基于STM32實現多區域顯示的LED點陣屏的設計

林秀明，秦德茂，秦秋息

(1.廣西大學電氣工程學院，廣西　南寧　530004；2.廣西交通科學研究院，廣西　南寧　530007)

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基于STM32實現多區域顯示的LED點陣屏的設計

林秀明1，2，秦德茂2，秦秋息2

(1.廣西大學電氣工程學院，廣西南寧530004；2.廣西交通科學研究院，廣西南寧530007)

林秀明(1983—)，工程師，在讀碩士，主要從事交通行業電子產品的硬件開發工作；

秦德茂(1991—)，助理工程師，主要從事交通行業電子產品硬件電路設計工作；

秦秋息(1988—)，助理工程師，主要從事嵌入式系統移植及底層驅動程序設計工作。

摘要：文章介紹了基于STM32為主控芯片的LED點陣顯示屏的硬件電路及系統工作原理，并提出了一種使用C語言數據結構體和鏈表的編程技術，實現顯示屏多節目、多區域顯示功能的程序設計方法。

關鍵詞：STM32；LED點陣顯示屏；C語言；多區域顯示；設計

0引言

LED點陣顯示屏作為一種新型節能的廣告信息傳播媒體，可播放動態的文字[1]和圖像信息，具備了播放信息內容豐富、顯示效果多樣可變、運行穩定、耗電量低等優點，在日常生活中有著非常廣泛的應用，然而針對不同的應用場合，用戶對顯示屏顯示內容的要求也不同，除了單純顯示文字之外，可能還需要同時能夠顯示圖片、時鐘等信息。如設置在生產車間、項目施工現場等生產場所的LED顯示屏，顯示版面除了發布安全生產標語外，還可能需要發布生產倒計時、時鐘圖案、任務表格、氣象等信息。每種信息內容、顯示效果及在顯示屏上的顯示區域的位置、大小均可以進行自由設置，自動更新。因此，設計一款能夠對屏幕進行多區域劃分，排版靈活的LED點陣顯示屏[2]具有非常現實的意義。

1LED點陣顯示屏的系統組成及電路工作原理介紹

LED點陣顯示屏[3]主要由電源供電系統、顯示屏單元板和顯示屏系統控制卡組成，如圖1所示。

圖1　LED點陣顯示屏結構示意圖

1.1　電源供電系統

供電系統主要負責給控制卡、顯示屏體進行供電，控制卡及顯示屏所需的供電電壓為DC 5 V，因此系統通常采用5 V的直流開關電源進行供電，電源的數量及功率可根據顯示屏的功率進行配置。

1.2　顯示單元板電路原理

圖1中，顯示屏的屏體為若干數量的點陣顯示單元板拼接組成，這種模塊化的設計方式，可以靈活地對顯示屏幕的大小進行配置，能夠滿足不同的安裝使用環境，同時也大大簡化了顯示屏的生產、運輸及現場安裝、維護的難度。

顯示屏單元板集成了LED燈陣列及其驅動電路，驅動電路主要由LED點陣行掃描驅動電路及列驅動電路組成，行驅動電路主要是場效應管控制的LED點陣行開關電路，列驅動電路為帶數據輸出鎖存功能的串/并轉換功能芯片，如74HC595、MBI5024等芯片構成的LED列驅動電路。其電路基本原理圖如圖2所示。

圖2　LED點陣顯示單元板基本原理圖

圖2中，DAT為串并轉換驅動芯片的數據輸入端，LED點陣列數據由此輸入，S為芯片數據移位控制時鐘輸入，L為數據鎖存時鐘輸入，OE為驅動芯片內部寄存器數據輸出使能，控制LED點陣列數據從芯片內部的寄存器到并行數據管腳的輸出，CSx(x為1~n，n一般≤16)為LED屏行選信號控制信號，通常為譯碼器的譯碼輸出。電路工作原理分析如下：

控制卡將顯示的數據流從DAT端輸入，并控制S移位時鐘使得數據流逐位向箭頭方向移動，當最先送出的數據位移動到該行的串并轉換驅動芯片數據末端時，控制卡在L端產生鎖存信號將數據流鎖存到串/并轉換驅動芯片的內部寄存器中，最后通過控制使能信號OE，將數據流輸出至芯片外接LED燈的管腳上。此時，控制卡控制對應的行選驅動信號CSx(x為1~n)輸出低電平時，對應的行驅動場效應管導通，+5V電壓輸出到該行LED燈的正極上，則該行對應在驅動芯片端口上的數據為0的LED燈珠就會被點亮，為1的LED燈則被熄滅。同理，控制卡通過掃描改變行選信號CSx的狀態及DAT數據內容，即可完成顯示屏每一行上的LED燈的掃描點亮。根據人類視覺的暫留特性可知，當每一行點亮時間間隔<0.1 s時，在屏幕上就會看到一幅完整的顯示圖像。

1.3　顯示屏系統控制卡的電路基本原理

系統控制卡為基于STM32微控制器進行設計的，其外圍芯片擴展的電路屬于典型SPI總線、FSMC總線擴展電路，較為常見但連接的線路信號也較多，鑒于篇幅有限，本文使用電路原理框圖的方式來對系統控制卡的電路原理進行介紹，如圖3所示。

圖3　系統控制卡功能模塊框圖

圖3中，STM32F207ZGT6是32位ARM CortexTM-M3內核的微控制器[3-4]，主要負責接收并存儲上位機發送的節目數據并保存到片外Flash存儲器中，同時控制顯示單元板驅動電路，將顯示緩存上的數據信息輸出到屏幕上，完成節目的顯示。另外，屏幕分區顯示、顯示特效等排版功能的實現也是通過對STM32F207 ZGT6進行軟件編程，通過內部定時刷新顯示緩存內容來完成的。

SST25VF032B為SPI接口的32Mbit Flash存儲芯片[5]，用于對顯示節目數據、顯示屏IP地址等掉電需要保存的數據進行存儲。IS61LV51216為8Mbit的高速SRAM芯片，通過MCU的FSMC總線進行連接，主要用于上位機數據的接收、顯示屏顯示緩存的劃分、顯示數據排版處理等軟件運行所需的數據緩存。

上位機通過UDP協議[6-7]與LED點陣顯示屏進行通訊[8]，實現顯示屏配置參數、顯示內容等數據信息的聯網更新及遠程控制功能[9]。通訊電路采用了NS公司的集成以太網控制芯片DP83848C設計，該芯片為10/100Mbit單路物理層以太網收發器件，支持MII和RMII的接口模式，具有體積小、功耗低、性能齊全的特點。

25M時鐘晶振電路及復位電路主要給主控MCU提供時鐘信號和上電復位信號，保證MCU的正常運行。電源供電電路為三端穩壓芯片AMS1117-3.3 V給系統提供3.3 V電源。

2LED點陣顯示屏系統控制卡軟件設計

2.1　系統控制卡與上位機通信協議的設計

2.1.1LED屏節目數據結構的設計

本方案設計中，系統控制卡具備多節目、多個區域顯示播放的功能，每個節目里可分別設置節目的播放時間，顯示區域分區數目及各區域內的播放內容、播放頁數、每個頁面的播放特效等信息。因此，上位機向LED屏發送的節目數據中應包括：節目號、節目播放時間、節目區域總數、區域號、區域位置信息、區域顯示頁數、區域各頁的顯示特技、區域顯示數據等信息。節目數據結構如圖4所示。

圖4　節目數據結構圖

2.1.2通訊數據幀結構的定義

控制卡與上位機通信的過程中，主要有數據及命令類2類信息。數據類主要為顯示屏的節目信息、字體字庫數據等內容。命令類主要用于對顯示屏進行參數的配置功能，如修改信息屏的IP地址、標識號、屏體像素大小、時間校時、亮度控制等命令。因此，數據幀結構定義如下：

數據幀頭+信息屏標識+數據類型+數據幀總長度+數據內容+數據幀尾

控制卡接收到上位機發送來的數據時，可通過對數據幀頭、信息屏標識、數據幀總長度及數據幀尾的判讀，完成數據的接收并根據數據類型選擇數據的處理方式。

2.2　軟件設計

系統軟件主要實現以下兩大功能：

(1)對上位機發送數據的接收及處理程序

主控MCU的軟件設計上采用嵌入式實時操作系統RT-Thread[10]，搭配LWIP網絡微協議，實現數據穩定傳輸。采用LWIP的socket[11]編程，通過UDP協議接收來自上位機的數據，并根據協議定義完成數據的存儲及處理。根據3.1.1節的數據結構，通過在程序設計中定義一個節目的結構體類型，用來存儲每個節目信息。程序中采用動態分配內存的方式存儲數據，可以適應不同個數的節目和區域節目單數據的接收和存儲，滿足多條節目單信息顯示的同時也提高了內存使用效率。

以下是節目結構體結構及節目鏈表數據結構如圖5所示。

圖5中，*data_file_head：指向文件窗鏈表頭指針；*data_ins_head：指向內碼窗鏈表頭指針；*Display_string：指向內碼窗字符串首地址；*Display_Dataxbytes：指向文件窗數據首地址。

圖5　節目鏈表數據結構示意圖

節目顯示數據的接收處理過程如圖6所示，程序流程圖見圖7。

圖6　數據接收處理過程

(2)LED屏顯示掃描驅動程序

顯示驅動程序主要工作流程為：在RT-Thread系統中分配一塊RAM作為顯示緩存區，顯存上的每個數據位與LED屏的每個像素進行一一對應，根據1.2節

介紹的單元板電路工作原理可知，通過LED顯示掃描輸出線程，定時對顯存上的數據進行掃描更新，并按單元板驅動電路邏輯要求輸出到單元板中，完成顯存信息輸出。具體軟件工作流程如圖7所示。

圖7　軟件設計工作流程圖

4結語

本設計方案已經在廣西高速公路ETC車道LED點陣顯示屏中得到實際應用，系統軟件設計中采用數據結構體及數據鏈表的編程方法，實現了對動態數據進行快速存儲與訪問，可為相關的動態數據處理提供一種可借鑒的設計思路。

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Design of LED Dot Matrix Screen Achieving Multi-zone Display Based on STM32

LIN Xiu-ming1，2，QIN De-mao2，QIN Qiu-xi2

(1.School of Electrical Engineering，Guangxi University，Nanning，Guangxi，530004； 2.Guangxi Transporta-tion Research Institute，Nanning，Guangxi，530007)

Abstract：This article introduced the hardware circuit and system work principles of LED dot matrix display based on STM32 as main controller chips，and proposed a programming design method which is a pro-gramming technology by using the C language data structures and list and can achieve multi-program display and multi-zone function display.

Keywords：STM32； LED dot matrix display； C language； Multi-zone display； Design

收稿日期：2015-04-06

文章編號：1673-4874(2015)05-0075-03

中圖分類號：U412.36+6

文獻標識碼：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2015.05.021

作者簡介