浅谈地铁列车内部LED显示屏的基本设计原理

讨论显示屏的基本设计原理；显示屏作为地铁中面向公众的一种信息，具有非常广泛的民用和商业价值。目前，中国大多数地铁车厢都配备了室内LED显示屏，但附加功能和单一显示内容很少。为了配合新型地铁乘客信息系统的使用，我们设计了新型地铁LED动态显示屏。该显示器不仅具有多种外部通信总线接口，而且在内部控制电路的设计中还采用了单总线和I2C总线器件。

在地铁上，有两种：一种放在车厢外侧，用于显示行车间隔、行车方向和当前到达站的名称。还可以根据操作需要显示其他服务信息；文本显示可以是静态、滚动、平移、瀑布、动画等效果，最多可显示16×16个点阵字符12个。另一个是终端内的LED显示屏，它放置在车内。终端内的LED显示屏可根据列车运行要求预设终端，实时显示当前终端和车内当前温度。显示的最大字符数为8个16×16点阵字符。

屏幕由单片机控制单元和显示单元两部分组成，单个显示单元16×16可以显示四个汉字，如果在生产一定尺寸的LED图形显示系统时，配备多个智能显示单元，则采用“积木”的方法，可以在系统中实现显示单元之间采用串行通信链路。控制单元不仅负责控制显示单元和传输上位机的指令和信号，还嵌入一个单总线数字温度传感器18B20。由于控制电路的模块设计，如果还需要湿度测量，18B20可以升级为由DS2438Dallas公司和HIH23610HoneywELl公司组成的模块电路。为了满足车辆的通信需求，CAN总线用于主机与车辆中每个控制单元之间的通信。

显示单元由两部分组成，LED显示面板和显示电路，LED显示单元板由4块点阵模块16*64点阵通用智能显示单元组成，单个显示单元全屏可显示4个16*16点阵字符或符号，系统的显示单元之间采用串行通信链路，从而使整个系统的工作协调统一。显示电路由两个16针接线端口、两个74H245三态总线驱动器、一个74HC04D六相逆变器、两个7.4H138八解码器和八个74HC595移位锁存器组成。控制电路的核心是WINBOND高速微控制器77E58，晶体频率为256K ROM，用于存储16×16格汉字库和16×8格ASCII码表。AT24C020是基于I2C串行总线的EP2ROM，存储地铁站名、问候语等预设语句。车内温度由单总线数字温度传感器18B20测量。SJA1000和TJA1040分别是CAN总线控制器和收发器。

整个系统以WinBond动态微控制器77E58为核心，77E58采用重新设计的微处理器核心，其指令与51系列兼容，但由于时钟周期只有4个周期，在相同的时钟频率下，其运行速度一般比传统的8051高2~3倍。因此，它解决了单片机动态显示大容量汉字时对频率的要求。此外，它还拥有自己的看门狗。77E58通过闩锁74LS373控制闪存AT29C020，大小为256K。由于内存容量大于64K，设计中采用分页寻址的方法，即选择闪存的页面，该页面分为4页，每页的寻址大小为64K。此外，它还用于选择AT29C020件，并确保在16针布线接口上重复使用AT29C02时不会出现误操作。CAN控制器是通信的关键部分。为了提高抗干扰能力，在CAN控制器SJA1000和CAN收发器TJA1040之间增加了6N137高速光耦。18B20是一个单总线设备，仅占用一个I/O端口与单片机接口，可以直接将温度转换为数字信号，并以9位码的方式输出串行。18B20的芯片选择和数据传输功能在控制电路中完成。AT24C020的时钟线SCL和双向数据线SDA连接到单片机，指针的布线接口是控制电路和显示电路的接口部分。

显示电路部件通过16针接线端口（1）连接到控制电路部件的16针接线接口。16针接线端口（1）将微控制器的指令和数据传输至LED显示电路。16针接线端口（2）用于级联多个显示屏。然而，请注意，图2中R端从左到右连接到第8台74H595的DS端，级联时将连接到下一台显示器的16针导线（1）端口（图1）。CLK是时钟信号端，STR是行闩锁端，R是数据端，G（GND）和LOE是行灯启用端，A、B、C和D是行选择端。每个端口的具体功能如下：A、B、C和D是行选择端，用于控制从上位机到显示面板上指定行的数据的具体发送；R是数据端，它接受SCM发送的数据。LED显示单元的工作顺序如下：CLK时钟信号端在R端接收数据，控制电路人工给出脉冲上升沿，STR在一行数据（16×4）64数据全部传输后给出脉冲上升缘以锁定数据；MCU将LOE设置为1以点亮线路。电路示意图如图3所示。

地铁车辆根据实际情况对室内LED显示屏有不同的要求，所以我们在电路设计中充分考虑了这一点，即在保证主要功能和结构不变的情况下，特定模块可以互换。这种结构使得LED控制电路具有良好的扩展性和易用性。

在南方炎热多雨的地区，湿度也是旅行者关注的一个重要指标，尽管车内有恒温空调。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具有相同的插座接口，并且是单总线结构，由口控制，因此交换非常方便。HIH3610是一种三端集成湿度传感器，电压输出由HoneywELl公司产生。DS2438是一个具有单总线通信接口的10位A/D转换器。该芯片包含一个高分辨率数字温度传感器，可用于湿度传感器的温度补偿。

485总线作为一种成熟廉价的总线，在工业领域和交通领域具有不可替代的地位。因此，我们设计了485总线扩展模块，它可以代替原来的CAN模块进行外部通信。该模块采用MAXIM的光电隔离MXL1535E作为485收发器。为了确保控制的兼容性，通过芯片选择选择MXL1535E和SJA1000。此外，变压器在RS2485侧和控制器或控制逻辑侧之间提供2500MS电气隔离。模块的输出部分增加了一个TVS二极管电路，以减少线路浪涌干扰，并且可以使用跳线来确定是否加载总线的终端电阻。

系统软件由上位机管理软件和机组控制器控制软件组成。上位机管理软件是在Windows2000操作平台上用C++开发的，包括显示模式选择（包括静态、闪烁、滚动、键入等）、滚动方向选择（包括上下滚动和左右滚动）、动态显示速度调整（即文本闪烁频率、滚动速度、键入显示速度等），显示内容输入和显示预览。

系统运行时，系统不仅可以根据预设显示报站、广告等字符，还可以手动输入所需的显示字符。机组控制器控制软件采用8051 KEILC编程，并固定在77E58单片机的EEPROM中。主要完成上下位机通讯、温湿度数据采集、I/O接口控制等功能，实际运行中温度测量精度达到±℃，湿度测量精度达到？%RH。

结论：本文从硬件原理设计、逻辑结构、组成框图等方面介绍了地铁室内LED显示屏的设计思想。通过现场总线接口模块和温湿度模块接口的设计，室内LED显示屏能够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，室内LED显示屏已安装在国内地铁新乘客信息系统中，效果良好。实践表明，该显示屏能很好地完成汉字和图形的静态显示和动态显示，具有亮度高、无闪烁、逻辑控制简单等特点，完全满足地铁车辆LED显示屏的显示要求。