谓点阵就是将字符( 包括汉字图形) 看成一个矩形框内一些横竖排列 的点的集合，有笔画的位置用黑点表示，没笔画的位置用白点表示。在计算机中用 一组二进制数表示点阵，用0 表示白点，用1 表示黑点。一般的汉字系统中汉字字 形点阵有1 6 x 1 6 、2 4 x 2 4 、4 8 x 4 8 几种，点阵越大对每个汉字的修饰作用就越强， 打印质量也就越高。通常用1 6 x 1 6 点阵来显示汉字，每一行上的1 6 个点需用两个 字节表示，一个1 6 x 1 6 点阵的汉字字形码需要2 x 1 6 = 3 2 个字节表示，这3 2 个字 节中的信息是汉字的数字化信息，即汉字字模。 计算机中汉字的存储是用机内码，而在l e d 显示屏上显示需要的是字型码，因 此，当下位机接收到上位机发送来的信息机内码后，需要在下位机内进行机内码向 字型码的转化，得到信息的字型码后传输给l e d 显示屏，方可在l e d 显示屏上进 行显示。因此，需要加入字库芯片，在字库中每个汉字是以汉字字模的形式存储， 输入汉字的机内码可以得到汉字的字模信息。这里选用是一款支持g b 2 3 1 2 字符集 的芯片g 1 1 2 0 l 3 2 s 4 w 1 t 。 当字模数据量较大而a v r 的内部存储器容量无法满足要求时，还需要外扩一片 存储器来保存字模数据，因此，还需要加入扩展存储器。这里选用高性能c m o s 静 态r a m ，可存储3 2 7 6 8 个8 位字节的存储器芯片h m 6 2 2 5 6 。 2 2 1 5 无线手持智能终端系统的选择 为了方便车间主任对l e d 显示屏显示内容的控制，和对上位机进行反馈信息的 输入及反馈信息的发送，本文的信息反馈系统设计为手持智能终端，整体体积和外 形类似一个手机，外形如图2 2 。并且由于车间主任在工厂里的位置是不固定的，为 了使车问主任在工厂任何地方都可以方便地进行操作，手持智能终端和屏的通信方 式设计为无线通信方式口7 1 ，在离l e d 屏2 0 0 米的距离内，都可以对屏进行控制。 口 图2 2 手持智能终端外观 无线手持智能终端要实现的功能主要有：与l e d 屏进行通信，存储通知信息， 显示通知信息，和键盘输入反馈信息。与l e d 屏进行的通信包括接收通知信息，发 送反馈信息和需要在l e d 屏上显示内部命令。 手持智能终端以a t m e l 的m e g a l 6 l 作为控制器，通过一个3 * 6 的键盘来实现菜单 操作及文字( 中英文及数字、字符等) 输入等功能。考虑智能终端的体积，显示屏选 用p c d 8 5 4 4 为控制器的4 8 8 4 点矩阵液晶显示屏。系统内部使用一个s d 卡以记事本 的形式来按时间存储通讯记录信息，并存储字模以供l c d 显示用。整个终端通过高 性能嵌入式无线收发模块p t r 8 0 0 0 来实现手持智能终端与l e d 显示屏控制器的通 讯。手持终端系统采用3 3 v 供电，使用一块u + 电池，整机具有休眠模式，以减少功 耗。手持智能终端结构如图2 3 。 图一圉 国 厂 i 键盘i i 一 图2 弓手持智能终端结构图 2 2 1 6 时钟部分电路 由于l e d 大屏幕显示屏上需要实时刷新时间信息，因此需要使用时钟芯片，这里 选用的是是p h i l i p s 公司推出的一款工业级，内含1 2 c 总线接口功能的，具有极低功 耗的多功能时钟日历芯片p c f 8 5 6 3 。 o 2 2 1 7 报警器电路 报警电路选用可以发出闪烁和报警声音的的报警灯。 2 2 2 上位机软件设计 上位机软件设计主要是要在w i n d o w s 下实现串口通讯。 采用v c + + 编程实现串口通信，有两种方法，一种是通过m s c o m m ( m i c r o s o f t c o m m u n i c a t i o n s c o n t r 0 1 ) 控件控制串行端口进行传输和接收数据，为应用程序提供串 行通信功能。另外一种方法就是利用w i n d o w s 的通信机制，即w i n d o w sa p i n 引进行 编程，而不用对硬件进行操作。前者的主要优点在于串口编程时非常方便，不用去 花时间了解较为复杂的a p i 函数，而且在v i s u a lc + + 、v i s u a l b a s i c 、d e l p h i 等语言 中均可使用。接口数据传输一般采用较为简单实用的m s c o m m 控件n 钔实现串口通 信功能，基本使用流程和直接使用a p i 函数类似，通过控件来调用a p i 函数完成串 口通信。 7 2 2 下位机软件设计 下位机软件采用c 语言进行开发啪1 ，采用a v r 常用的编译器i c ca v r 乜订进行 编译。i c ca v r 编译器是一种使用a n s i 标准c 语言来进行开发a v r 系列单片机程 序的一个很好的c 编译器工具，它是一个综合了编译器和工程管理器的集成工作环 境，可以在w i n 9 8 、w i n n t 、w i n x p 下运行，源文件全部组织到工程之中，文件 的编辑和工程构建也在i d e 环境中完成。并采用a v rs t u d i o 进行仿真调试。 2 3 ，j 、结 本章根据项目的设计要求，从系统的硬件和软件件两方面分别对系统的组成进 行阐述，并进行总体设计和可行性论证。 第三章硬件的详细设计 本章将从下位机控制系统，l e d 点阵驱动系统，手持智能终端控制，串口通 信模块，字模信息提取及存储，时钟芯片，报警器七个部分进行详细设计，并说明 工作原理。 3 1 下位机控制系统 3 1 1 单片机1 控制系统 单片机1 的控制系统框图如下 图3 1 单片机1 的控制系统框图 如图3 1 所示，单片机1 控制系统采用控制器a t m e g a l 2 8 ，包括工作电路( 晶振 电路，复位电路，电源电路) ，j t a g 仿真接口电路，并设有r s 4 8 5 总线通信接口， 时钟芯片p c f 8 5 6 3 接口，手持智能终端的无线接口，l e d 显示屏接口1 和l e d 显 示屏接口2 ，和报警器控制接口。 a t m e g a l 2 8 是以a t m e l 的高密度非易失性内存技术生产的，片内i s pf l a s h 可 以通过s p i 接口、通用编程器，或引导程序多次编程。引导程序可以使用任何接口 来下载应用程序到应用f l a s h 存储器。在更新应用f l a s h 存储器时引导f l a s h 区的 程序继续运行，实现r w w 操作。通过将8 位r i s cc p u 与系统内可编程的f l a s h 集 成在一个芯片内，a t m e g a l 2 8 为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的方案。 它的芯片引脚图如图3 2 所示。 p e n r x d o ( p i ) i ) p e 0 0 x t y 岛 p d o ) p e l ( x c k a i n 0 jp e 2 ( o c 3 a a i n tjp e 3 ( o c 3 b i n t 4 ) p e 4 f o c 剥i n 丁5 ) p e 5 l t 3 , t n t 6 ) p e 6 i c p g n t 7 ) p e 7 g p b o ( s c k ) p b l f m o s i ) 盹2 m i s o ) p b 3 c o c 0 ) p b 4 f o c l a ) p b s c c lb p 髓 图3 2a t m e g a l 2 8 芯片引脚图 3 1 2 单片机2 控制系统 单片机2 的控制系统框图如下： p a 3e a p a 4 a 1 9 4 1 p a 5 a d 5 ) p a 6 ( a 1 3 6 ) p a 7 ( a d 7 ) p g 2 ( a i 王) p c 7 i a ls ) p l c 6 i a l4 ) p c 5 a 1 3 ， p c 4 l 1 a p