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基于Cortex-M3内核技术的公交LED路牌设计与应用

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2012.10《城市公接交通》ORBAN PUBLIC TR HT 基于Cortex-M3内核技术的公交LED路牌设计与应用 学海泛舟 一 饶百华 (上海凯伦电子技术有限公司 上海200063) 摘 要:公交车载LED路牌是给广大乘客提供公交车运营信息的车栽电子显示屏。电子路牌设计采用基于 Cortex—M3内核的LM3S1601为核心处理器,既便于营运单位管理维护,又能给乘客提供内容丰富、效果稳 定以及更富现代气息的信息显示。 关键词:车栽;LED;电子路牌;Cortex—M3;LM3S1601;处理器 中图分类号:U463.6 文献标志码:A ,I’he Design and Application of Bus LED Panel Based on Cortex-M3 Kernel Technology Shanghai CanRun Electron Tech Co.,Ltd.,Shanghai 200063 Rao Baihua Abstract:The bus LED panel,that is designed to provide the bus destination information for passengers,is a vehicle-mounted electronic display screen.LM3S1601,which is based on Cortex-M3 kernel,is designed as the processor of the electronic signs.It is convenient to manage and maintain by the operating unit,and it also can provide rich,modem and stable viewing effect information to display for passengers. Key words:vehicle-mounted;LED;electronic sings;Cortex-M3;LM3S1601;processor 随着电子技术和计算机控制技术在城市公交车 上日益广泛的应用,公交车载显示路牌也经历了从 1.1控制卡部分 灯光刻字路牌、模块翻板式电子路牌、 “8”字型发 控制卡部分是电子路牌的技术核心。基于 光二极管数字路牌以及现在的LED点阵式电子路牌 Cortex-M3内核处理器的高性价比特性,本设计选用 等几代发展型式;显示信息也从固定内容发展到任 了LM3S1601作为控制板的核心处理器,这样可以 意内容的多种显示方式。因此,具有显示内容丰富、 大大提高系统工作性能、集成度和抗干扰能力,还 样式多样、效果稳定且更富现代气息的新一代基于 能在一定程度上降低系统功耗;除了核心处理器, Cortex-M3内核的LED电子路牌便孕育而生。 控制卡部分还包括有通信电路、电源及复位电路、 数据存储电路等。 1路牌原理设计 1.2显示部分 如图1所示路牌原理框图,LED点阵路牌主要 显示部分包括显示驱动和LED点阵显示两大 包括控制卡、显示板和电源模块三大部分。 块:LED显示屏的数据传输方式主要有串行和并行 两种,目前普遍采用串行控制 技术,这样不同单元之间的级 联接1:3信号较少.可以减少显 示单元数据传输驱动元件,从 而提高整个系统的可靠性和性 价比:LED显示屏的刷新技术 有动态扫描和静态锁存两种方 图1 LED点阵路牌原理框图 式.一般对于显示效果和亮度 ・28・ URBAN附BLlc TPO,NSRORT《城市公共交道》2012.10 要求不高的情况下多采用动态扫描技术,即一行或 者几行发光二极管共用一路控制信号控制的驱动器, 根据共用一路控制信号驱动的行数进行的扫描方式 可分为1/4、1/8和1/16扫描等,动态扫描法可以 (4)保护功能:过电压保护(OVP)、过温度保 护(OTP)、过负载保护(OLP)、电源反接保护以及 短路保护等。 (5)选择符合所需参数的安规、电磁兼容 (EMC)以及电磁干扰(EMI)。 大大减少驱动芯片的数量和系统能耗,还可以降低 PCB Layout的难度和工作量。此种扫描方式可适用 于室内或者半室外显示屏;对于显示效果和亮度要 2硬件电路设计 求较高的情况可采用静态锁存技术,即每一个发光 二极管对应一个驱动寄存器,无需分时工作,每一 个发光二极管的亮度占空比为100%,从而保证了稳 定的显示效果和较高的亮度要求。 本文设计的路牌规格是16行256列,考虑到自 身项目的需求和较高的性价比因素,采用了1/8动 态扫描控制技术.选用MBI5026串入并出16位恒 2.1主控制器简介 TI公司的LM3S1601单片机基于32位ARM Cortex ̄-M3内核.Coaex-M3是一款低功耗处理器, 具有门数目少。中断延迟短,调试成本低的特点, 是为要求有快速中断响应能力的深度嵌入式应用而 设计的。该处理器采用ARMv7-M架构,其主要特 性如下: 流驱动器作为显示部分数据输出的列驱动控制芯片; 由于行的组成是一组LED(一般16到48个)并联 形成的,对行驱动的功率要求较高,因此选用双P 沟道增强型MOS管4953作为共阴极行驱动芯片。 点阵显示部分是由16 X 256个LED按照一定点 间距排列组成。LED(Light Emitting Diode)具有 (1)Thumb-2指令集架构(ISA)的子集,包含 所有基本的16位和32位Thumb-2指令。 (2)采用哈佛处理器架构,使用分离的指令和 数据总线(冯诺伊曼结构下,数据和指令共用一条 总线),在加载存储数据的同时能够执行指令取指, 处理速度明显加快。 高亮度、视觉远大、图像清晰、色彩鲜艳、稳定性 好、功耗低、光效高、寿命长、组态灵活等优点。 按显示颜色可分为单基色(红色、绿色等)、双基色 (红色、绿色)、三基色(红色、绿色、蓝色);按发 光点直径可分为 3.0mm、 3.75mm、 4.8mm、 (3)三级流水线,即取指(从存储器装载一条 指令)、译码(识别将要被执行的指令)、执行(处理 指令并将结果写回寄存器)同时执行。 ①5.0mm等。 (4)32位单周期乘法;硬件除法指令,SDIV和 UDIV(Thumb-2指令)。 (5)Thumb状态和调试状态。 1.3电源模块部分 电源模块是车载路牌的重要部件之一,在选用 电源模块时需要注意以下事项: (6)处理模式(handler mode)和线程模式 (thread mode)。 (1)由于车载供电电源为: DC12V(波动范围DC 8.--20V); DC24V(波动范围DC 1 8-36V): (7)自动保存和恢复处理器状态,可以实现低 延迟地进入和退出中断服务程序(ISR)。 (8)可中断一可继续(interruptible-continued) 因此要根据实际情况选用合适的电压输入规格 (输出电压在本设计中要求为5v)。 (2)选择合适的功率,为了使电源的寿命尽可 能长,可选用多输出20% 30%额定功率的模块。 (3)此外尚需考虑电源的工作环境温度,及有 无额外的辅助散热设备。过高的环温将降低电源模 块的输出效率。 ・的LDM/STM,PUSH/POP,实现低中断延迟。 (9)ARMv6类型BE8/LE支持,ARMv6非对 齐访问等。 此外,Codex-M3内核中集成了中断控制器,提 供基本的32个物理中断,具有8层优先级,最高可 达到240个物理中断和256个中断优先级。 本设计采用的LM3S1601具有128 KB的片内 29・ 2012.10《城市公凝交遢》URBAN PUBLIC T ̄NSPORT FLASH,32 KB片内SRAM,3个UART串口.2个 扰性能好、传输距离远等优点。RS--485收发器采用 SSI同步串行接El,2个I2C接lZl,高达23--60个可 平衡发送和差分接收,因此具有抑制共模干扰的能 编程配置GPIO,输入/输出可承受5V,工作频率最 力,加上收发器具有高的灵敏度,能检测到低达 高可达50MHz。系统采用6MHz的无源晶振.为了 200mv的电压,可靠通信的传输距离可达数千米。 保证晶振的谐振频率和输出幅度,在晶振的两个引 使用RS--485总线组网,只需一对双绞线就可实现多 脚上加入了两个1 8pF的负载电容。 系统联网构成分布式系统,设备简单、价格低廉、 2.2部分电路原理设计 通讯距离较长。 2.2.3数据存储电路 2.2.1控制卡稳压及复位电路 LED显示屏分为同步和异步两种控制显示方式。 如图2所示,本设计选用线性稳压器TPS77533 同步控制显示是指LED显示屏的显示内容能实时、 加E相关辅助电路作为控制部分的稳压电源和系统复位 同步地反映电脑显示器上显示内容:异步控制显示 源输出。该稳匿器 F具有快速瞬态响应500mA低电压 是指计算机将编辑好的内容,通过一定的通讯方式 调节输出以及200ms延时漏极开路上电复位功能。既 发送到显示屏的接收卡内,接收卡(带存储器)将 可以给控制卡提供稳定3.3V电压和最大500mA电流 内容保存后,再按计算机预先编辑好的顺序、显示 输出。还能够给核 理器提供匕电复位源。 方式、停留时间等参数进行播放。 车载LED路牌显示屏属于异步控制显示.因此 需要将通过Rs-485通讯接收到的内容存储在控制卡 上。根据处理器LM3S1601包含2个SSI同步串行 接口这一特性,再结合实际对于存储器的容量大小 的需要,如图4所示。本次设计选用了 SST25VFO16B这一款16Mbit SPI Serial Flash R9 VCC33 el0 -T.图2稳压及复位电路 ~ r~ 2.2.2通讯电路 墼!SSIP i l e群 vDD _lJ 公交车载多媒体电子设备一般采用支持多节点、  ̄2 l …SO。HO…LD# 7 百_————]SSIClk ———— 3 WP棒scl( 远距离、强抗干扰和接收高灵敏度的RS-485总线标 4 l Vss“ …S I 5 SSITx ..准数字通讯。 SST25VF0l6B Rl0 i00K 如图3所示。本设计选用MAX3485芯片作为 RS-485总线的收发驱动器。RS_485总线接口是一 图4数据存储电路 种常用的串行通讯接口,具有网络连接方便、抗干 SSI功能描述:SSI对从外设器件接收到的数据 执行串行到并行转换:CPU访问数据、控制和状态 信息;发送和接收路径利用内部FIFO存储单元进行 缓冲.FIFO是一个16位宽、8单元深、先进先出的 存储缓冲区,因此该FIFO可在发送和接收模式下独 立存储多达8个16位值;SSI可在发送FIFO服务、 接收FIFO服务、接收FIFO超时或者接收FIFO溢 出时产生中断。 图3通讯电路 单次传输模式下同步串行的帧格式。如图5所 ・30・ URBAN PUBUC TR^NsPo 《城市公共交遘》2012 10 据缓存到16位移位寄存器上,再通过LE数据闪控 ss  :} 几几 n n n厂 } l {  l; 输入端将数据锁存在16位锁存器中,最后输出能 使信号端OE将锁存器中的数据通过16位驱动器恒 流输出,以驱动一组LED显示。另外移位寄存器和 输出锁存器的控制是各自的,可以实现在本组 数据显示的同时,传送下一组数据。SDO为串行数 厂—弋 …~ . …… … .. 广 { : l  {{ l }  {{ — 萄 ]r————_宣——{卜中— 。 k—::= ^ ————4———_ { :::::— j : ; — 一 6健—f— 图5同步串行的帧格式(单次传输) 据输出端。用来连接至下一个驱动芯片的SDI端以 示在该模式中,任何时候当SSI空闲时,SSIClk和 SSIFss被强制为低电平,发送数据线SSITx为三态。 一达到级联输出显示的目的。本次设计的路牌为256 列,因此一行显示需要级联16个MBI5026驱动芯 片。 旦发送FIFO的底部人口包含数据。SSIFss就会变 为高电平并持续一个SSIClk周期。要发送的值也从 发送FIFO传输到发送逻辑的串行移位寄存器中。在 SSIClk的下一个上升沿,4—16位数据帧的MSB从 SSITx管脚移出。同样,接收到的数据的MSB也通 2.2.5显示板行驱动电路 采用1 动态扫描控制技术驱动16行LED路牌 显示,需要8个行驱动信号。每个行驱动信号用来 控制两个行驱动输出。设计选用的行驱动芯片是 APM4953 So--8 Package.有双P沟道MOSFET增 强模式输出,漏源极电压为-30V,漏源极电流为 一过片外串行从器件移到SSIRx管脚上。然后.SSI和 片外从器件在SSIClk的每一个下降沿时刻将数据位 逐个移入各自的串行移位器中。在锁存了LSB之后 4.9A。 的第一个SSIClk上升沿上,接收数据从串行移位器 传输到接收FIFO。 2.2.4显示板列驱动电路 图7为双P hannel MOSFET结构。MOSFET 的原意是:MOS(Metal Oxide Semiconductor金属 氧化物半导体),FET(Field Effect Transistor场效 应晶体管),既以金属层M的栅极隔着氧化层0利 用电场的效应来控制半导体S的场效应晶体管。它 的三个极分别是源极(S)、漏极(D)和栅极(G)。 功率MOSFET的种类按导电沟道可分为P沟道和N 沟道。 本路牌显示板部分设计选用MBI5026作为列驱 动控制芯片。该芯片具有16个恒流输出通道:恒流 输出值范围5-90mA,可通过一个外接电阻调节且不 受输出端负载电压影响;工作时钟频率高达25MHz。 图6为MBI5026的功能方块图,它是利用最新 硅半导体技术,专为LED显示面板设计的驱动IC。 MBI5026内建l6位CMOS移位寄存器、16位锁存 器和l6位输出驱动器,工作时可以通过时钟输入 端CLK信号将串行输入的SDI数据转换成并行的数 图7 DuaI P—ChanneI MOSFET 功率MOSFET工作原理: 截止:漏源极间加正电源,栅源极间电压差为 零。 图6功能方块图 导通:当栅源极间电压差大于PN结导通电压 时,漏源极间导通。 ・31・ 201 2.1 0《城市公手专突懑》uRB Pu 虬1 sPo雨 SSI接El初始化函数:SST25一Init(); 3 LED路牌软件设计与实现 通过SSI发送 节函数:SST25一SendByte(); 通过SSI获取— 函数:SST25一GetByte(); 3.1 系统工作流程图 初始化信息处理函数:InitMesScreen(); LED显示初始化函数:LedDisp_GPIO—INIT(); LED路牌主要功能的实现过程是:LED路牌控 显示信息处理函数:PickDataDisplay(); 制卡接收并存储来自车载多媒体主机(如普通报站 数据显示方式处理函数:Display_Mode(); 器、车载3G主机等)发出的显示数据或者控制命 数据输出送显函数:Display_Allout(); 令,按照指令要求向屏体显示板提供显示数据,并 产生各种控制信号,使屏幕按设计的要求显示。整 4 结论 个过程由显示数据的产生、传输、存储、读取、处 理以及送显这几个部分组成。整个软件设计是在 公交行业的智能化发展带动了车载显示路牌的 IAR Embedded Workbench环境下对LM3S1601处 不断更新换代。到目前为止,基于Coaex-M3内核 理器进行编程调试完成。路牌系统软件工作流程图 技术的公交LED点阵电子路牌在公交车上已经得到 如图8所示。 了广泛使用。实践证明。该产品在使用过程中具有 稳定的显示效果和较强的抗干扰能力。 参考文献: [1】Joseph Yiu著,宋岩译 ARM Cortex—M3权威指南.北京航空航天 大学出版社,2009 【2】 Luminary Micro.LM3S1601微控制 器数据手册,2007 [3] ANPEC Electronics Corporation. APM4953K Datasheet.2009 [4】 聚积科技.MBI5026 Datasheet,2006 图8系统软件工作流程 [5】 Texas Instruments Incorporated. TPS77533 Datasheet,2008 3.2主要函数设计 【6】Luminary Micro .Stellaris Peripheral Driver Library 系统时钟配置函数:SysCtlClockSet(); User S Guide,2008 片内外设使能函数:SysCtlPeripheralEnable(); [7】马忠梅,刘滨,戚军,马岩编著.单片机c语言 使能全局中断函数:IntMasterEnable(); Windows环境编程宝典.北京航空航天大学出版社, RS485通讯初始化函数:RS485一Init(); 2003 (上接27页) 光下行驶,并注意车内的通风散热情况;安置在公 (4)天然气泄漏时会有一股特殊的气味,有时 交车仪表盘旁的天然气高压截止阀不能当作调压阀 会发出“噬暾暾”的响声。电路着火初期总有一股 使用。因为频繁的旋转可能导致截止阀泄漏,酿成 烧焦的气味。因此在使用天然气公交车过程中,要 火险。同时还会造成需要关闭时关闭不严。 多闻和多听及早发现;夏天要尽量避免长时间在阳 ・32・ 

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