基于蓝牙技术的LED点阵屏设计方案
引言
本文设计的是一种内容更新便捷、可扩展、低价格的点阵 led文字显示屏。
降低成本的途径是：1、用几乎人人都有的手机的蓝牙数据传输功能进行led显示内容的更新，免去专业上位机软件和控制卡的成本，操作也更简单；2、单次显示内容在5至30个汉字或英文字母，因为显示内容较少，就可实现扩展电路的简单化。
1 系统设计方案
1.1 系统组成
系统由带蓝牙功能的智能手机和led显示屏组成。其中，led显示屏由单片机、led点阵模块、字库芯片、蓝牙接收模块、5v开关电源和3.3v稳压电路组成，如图1所示。系统工作过程是： 用户通过智能手机的记事本编辑“数据”，并经无线蓝牙发送到显示屏上的蓝牙接收模块。主控单片机读取蓝牙接收模块接收的“数据”并进行处理。“数据”由“控制命令”和“显示内容”构成，两部分数据用自定义特征符分隔开。“控制命令”用于对显示屏的亮度、显示内容移动速度和移动方向进行设置； 而单片机根据收到的“显示内容”的字符代码在字库芯片中找到相应的32字节显示代码送点阵屏显示。
图1 系统组成
1.2 led 点阵屏工作原理
led 点阵显示屏可按显示需要由若干块每块led 单元板拼接而成。通用led单元板由2位16×16点阵led构成，尺寸为160*320mm。
单元板的工作原理如下：
每板有16 行32列，数据的显示采用传统的行列式扫描方式。通常为了减小闪烁，提高扫描速度，采用1/4 扫描，即把16行分为4个4行，每次同时选通4个4行中的同序对应行，这样扫描4次即可完成16行的扫描显示。其中列控制由74hc595承担，每块单元板上有16片，每片分别控制4行8列的点阵小单元。行控制是由1片译码器74ls138承担，每次使单元板的4个4行的同序对应行选通。为了保证正常的电流驱动（ 亮度），74ls138 的输出经amp4593 驱动放大。每块单元板有4 片，每片分别驱动4 行。16 片74hc595 接成级联方式，由于每4 行32 列需4 片74hc595， 16 行32 列就是16 片。设第一个4 行的4片74hc595 序号为1、2、3、4，第二个4 行的4 片74hc595 序号为5、6、7、8，依次类推。每一片的数据输出端接到下一片的输入端，数据从第1 片的输入端串行输入，在移位脉冲的作用下一位一位依序移入，经过8×16 个脉冲，最先移入的数据位移到了第16 片的最低位（也是该片的输出端），所有数据都移入后，就可显示一板完整的内容，按此规律即可进行显示的软件设计。如果显示的字数多，拼接的 led 单元板就多，显示一屏完整内容所需的移位脉冲就多。这种显示方式要求主控单片机有较高的指令执行速度，否则就会有闪烁感。点阵单元板原理图如图2所示。
图2 点阵单元板原理图
2 系统主要模块的选择和电路设计
2.1 主控芯片
2.1.1 芯片选择
为了满足led 显示屏的显示及多板的扩展，要求系统主控单片机有较快的运行速度； 较大的存储空间用于存储显示数据，因此选用美国silicon公司的c8051f410。该芯片是一款高性能产品，ftqp-32 封装（9mm* 9mm） 大大减小了体积； 由于采用了精简指令结构，使得每个机器周期仅需一个时钟周期，运算速度快大大加快，如果使用片内24. 5mhz 的内部时钟，其运行速度大约是普通8051 单片机工作在12mhz 时钟时的24 倍； 芯片内部资源丰富，自带看门狗，通过jtag 接口连接调试器，可方便硬件在线调试； 芯片内含uart、spi、i2c等通信接口，方便与外围芯片连接； 4个定时器/计数器使编程更方便； 自带的16k/32kflash，可存储大约1k个汉字。
2.1.2 最小系统电路设计
系统对单片机时钟的精度和温度稳定度都没有特别要求，可以直接使用c8051f410单片机内部自带的时钟振荡器，而无需外接振荡器。使用时要注意的是，是芯片工作电源是从vregin引脚引入（+ 3. 3v） ，vdd是内部基准电压输出引脚，vio 是i /o口作为数字引脚时的电源输入引脚。电路设计时必需在紧靠这3 个引脚的位置布上滤波和退耦电容（4. 7μ 和104p） .p1. 0~ p1. 3 是显示屏的控制线clk、sclk、r 和oe; p1. 7、p0. 0 ~ p0. 2是字库芯片控制线，采用spi 接口； p2. 0和p2. 1是显示屏的行扫控制线a 和b; p0. 4和p0. 5是串口通信线，与蓝牙模块连接。这12根引脚都需配置为数字引脚。最小系统电路如图3所示。
图3 c8051f410 单片机最小系统
2.2 蓝牙模块
2.2.1 模块选择
选用蓝牙模块的要求是： 价格便宜、体积小，使用方便。符合条件的蓝牙模块产品很多。设计选用的是南京国春电气生产的gc-02 蓝牙模块，这是款高质量的class2蓝牙模块。此蓝牙模块内部带有对象交换协议（opp）文件接收功能，只要上电后，就可被手机蓝牙识别，并可成功配对建立连接，接收手机蓝牙传输的文件。
gc-02 蓝牙模块共有29个引脚，可通过spi 接口或uart接口与单片机通信。本系统单片机选择uart方式与gc-02进行通信。蓝牙模块处于待机模式时，已配对过的手机向蓝牙模块发送文件，未配对的手机需先进行配对，输入正确的pin 码（即配对密码）即可配对。此蓝牙模块的出场厂pin 码是“1234”，其pin 码可通过向蓝牙模块发送指令进行修改。
2.2.2 电路设计
单片机通过引脚p0.4和p0. 5与蓝牙模块gc-2的串口（12 脚和13脚）进行通信，蓝牙模块的其他功能未用。单片机与蓝牙模块的连接如图4所示。
图4 单片机与蓝牙模块的连接图。
2.3 字库芯片
2.3.1 芯片选择
由于使用中显示的内容需要经常更换，采用文字“取模”获得显示数据的方法显然行不通，在显示电路中存储字库或采用字库芯片是个可行的办法。设计采用字库芯片，选择gt21l16s2w 标准汉字字库芯片。
gt21l16s2w 是一款内含11×12点阵和15×16点阵的汉字库芯片，支持gb2312国标简体汉字（含有国家信标委合法授权） 、ascii 字符及gb2312与unicode编码互转表。排列格式为横置横排。根据字符点阵在芯片中的地址，就可从该地址连续读出字符点阵信息。
以15x16点阵汉字为例，汉字信息需要32个字节（byte0-byte31） 来表示，点阵的数据是横置横排的，其具体排列结构如图5。每个汉字在芯片中是以汉字点阵字模的形式存储的，每个点用一个二进制位表示，存1 的点，当显示时可以在屏幕上显示亮点，存0 的点，则在屏幕上不显示。点阵排列格式为横置横排： 即一个字节的高位表示左面的点，低位表示右面的点，排满一行的点后再排下一行。这样把点阵信息用来直接在显示器上按上述规则显示，则将出现对应的汉字。15x16 点阵汉字存储在00000h~3b7bfh 的芯片地址范围中，只要知道汉字的内码，就可计算出汉字显示数据的首地址。
图5 汉字点阵排列格式
2.3.2 接口电路
字库芯片gt21l16s2w的各引脚功能如下： 1、2、5、6脚是spi接口，其中：1（cs#） 为片选输入，2（so） 为串行数据输出，5（si） 为串行数据输入，6（sclk） 为串行时钟。
7脚（hold #） 为总线挂起，该信号可用于在片选信号有效期间暂停数据传输。单片机通过引脚p0.0~p0.2 以及p1.7 与字库芯片进行通信，读取显示数据。hold#引脚悬空，vcc 工作电源为3.3 v。单片机与字库芯片的连接如图6 所示。
图6 单片机与字库芯片的连接图。
2.4 led 点阵屏与单片机的连接
点阵屏选择的是市场上应用最为广泛的p10单红户外单元板。该模块具有高稳定性，高亮度，颜色均匀等特点，进行的扫描方式是1 /4 扫，控制方法简便，有利于优化软件设计，采用点阵单元可以根据需要进行拼凑，灵活性强。led点阵屏与单片机的连接如图7 所示。其中，oe（p1. 3） 为使能信号，连接74hc138，用于亮度控制，也可用于显示屏消隐。只要调整它的占空比就可以控制亮度的变化。abcd 为行扫描信号，a 是最低位，如果abcd信号全用上，控制扫描的最大范围是16 行，1 /4 扫描中只要ab（p2. 0 和p2. 1） 信号就可以了。当行控制信号出现异常时，将会出现显示错位、高亮或图像重叠等现象。
clk（p1.0）为移位脉冲，每一个脉冲将数据移入或移出一位。当时钟信号有异常时，会使整板显示杂乱无章。stb（p1.1） 是锁存信号，将移位寄存器内的数据锁存并将其数据内容通过驱动电路点亮led显示出来。ri（p1.2） 是显示数据的输入端。
2.5 电源模块
电源模块由5v大功率电源和+3.3v小功率稳压电路组成。前者是给led屏提供电源，后者是把5v电压稳压成3.3v后提供给单片机、蓝牙模块和字库模块工作，这里选用asm1117-3.3 芯片。市售通用的led板输入额定功率约为190w/ m2，每块单元板面积是160*320 mm2 ，最大工作电流约为2 a（5v工作电压时功耗是10w） ，可根据所要求的led 显示屏的面积选择开关电源的功率。常用的开关电源，配合双mos管输出以及加强型散热器和滤波电容线圈，可保障纯净充足的电流输出。
2.6 系统总体电路
本系统以单片机c8051f410作为mcu，外围电路包括蓝牙模块、字库芯片、led点阵屏和电源模块，系统电路原理如图8所示。
图8 系统原理图。
3 系统软件设计
单片机的初始化包括：1、时钟初始化，选择片内24.5mhz 内部时钟。2、引脚配置： 配置p0.0~p0.2为spi接口（3 线） ，与字库芯片通信； 配置p0.4和p0.5为串口，与蓝牙模块实现通讯； 配置p1.0~p1. 3、p2.0 和p2.1为数字i /o，实现对显示屏的控制。3、中断、定时器/计数器和flash 相关寄存器初始化。系统软件流程如图9 所示。
图9 系统软件流程
初始化后系统将主动读取flash 指定地址范围内的数据，并将数据（unicode 字符集） 转换得到与unicode数据对应的gb2312字符集代码在字库芯片的地址码，然后将该地址码送给字库芯片提取该地址所对应的gb2312字符集，再将gb2312字符集代码通过字库芯片转化提取相对应的16*16点阵代码，通过spi口将代码送给单片机，进而单片机将点阵代码送给点阵屏并控制点阵屏将数据显示出来。
正常工作状态下，当手机蓝牙与系统蓝牙模块发生配对时，手机只有输入正确的pin 码后，才可成功配对，配对成功后，若手机采用记事本软件通过蓝牙发送数据，蓝牙模块将接收数据并通过串口发送出去，这时单片机接收数据，如果识别到有效数据的开始位为标志位“#”，那么系统将认为该命令是控制命令，即控制led 显示的亮度、速度、移动方向。控制命令的格式自主定义。例如“#35 左”，意思为：“#”为控制标志位，“3”控制亮度（控制范围为0-9，数值越大亮度越高） ，“5”控制速度（控制范围0-9，数字越大速度越慢） ，“左”为方向控制位（左为移动方向向左移，右代表向右移，上表示向上移，下为向下移） 。如果有效数据的开始位不为“#”，那么将默认此次数据为led要显示的新内容，系统将把数据按顺序存入指定的flash 地址范围内，待复位后新数据将显示于屏幕上。特别要指出的是，为了保证显示屏工作的可靠性，要在显示循环程序中得合适位置设置好“喂狗”参数。
4 结束语
系统实现了通过手机更新显示屏显示内容的目的，方便又快捷。经过一些用户的使用，其显示性能和控制性能均较为稳定。但是，在实际使用过程中也遇到了尚未解决的问题，主要有两大方面：一是有部分手机不支持unicode字符集格式；二是本设计仅限于智能机通过记事本编辑显示数据的传送，而不同手机采用的记事本编辑软件不尽兼容，本设计是基于nokia手机软件设计的。
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scsi硬盘接口图
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降低成本的途径是：1、用几乎人人都有的手机的蓝牙数据传输功能进行led显示内容的更新，免去专业上位机软件和控制卡的成本，操作也更简单；2、单次显示内容在5至30个汉字或英文字母，因为显示内容较少，就可实现扩展电路的简单化。
1 系统设计方案
1.1 系统组成
系统由带蓝牙功能的智能手机和led显示屏组成。其中，led显示屏由单片机、led点阵模块、字库芯片、蓝牙接收模块、5v开关电源和3.3v稳压电路组成，如图1所示。系统工作过程是： 用户通过智能手机的记事本编辑“数据”，并经无线蓝牙发送到显示屏上的蓝牙接收模块。主控单片机读取蓝牙接收模块接收的“数据”并进行处理。“数据”由“控制命令”和“显示内容”构成，两部分数据用自定义特征符分隔开。“控制命令”用于对显示屏的亮度、显示内容移动速度和移动方向进行设置； 而单片机根据收到的“显示内容”的字符代码在字库芯片中找到相应的32字节显示代码送点阵屏显示。
图1 系统组成
1.2 led 点阵屏工作原理
led 点阵显示屏可按显示需要由若干块每块led 单元板拼接而成。通用led单元板由2位16×16点阵led构成，尺寸为160*320mm。
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每板有16 行32列，数据的显示采用传统的行列式扫描方式。通常为了减小闪烁，提高扫描速度，采用1/4 扫描，即把16行分为4个4行，每次同时选通4个4行中的同序对应行，这样扫描4次即可完成16行的扫描显示。其中列控制由74hc595承担，每块单元板上有16片，每片分别控制4行8列的点阵小单元。行控制是由1片译码器74ls138承担，每次使单元板的4个4行的同序对应行选通。为了保证正常的电流驱动（ 亮度），74ls138 的输出经amp4593 驱动放大。每块单元板有4 片，每片分别驱动4 行。16 片74hc595 接成级联方式，由于每4 行32 列需4 片74hc595， 16 行32 列就是16 片。设第一个4 行的4片74hc595 序号为1、2、3、4，第二个4 行的4 片74hc595 序号为5、6、7、8，依次类推。每一片的数据输出端接到下一片的输入端，数据从第1 片的输入端串行输入，在移位脉冲的作用下一位一位依序移入，经过8×16 个脉冲，最先移入的数据位移到了第16 片的最低位（也是该片的输出端），所有数据都移入后，就可显示一板完整的内容，按此规律即可进行显示的软件设计。如果显示的字数多，拼接的 led 单元板就多，显示一屏完整内容所需的移位脉冲就多。这种显示方式要求主控单片机有较高的指令执行速度，否则就会有闪烁感。点阵单元板原理图如图2所示。
图2 点阵单元板原理图
2 系统主要模块的选择和电路设计
2.1 主控芯片
2.1.1 芯片选择
为了满足led 显示屏的显示及多板的扩展，要求系统主控单片机有较快的运行速度； 较大的存储空间用于存储显示数据，因此选用美国silicon公司的c8051f410。该芯片是一款高性能产品，ftqp-32 封装（9mm* 9mm） 大大减小了体积； 由于采用了精简指令结构，使得每个机器周期仅需一个时钟周期，运算速度快大大加快，如果使用片内24. 5mhz 的内部时钟，其运行速度大约是普通8051 单片机工作在12mhz 时钟时的24 倍； 芯片内部资源丰富，自带看门狗，通过jtag 接口连接调试器，可方便硬件在线调试； 芯片内含uart、spi、i2c等通信接口，方便与外围芯片连接； 4个定时器/计数器使编程更方便； 自带的16k/32kflash，可存储大约1k个汉字。
2.1.2 最小系统电路设计
系统对单片机时钟的精度和温度稳定度都没有特别要求，可以直接使用c8051f410单片机内部自带的时钟振荡器，而无需外接振荡器。使用时要注意的是，是芯片工作电源是从vregin引脚引入（+ 3. 3v） ，vdd是内部基准电压输出引脚，vio 是i /o口作为数字引脚时的电源输入引脚。电路设计时必需在紧靠这3 个引脚的位置布上滤波和退耦电容（4. 7μ 和104p） .p1. 0~ p1. 3 是显示屏的控制线clk、sclk、r 和oe; p1. 7、p0. 0 ~ p0. 2是字库芯片控制线，采用spi 接口； p2. 0和p2. 1是显示屏的行扫控制线a 和b; p0. 4和p0. 5是串口通信线，与蓝牙模块连接。这12根引脚都需配置为数字引脚。最小系统电路如图3所示。
图3 c8051f410 单片机最小系统
2.2 蓝牙模块
2.2.1 模块选择
选用蓝牙模块的要求是： 价格便宜、体积小，使用方便。符合条件的蓝牙模块产品很多。设计选用的是南京国春电气生产的gc-02 蓝牙模块，这是款高质量的class2蓝牙模块。此蓝牙模块内部带有对象交换协议（opp）文件接收功能，只要上电后，就可被手机蓝牙识别，并可成功配对建立连接，接收手机蓝牙传输的文件。
gc-02 蓝牙模块共有29个引脚，可通过spi 接口或uart接口与单片机通信。本系统单片机选择uart方式与gc-02进行通信。蓝牙模块处于待机模式时，已配对过的手机向蓝牙模块发送文件，未配对的手机需先进行配对，输入正确的pin 码（即配对密码）即可配对。此蓝牙模块的出场厂pin 码是“1234”，其pin 码可通过向蓝牙模块发送指令进行修改。
2.2.2 电路设计
单片机通过引脚p0.4和p0. 5与蓝牙模块gc-2的串口（12 脚和13脚）进行通信，蓝牙模块的其他功能未用。单片机与蓝牙模块的连接如图4所示。
图4 单片机与蓝牙模块的连接图。
2.3 字库芯片
2.3.1 芯片选择
由于使用中显示的内容需要经常更换，采用文字“取模”获得显示数据的方法显然行不通，在显示电路中存储字库或采用字库芯片是个可行的办法。设计采用字库芯片，选择gt21l16s2w 标准汉字字库芯片。
gt21l16s2w 是一款内含11×12点阵和15×16点阵的汉字库芯片，支持gb2312国标简体汉字（含有国家信标委合法授权） 、ascii 字符及gb2312与unicode编码互转表。排列格式为横置横排。根据字符点阵在芯片中的地址，就可从该地址连续读出字符点阵信息。
以15x16点阵汉字为例，汉字信息需要32个字节（byte0-byte31） 来表示，点阵的数据是横置横排的，其具体排列结构如图5。每个汉字在芯片中是以汉字点阵字模的形式存储的，每个点用一个二进制位表示，存1 的点，当显示时可以在屏幕上显示亮点，存0 的点，则在屏幕上不显示。点阵排列格式为横置横排： 即一个字节的高位表示左面的点，低位表示右面的点，排满一行的点后再排下一行。这样把点阵信息用来直接在显示器上按上述规则显示，则将出现对应的汉字。15x16 点阵汉字存储在00000h~3b7bfh 的芯片地址范围中，只要知道汉字的内码，就可计算出汉字显示数据的首地址。
图5 汉字点阵排列格式
2.3.2 接口电路
字库芯片gt21l16s2w的各引脚功能如下： 1、2、5、6脚是spi接口，其中：1（cs#） 为片选输入，2（so） 为串行数据输出，5（si） 为串行数据输入，6（sclk） 为串行时钟。
7脚（hold #） 为总线挂起，该信号可用于在片选信号有效期间暂停数据传输。单片机通过引脚p0.0~p0.2 以及p1.7 与字库芯片进行通信，读取显示数据。hold#引脚悬空，vcc 工作电源为3.3 v。单片机与字库芯片的连接如图6 所示。
图6 单片机与字库芯片的连接图。
2.4 led 点阵屏与单片机的连接
点阵屏选择的是市场上应用最为广泛的p10单红户外单元板。该模块具有高稳定性，高亮度，颜色均匀等特点，进行的扫描方式是1 /4 扫，控制方法简便，有利于优化软件设计，采用点阵单元可以根据需要进行拼凑，灵活性强。led点阵屏与单片机的连接如图7 所示。其中，oe（p1. 3） 为使能信号，连接74hc138，用于亮度控制，也可用于显示屏消隐。只要调整它的占空比就可以控制亮度的变化。abcd 为行扫描信号，a 是最低位，如果abcd信号全用上，控制扫描的最大范围是16 行，1 /4 扫描中只要ab（p2. 0 和p2. 1） 信号就可以了。当行控制信号出现异常时，将会出现显示错位、高亮或图像重叠等现象。
clk（p1.0）为移位脉冲，每一个脉冲将数据移入或移出一位。当时钟信号有异常时，会使整板显示杂乱无章。stb（p1.1） 是锁存信号，将移位寄存器内的数据锁存并将其数据内容通过驱动电路点亮led显示出来。ri（p1.2） 是显示数据的输入端。
2.5 电源模块
电源模块由5v大功率电源和+3.3v小功率稳压电路组成。前者是给led屏提供电源，后者是把5v电压稳压成3.3v后提供给单片机、蓝牙模块和字库模块工作，这里选用asm1117-3.3 芯片。市售通用的led板输入额定功率约为190w/ m2，每块单元板面积是160*320 mm2 ，最大工作电流约为2 a（5v工作电压时功耗是10w） ，可根据所要求的led 显示屏的面积选择开关电源的功率。常用的开关电源，配合双mos管输出以及加强型散热器和滤波电容线圈，可保障纯净充足的电流输出。
2.6 系统总体电路
本系统以单片机c8051f410作为mcu，外围电路包括蓝牙模块、字库芯片、led点阵屏和电源模块，系统电路原理如图8所示。
图8 系统原理图。
3 系统软件设计
单片机的初始化包括：1、时钟初始化，选择片内24.5mhz 内部时钟。2、引脚配置： 配置p0.0~p0.2为spi接口（3 线） ，与字库芯片通信； 配置p0.4和p0.5为串口，与蓝牙模块实现通讯； 配置p1.0~p1. 3、p2.0 和p2.1为数字i /o，实现对显示屏的控制。3、中断、定时器/计数器和flash 相关寄存器初始化。系统软件流程如图9 所示。
图9 系统软件流程
初始化后系统将主动读取flash 指定地址范围内的数据，并将数据（unicode 字符集） 转换得到与unicode数据对应的gb2312字符集代码在字库芯片的地址码，然后将该地址码送给字库芯片提取该地址所对应的gb2312字符集，再将gb2312字符集代码通过字库芯片转化提取相对应的16*16点阵代码，通过spi口将代码送给单片机，进而单片机将点阵代码送给点阵屏并控制点阵屏将数据显示出来。
正常工作状态下，当手机蓝牙与系统蓝牙模块发生配对时，手机只有输入正确的pin 码后，才可成功配对，配对成功后，若手机采用记事本软件通过蓝牙发送数据，蓝牙模块将接收数据并通过串口发送出去，这时单片机接收数据，如果识别到有效数据的开始位为标志位“#”，那么系统将认为该命令是控制命令，即控制led 显示的亮度、速度、移动方向。控制命令的格式自主定义。例如“#35 左”，意思为：“#”为控制标志位，“3”控制亮度（控制范围为0-9，数值越大亮度越高） ，“5”控制速度（控制范围0-9，数字越大速度越慢） ，“左”为方向控制位（左为移动方向向左移，右代表向右移，上表示向上移，下为向下移） 。如果有效数据的开始位不为“#”，那么将默认此次数据为led要显示的新内容，系统将把数据按顺序存入指定的flash 地址范围内，待复位后新数据将显示于屏幕上。特别要指出的是，为了保证显示屏工作的可靠性，要在显示循环程序中得合适位置设置好“喂狗”参数。
4 结束语
系统实现了通过手机更新显示屏显示内容的目的，方便又快捷。经过一些用户的使用，其显示性能和控制性能均较为稳定。但是，在实际使用过程中也遇到了尚未解决的问题，主要有两大方面：一是有部分手机不支持unicode字符集格式；二是本设计仅限于智能机通过记事本编辑显示数据的传送，而不同手机采用的记事本编辑软件不尽兼容，本设计是基于nokia手机软件设计的。
EvoBus锂离子电池系统制造技术由德国Akasol提供
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