利用ARM LPC1112設計LED電子胸牌

韓春賢，劉興杰，韓艷君，王闊

（1.天津冶金學院 電子信息工程系，天津 300130；2.北京品佳電子有限公司；3.保定市蠡縣氣象局）

引 言

隨著LED技術的空前繁榮，LED胸牌備受關注。LED胸牌也叫LED工作牌[2]，是一款新穎的LED貼片點陣“名片”式顯示屏，可以顯示姓名、性別、工作部門等信息，還可以顯示不同速度、不同動作方式的文本及預置圖型。它可以吊掛在脖子上或者夾在衣服上，作為公共場所個人及企業(yè)身份的證明及宣傳之用。LED胸牌既可以顯示中文，也可以顯示英文。對于那些需要顯示的信息量不是很大，分辨率不是很高，制造成本較低的場合，使用小屏幕LED點陣顯示器比較適用。電源大多采用鋰電池，鋰電池具有使用壽命長、能量較高、重量輕和高低溫適應能力強的優(yōu)點。

目前，大多數LED胸牌的點陣顯示系統(tǒng)自帶字庫，顯示效果主要靠硬件掃描來驅動，該方法比較簡單，但是顯示只能按照預先的硬件設計進行，不能隨意改動，因此顯示方式單一，顯示內容不能隨意更改，體積較大不適合隨身攜帶。[3]除此之外，也可使用8位單片機作為核心控制芯片，實現字符、數字、漢字和簡單圖形的顯示。但是由于8位單片機的功耗較大，體積較大，而且運算速度和通信速率都較低，實際顯示效果會有比較明顯的閃爍感。為了克服以上缺點，本文設計的電子胸牌采用低功耗、小體積、高性能、低價格的基于Cortex－M0內核的LPC1112作為主控芯片，12×36的LED點陣屏能夠實現8種動態(tài)顯示，通過按鍵切換顯示方式能夠開機自檢，并且可通過USB接口方便地更新顯示數據。

1 電子胸牌設計要求

針對市場的實際需要，從使用角度出發(fā)，本文設計的電子胸牌是小型的LED顯示屏，輕巧美觀，可以掛在胸前，能夠顯示漢字或者字符。

1.1 功能描述

電子胸牌掛于胸前主要用于顯示姓名以及其他提示信息，例如：

① 顯示功能：能顯示3個漢字或者5個字符，并且包括左移、右移、上移、下移、中分、雪花、固定、動畫8種顯示方式，具有跑馬燈以及閃爍功能。

② 上位機能夠通過USB口，更新下位機顯示數據，更新完成后正常顯示。

③ 兩個按鍵分別實現4級亮度的調整和顯示條目的切換。

④ 具有開機自檢功能，開機可進行全屏顯示，檢測LED點陣有無壞點。

1.2 運行環(huán)境說明

工作環(huán)境要求為環(huán)境溫度在5～40℃；相對濕度≤80%；大氣壓強為86～106kPa。

存儲環(huán)境要求為環(huán)境溫度在－20～55℃；相對濕度≤93%；大氣壓強為50～106kPa。

2 電子胸卡的工作原理

電子胸卡主要包括硬件電路設計和軟件設計。硬件電路部分包括LPC1112主控芯片、LED點陣顯示電路、顯示驅動電路、USB接口電路和SWD調試電路等。軟件部分主要包括主控界面更新內容顯示、控制動態(tài)顯示效果的代碼編寫。通過按鍵，選擇顯示信息的動態(tài)效果（如上下移動、左右移動、中分、雪花等不同的顯示效果），以及改變移動速度或閃爍。其通過USB接口傳輸文件信息。

3 電子胸牌設計方案

2010年初，恩智浦（NXP）公司推出了基于ARM 32位Cortex－M0內核的 LPC1100MCU系列芯片[4]，其中LPC1112性能卓越、簡單易用、功耗低，它以8位處理器的價位實現了32位處理器的性能[5]。該系統(tǒng)的主控芯片采用基于Cortex－M0內核的NXP公司的LPC1112芯片，外設包括LED點陣顯示屏、電源電路（可由電池供電）、鍵盤、UART接口以及USB接口等。硬件電路框圖如圖1所示。

圖1 胸牌整體設計電路框圖

3.1 核心控制芯片

本系統(tǒng)采用的主控制芯片LPC1112具有33個引腳，工作頻率高達50MHz，工作電壓3.3V，具備3種節(jié)能方式[6]。

由于LPC1112芯片擁有極低功耗的特性，可通過鋰電池進行供電，能夠持續(xù)工作8～10小時，而且體積很小（7mm×7mm×0.85mm），非常適用于胸牌的應用。使用起來簡單、便捷，可以通過USB接口對鋰電池進行充電，還能夠對電子胸牌中的顯示內容和方式進行更新。

3.2 電源供電系統(tǒng)[7]

LPC1112芯片工作電壓為3.3V，所以需要設計的電源電路輸出為3.3V。為了最大限度地降低成本，可以采用1N4148[8]降壓。1N4148是一種小型的高速開關二極管，開關比較迅速。電源電路圖如圖2所示。a點電壓為5V，1N4148壓降為0.7V，則b點的理想電壓為4.3V，實際電壓稍小于4.3V，此電壓為74HC595供電。

圖2 電源電路

74HC595是8位串行輸入、并行輸出移位寄存器，可把串行數據轉化為并行數據，輸出到LED點陣屏。74HC595有一個級聯(lián)輸出端Q7，可連至下一片74HC595的數據輸入端，這樣就可以很方便地實現多片74HC595的芯片級聯(lián)，極大地節(jié)省了LPC1112的I／O引腳資源。LPC1112僅需要時鐘、數據、鎖存和片選4個I／O引腳即可實現通信。

電源電路再經過一個1N4148降壓0.7V，c點理想電壓為3.6V[9]，實際測試電壓稍小于3.6V，輸出為LPC1112供電。本系統(tǒng)工作時采用鋰電池供電，同時還可充電，充電時通過USB接口即可實現。

3.3 USB串口轉換電路

筆記本電腦因為空間的限制和其他原因都沒有串口，這為某些需要串口通信功能的人們帶來了苦惱。為解決此問題，本文采用PL2303HX芯片[10]，為客戶解決無串口的問題。PL2303HX是Prolific公司生產的一種高度集成的RS232－USB接口轉換器，可提供一個RS232全雙工異步串行通信裝置與USB功能接口便利連接的解決方案。

PL2303HX采用28引腳貼片SOIC封裝，工作頻率為12MHz，符合USB1.1通信協(xié)議，可以直接將USB信號轉換成串口信號，波特率范圍很寬，支持5、6、7、8、16共5種數據位。

當胸牌需要更新顯示內容時，可通過miniUSB接口電纜線連到電腦的USB接口，安裝驅動程序后，會在電腦上出現一個虛擬串口，上位機軟件可以通過這個串口實現數據下載。PL2303HX將USB數據轉化為串口數據，連至LPC1114的UART接口進行數據交互。USB－串口轉換電路如圖3所示。

3.4 12×36LED點陣顯示電路

圖3 PL2303HX USB－串口轉換電路

LED點陣顯示電路由12×36個LED組成的點陣屏和行列驅動電路構成。由于LED數量較多，點亮整個LED屏需要很大的功率，需要驅動電路對LED各行各列驅動顯示[11]。為實現低功耗，行列均用74HC595芯片來驅動[12]，并通過LPC1112來控制行列的選通。圖4是顯示驅動電路。74HC595是一款漏極開路輸出的CMOS移位寄存器，輸出端口是可控的三態(tài)輸出端。電路中74HC595供電電壓為4.2V，Q0～Q7為三態(tài)輸出，Q7′為串行輸出，Ds為串口輸入。從74HC595A的Q7′引腳輸出信號到74HC595B的Ds引腳。

不論顯示字符還是漢字，都是通過控制相應的二極管的通斷來實現顯示功能的[12]。在顯示效果部分，采用逐行掃描的方式實現固定顯示效果。動態(tài)顯示方式是利用對顯示屏的不同掃面方式來實現的，如上下移動、左右移動、閃爍等。利用掃描方式和讀取點陣數據順序的不同來實現不同的顯示效果。

圖4 顯示驅動電路

3.5 SWD調試接口

SWD調試方式與傳統(tǒng)的調試方式相比，具有以下優(yōu)勢：一是SWD模式比JTAG在高速模式下更可靠，在大數據的情況下JTAG下載程序會失敗，但SWD發(fā)生的幾率會小很多；二是SWD模式占用的GPIO引腳少；三是SWD模式電路體積小[13]。

SWD調試的硬件接口只需要5個引腳：VDD（電源）、SWDIO（數據）、SWCLK（時鐘）、RESET（復位）和GND（地）。

3.6 軟件設計功能模塊

軟件功能模塊介紹如下：

LED顯示模塊：提供LED顯示、控制、操作的基本功能，為界面顯示模塊提供服務。

按鍵處理模塊：通過對按鍵的識別判斷，用于界面顯示的控制。

圖5 主程序流程圖

IAP讀寫Flash模塊：提供讀、寫、擦除MCU內部Flash的基本操作。74HC595A驅動模塊：提供對74HC595A數據的寫入，以及對LED矩陣的掃描方式。

USB數據更新模塊：與上位機軟件進行交互，配合IAP讀寫Flash數據，將需要更新的數據存儲到MCU的內部Flash中。

主程序流程圖如圖5所示。

4 結果分析

圖6 LED胸牌顯示漢字

圖6是LED胸牌顯示的漢字。通過整機調試，LED顯示運行可靠、穩(wěn)定。顯示狀態(tài)包括左移、右移、上移、下移、中分、雪花、固定、動畫8種顯示方式，具有跑馬燈以及閃爍功能。

同時其還具有開機自檢功能，已檢測LED點陣無壞點。

[1] 戴峻峰.嵌入式系統(tǒng)大屏幕LED點陣顯示器[J].現代電子技術，2004（19）：68－69.

[2] 楊敏，甘俊英.基于單片機的無線點陣LED顯示系統(tǒng)設計[J].船舶電子工程，2008（6）：162－163.

[3] ARM.Cortex－M0Technical Reference Manual，2009.

[4] 李寧.基于MDK的LPC1100處理器開發(fā)應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2010.

[5] 張同光.嵌入式系統(tǒng)實用教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[6] NXP.LPC111xPreliminary user manual，2010.

[7] Jacob Ziv，Fellow，IEEE，et al.A Universal Algorithm for Sequential Data Compression[J].IEEE Transactions On Information Theory，1977，23（3）.

[8] Alessandro Vinciarelli.A Survey on Off－line Cursive Word Recognition[J].Pattern Recognition，2002（35）：1433－1446.

[9] 朱云芳，靳桅，鄔芝權.LED條形顯示屏直通連接的數據組織方式[J].液晶與顯示，2011，26（6）：795－800.

[10] NXP.LPC1100Datesheet，Electronic innovation network，2010.

[11] 劉芳宇.基于ARM嵌入式系統(tǒng)的設計及其應用[J].計算機光盤軟件與應用，2012（9）：173－174.

[12] 肖淑琴.LED點陣電子顯示屏制作[J].科技經濟市場，2011（5）：122－123.

[13] Qu Wei，Ye Hongan，Zheng Huimin.Based on the Mealy state machine moire fringe detection system[J].深圳大學學報理工版，2011（1）：370－372.

[14] Qu Wei，Ye Hongan，Zheng Huimin.Based on the Mealy state machine moire fringe detection system[J].深圳大學學報理工版，2011（1）：370－372.

[15] Cheng Taobo，Liu Guixiong，Zhou Songbin.Based on the embedded system agricultural short message switching control device[J].Science and Engineering，2007（4）：3404－3407.