基于STM32实现多区域显示的LED点阵屏的设计

林秀明，秦德茂，秦秋息

(1.广西大学电气工程学院，广西　南宁　530004；2.广西交通科学研究院，广西　南宁　530007)



基于STM32实现多区域显示的LED点阵屏的设计

林秀明1，2，秦德茂2，秦秋息2

(1.广西大学电气工程学院，广西南宁530004；2.广西交通科学研究院，广西南宁530007)

林秀明(1983—)，工程师，在读硕士，主要从事交通行业电子产品的硬件开发工作；

秦德茂(1991—)，助理工程师，主要从事交通行业电子产品硬件电路设计工作；

秦秋息(1988—)，助理工程师，主要从事嵌入式系统移植及底层驱动程序设计工作。

摘要：文章介绍了基于STM32为主控芯片的LED点阵显示屏的硬件电路及系统工作原理，并提出了一种使用C语言数据结构体和链表的编程技术，实现显示屏多节目、多区域显示功能的程序设计方法。

关键词：STM32；LED点阵显示屏；C语言；多区域显示；设计

0引言

LED点阵显示屏作为一种新型节能的广告信息传播媒体，可播放动态的文字[1]和图像信息，具备了播放信息内容丰富、显示效果多样可变、运行稳定、耗电量低等优点，在日常生活中有着非常广泛的应用，然而针对不同的应用场合，用户对显示屏显示内容的要求也不同，除了单纯显示文字之外，可能还需要同时能够显示图片、时钟等信息。如设置在生产车间、项目施工现场等生产场所的LED显示屏，显示版面除了发布安全生产标语外，还可能需要发布生产倒计时、时钟图案、任务表格、气象等信息。每种信息内容、显示效果及在显示屏上的显示区域的位置、大小均可以进行自由设置，自动更新。因此，设计一款能够对屏幕进行多区域划分，排版灵活的LED点阵显示屏[2]具有非常现实的意义。

1LED点阵显示屏的系统组成及电路工作原理介绍

LED点阵显示屏[3]主要由电源供电系统、显示屏单元板和显示屏系统控制卡组成，如图1所示。

图1　LED点阵显示屏结构示意图

1.1　电源供电系统

供电系统主要负责给控制卡、显示屏体进行供电，控制卡及显示屏所需的供电电压为DC 5 V，因此系统通常采用5 V的直流开关电源进行供电，电源的数量及功率可根据显示屏的功率进行配置。

1.2　显示单元板电路原理

图1中，显示屏的屏体为若干数量的点阵显示单元板拼接组成，这种模块化的设计方式，可以灵活地对显示屏幕的大小进行配置，能够满足不同的安装使用环境，同时也大大简化了显示屏的生产、运输及现场安装、维护的难度。

显示屏单元板集成了LED灯阵列及其驱动电路，驱动电路主要由LED点阵行扫描驱动电路及列驱动电路组成，行驱动电路主要是场效应管控制的LED点阵行开关电路，列驱动电路为带数据输出锁存功能的串/并转换功能芯片，如74HC595、MBI5024等芯片构成的LED列驱动电路。其电路基本原理图如图2所示。

图2　LED点阵显示单元板基本原理图

图2中，DAT为串并转换驱动芯片的数据输入端，LED点阵列数据由此输入，S为芯片数据移位控制时钟输入，L为数据锁存时钟输入，OE为驱动芯片内部寄存器数据输出使能，控制LED点阵列数据从芯片内部的寄存器到并行数据管脚的输出，CSx(x为1~n，n一般≤16)为LED屏行选信号控制信号，通常为译码器的译码输出。电路工作原理分析如下：

控制卡将显示的数据流从DAT端输入，并控制S移位时钟使得数据流逐位向箭头方向移动，当最先送出的数据位移动到该行的串并转换驱动芯片数据末端时，控制卡在L端产生锁存信号将数据流锁存到串/并转换驱动芯片的内部寄存器中，最后通过控制使能信号OE，将数据流输出至芯片外接LED灯的管脚上。此时，控制卡控制对应的行选驱动信号CSx(x为1~n)输出低电平时，对应的行驱动场效应管导通，+5V电压输出到该行LED灯的正极上，则该行对应在驱动芯片端口上的数据为0的LED灯珠就会被点亮，为1的LED灯则被熄灭。同理，控制卡通过扫描改变行选信号CSx的状态及DAT数据内容，即可完成显示屏每一行上的LED灯的扫描点亮。根据人类视觉的暂留特性可知，当每一行点亮时间间隔<0.1 s时，在屏幕上就会看到一幅完整的显示图像。

1.3　显示屏系统控制卡的电路基本原理

系统控制卡为基于STM32微控制器进行设计的，其外围芯片扩展的电路属于典型SPI总线、FSMC总线扩展电路，较为常见但连接的线路信号也较多，鉴于篇幅有限，本文使用电路原理框图的方式来对系统控制卡的电路原理进行介绍，如图3所示。

图3　系统控制卡功能模块框图

图3中，STM32F207ZGT6是32位ARM CortexTM-M3内核的微控制器[3-4]，主要负责接收并存储上位机发送的节目数据并保存到片外Flash存储器中，同时控制显示单元板驱动电路，将显示缓存上的数据信息输出到屏幕上，完成节目的显示。另外，屏幕分区显示、显示特效等排版功能的实现也是通过对STM32F207 ZGT6进行软件编程，通过内部定时刷新显示缓存内容来完成的。

SST25VF032B为SPI接口的32Mbit Flash存储芯片[5]，用于对显示节目数据、显示屏IP地址等掉电需要保存的数据进行存储。IS61LV51216为8Mbit的高速SRAM芯片，通过MCU的FSMC总线进行连接，主要用于上位机数据的接收、显示屏显示缓存的划分、显示数据排版处理等软件运行所需的数据缓存。

上位机通过UDP协议[6-7]与LED点阵显示屏进行通讯[8]，实现显示屏配置参数、显示内容等数据信息的联网更新及远程控制功能[9]。通讯电路采用了NS公司的集成以太网控制芯片DP83848C设计，该芯片为10/100Mbit单路物理层以太网收发器件，支持MII和RMII的接口模式，具有体积小、功耗低、性能齐全的特点。

25M时钟晶振电路及复位电路主要给主控MCU提供时钟信号和上电复位信号，保证MCU的正常运行。电源供电电路为三端稳压芯片AMS1117-3.3 V给系统提供3.3 V电源。

2LED点阵显示屏系统控制卡软件设计

2.1　系统控制卡与上位机通信协议的设计

2.1.1LED屏节目数据结构的设计

本方案设计中，系统控制卡具备多节目、多个区域显示播放的功能，每个节目里可分别设置节目的播放时间，显示区域分区数目及各区域内的播放内容、播放页数、每个页面的播放特效等信息。因此，上位机向LED屏发送的节目数据中应包括：节目号、节目播放时间、节目区域总数、区域号、区域位置信息、区域显示页数、区域各页的显示特技、区域显示数据等信息。节目数据结构如图4所示。

图4　节目数据结构图

2.1.2通讯数据帧结构的定义

控制卡与上位机通信的过程中，主要有数据及命令类2类信息。数据类主要为显示屏的节目信息、字体字库数据等内容。命令类主要用于对显示屏进行参数的配置功能，如修改信息屏的IP地址、标识号、屏体像素大小、时间校时、亮度控制等命令。因此，数据帧结构定义如下：

数据帧头+信息屏标识+数据类型+数据帧总长度+数据内容+数据帧尾

控制卡接收到上位机发送来的数据时，可通过对数据帧头、信息屏标识、数据帧总长度及数据帧尾的判读，完成数据的接收并根据数据类型选择数据的处理方式。

2.2　软件设计

系统软件主要实现以下两大功能：

(1)对上位机发送数据的接收及处理程序

主控MCU的软件设计上采用嵌入式实时操作系统RT-Thread[10]，搭配LWIP网络微协议，实现数据稳定传输。采用LWIP的socket[11]编程，通过UDP协议接收来自上位机的数据，并根据协议定义完成数据的存储及处理。根据3.1.1节的数据结构，通过在程序设计中定义一个节目的结构体类型，用来存储每个节目信息。程序中采用动态分配内存的方式存储数据，可以适应不同个数的节目和区域节目单数据的接收和存储，满足多条节目单信息显示的同时也提高了内存使用效率。

以下是节目结构体结构及节目链表数据结构如图5所示。

图5中，*data_file_head：指向文件窗链表头指针；*data_ins_head：指向内码窗链表头指针；*Display_string：指向内码窗字符串首地址；*Display_Dataxbytes：指向文件窗数据首地址。

图5　节目链表数据结构示意图

节目显示数据的接收处理过程如图6所示，程序流程图见图7。

图6　数据接收处理过程

(2)LED屏显示扫描驱动程序

显示驱动程序主要工作流程为：在RT-Thread系统中分配一块RAM作为显示缓存区，显存上的每个数据位与LED屏的每个像素进行一一对应，根据1.2节

介绍的单元板电路工作原理可知，通过LED显示扫描输出线程，定时对显存上的数据进行扫描更新，并按单元板驱动电路逻辑要求输出到单元板中，完成显存信息输出。具体软件工作流程如图7所示。

图7　软件设计工作流程图

4结语

本设计方案已经在广西高速公路ETC车道LED点阵显示屏中得到实际应用，系统软件设计中采用数据结构体及数据链表的编程方法，实现了对动态数据进行快速存储与访问，可为相关的动态数据处理提供一种可借鉴的设计思路。

参考文献

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http：//html.alldatasheet.com/html-pdf/191699/SST/SST25VF032B/58/1/SST25VF032B.html，2006-10：1.

[6]王铁流，高嵩，袁海英.基于Cortex-M3内核处理器的嵌入式Web服务器设计[J].电子产品世界，2009，16(3)：41-43.

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[8]陈学泉，关宇东.嵌入式TCP/IP协议单片机技术在网络通信中的应用[J].电子技术应用，2002，28(8)：48-49.

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[10]李琦，李梅.基于RT-Thread的工业远程控制器设计[J].实验室研究与探索，2013，32(9)：61-64.

[11]刘骏，颜钢锋.基于Socket的网络编程技术及其实现[J].江南大学学报(自然科学版)，2004，3(3)：249-251.

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

文章编号：1673-4874(2015)05-0075-03

中图分类号：U412.36+6

文献标识码：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2015.05.021

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