基于雙CPU的三色LED實時交通信息顯示系統(tǒng)設計
關鍵詞：智能交通系統(tǒng)，LED點陣，漢字字模，雙口RAM，雙CPU
0引言
隨著城市化建設和交通事業(yè)的飛速發(fā)展，在智能交通系統(tǒng)（ITS）的研究和發(fā)展中，交通誘導信息系統(tǒng)是解決交通擁擠、保證交通安全、提高交通網(wǎng)絡使用效率的主要手段。交通信息的發(fā)布是整個誘導系統(tǒng)中發(fā)揮直接效應的重要組成部分，利用它實時發(fā)布交通指令、道路狀況等信息來提高道路的通行能力。LED點陣顯示屏以其色彩鮮艷、亮度高、壽命長、工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點成為交通信息發(fā)布的重要途徑。單基色（紅色或綠色）LED顯示屏往往不能滿足信息分類和視角上的差別，而交通信息主要面向車輛駕駛者，由于車輛在可視距離內(nèi)停留的時間很短，因此應避免用復雜的多灰度圖形和動畫內(nèi)容，以免干擾行駛者。而在以二基色實現(xiàn)紅、黃、綠三種顏色的顯示屏系統(tǒng)中，紅、黃、綠是交通領域內(nèi)的通用顏色，分別代表禁止、警告、和同意性標語，既可以達到顏色變化的效果，給人視覺上的差別，又與交管部門的信號裝置顏色相吻合。采用雙CPU和雙口RAM制作大型三色圖文顯示系統(tǒng)，將數(shù)據(jù)處理和傳輸分別由兩個獨立的CPU來完成，不僅提高了系統(tǒng)的處理速度和穩(wěn)定性，軟件設計也相對簡單。
1系統(tǒng)總體設計方案
顯示屏的內(nèi)容是動態(tài)刷新的，CPU要進行大量的數(shù)據(jù)處理和傳輸。根據(jù)人的視覺特性，頻率應大于50HZ，在實際設計時，為了達到比較好的效果，頻率一般大于60HZ。對于大型的圖文顯示屏來說，基于單處理器和普通存儲器的系統(tǒng)在硬件和軟件設計上都遇到叫大困難，顯示內(nèi)容易出現(xiàn)閃爍。采用雙CPU結(jié)構和雙口RAM使處理數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)同時進行，提高掃描速度，顯示內(nèi)容相當穩(wěn)定?？傮w結(jié)構如圖1。
1. 1系統(tǒng)雙CPU控制原理
兩片CPU均采用AT89C51，帶4KROM，對本系統(tǒng)來說空間已足夠。CPU1負責與指揮中心PC機進行通信和緩存區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)的處理與編排，CPU2負責行掃描信號的產(chǎn)生和顯示數(shù)據(jù)的輸出。采用非易失性的存儲芯片28C64存儲顯示內(nèi)容，可存放8K字節(jié)的漢字、ASCII或圖形。IDT7132是COMS靜態(tài)雙口RAM，存儲容量為2K x8 bit。它有兩套完全獨立的數(shù)據(jù)線、地址線和讀寫控制線，并有一套競爭仲裁電路，因而可以使用兩個CPU分地獨立的訪問內(nèi)部資源。
圖1 系統(tǒng)原理框圖
將IDT7132的2K字節(jié)存儲空間分為2個顯示緩存E1區(qū)和E2區(qū)，分別占1K字節(jié)的空間。CPU1通過P1.1和P1.2與CPU2（P3.2，P3.3）進行協(xié)調(diào)，對緩存區(qū)E1和E2交替使用。CPU1處理E1區(qū)的數(shù)據(jù)時，CPU2將E2區(qū)的數(shù)據(jù)輸出顯示。當CPU2輸出完E2區(qū)的數(shù)據(jù)后，轉(zhuǎn)向?qū)1區(qū)的數(shù)據(jù)輸出，并通知CPU1對E2區(qū)的數(shù)據(jù)進行處理，開始下一輪的循環(huán)。由于兩片CPU訪問的是ITD7132的兩塊不同的區(qū)域，避免了對同一單元同時進行訪問，不存在仲裁的問題，因此兩片CPU可同時獨立工作，分別完成數(shù)據(jù)的處理和傳輸，減輕了CPU2處理大量數(shù)據(jù)的壓力，大大提高運行速度，顯示內(nèi)容相當穩(wěn)定。
CPU1在處理數(shù)據(jù)的同時，通過RS232接口隨時監(jiān)測指揮中心發(fā)來的命令和數(shù)據(jù)。如顯示屏開/關、顏色、運行方式、移動速度、交通信息內(nèi)容等。CPU1接受完數(shù)據(jù)并處理好緩存區(qū)的數(shù)據(jù)后通知CPU2開始輸出顯示新的內(nèi)容并按新的運行控制字運行。
1.2顏色的產(chǎn)生和控制
顯示模塊采用8X8點陣的雙基色模塊，有16個引角驅(qū)動紅色的燈管和16個引角驅(qū)動綠色燈管，其組合的顏色可以達到明黃的效果。行掃描信號用兩片74LS154 4-16譯碼器完成，通過CPU2的P3.4，P3.5控制，分別產(chǎn)生16行紅色和16行綠色掃描信號，高電平有效。若P3.4=1，P3.5=1，即同時為高電平，則同時產(chǎn)生紅色和綠色掃描信號，顯示屏的顏色表現(xiàn)為黃色，從而實現(xiàn)三色。在交通領域中，紅色代表禁止性標語，黃色代表警告性標語，而綠色代表同意性標語，與交通部門在實際應用中的信號顏色保持一致。根據(jù)顯示內(nèi)容的需要，通過應用程序編排，可以同時實現(xiàn)三種顏色的文字和圖行的顯示，如圖2。
1.3通用顯示單元的驅(qū)動
驅(qū)動電路設計的好壞直接影響到系統(tǒng)的生產(chǎn)成本和顯示的效果及系統(tǒng)的運行性能。采用16塊雙級基色8x8點陣模塊構成16x64點陣的通用顯示單元。分兩行，每行8塊。行掃描信號用兩片74LS154 4-16譯碼器完成，列數(shù)據(jù)的輸出采用并行移位鎖存的傳輸方式?？梢赃x用74LS273這樣一類鎖存芯片，采用首尾相連的方式。這種方式雖然對印刷線路扳的質(zhì)量要求高，密度大，增加了布線的難度，但目前的制板技術和采用SMD貼片元件，完全可以克服。且這一設計方案優(yōu)點是傳輸速度快,控制方便，系統(tǒng)的整體投入成本比較低，大大地提高系統(tǒng)的性價比。P3.1與寫信號（/WR）經(jīng)過或非門后產(chǎn)生鎖存信號，同時鎖存列數(shù)據(jù)。行、列信號的驅(qū)動分別采用PNP型的BD682和NPN型的BD681達林頓管，其特點是增益高，開關速度快，設計電路簡單。
整個顯示屏根據(jù)尺寸大小，可以象“搭積木”一樣進行拼接，以保證系統(tǒng)安裝方便。
2 通信傳輸和網(wǎng)絡控制
在誘導系統(tǒng)中，交通信息的發(fā)布和顯示要有一定的實時性，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)的傳輸。網(wǎng)絡結(jié)構如圖3。
圖3 系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構框圖
用標準的RS232通信方式實現(xiàn)指揮中心與顯示系統(tǒng)信息的傳輸，對于距離較遠的可通過電話線用MODEM或光纖通訊。指揮中心通過接受采集的交通信息和調(diào)度指令，對不同位置的顯示子系統(tǒng)進行集中控制和管理。每個信息顯示子系統(tǒng)分配不同的端口號（地址），分別實時檢測和接受指揮中心發(fā)來的不同路段的交通信息和圖文數(shù)據(jù)。PC機應用軟件利用VB6.0的ActiveX控件MSCcomm能方便的開發(fā)使用計算機的串口，可簡單高效的實現(xiàn)設備之間的通信。其使用方法目前有很多書籍均有介紹，這里不多加論述。
3 系統(tǒng)軟件設計
3.1單片機顯示控制的軟件設計
LED 點陣顯示屏可實現(xiàn)動態(tài)、靜態(tài)圖文顯示。動態(tài)中有打字、左移、右移、上移、下移、開簾、關簾等多種方式?？筛鶕?jù)顯示屏的尺寸規(guī)格和內(nèi)容選擇不同的顏色、顯示方式和移動速度。通過標準RS232接口，計算機將編輯好的文字或圖形數(shù)據(jù)下載到主控器，并存儲在非易失性存儲器中，然后就可以脫機運行。整個軟件程序采用C51編程，由于采用了雙CPU的結(jié)構，使得處理數(shù)據(jù)和傳輸數(shù)據(jù)分別由兩片CPU來完成，避免了處理大量數(shù)據(jù)的復雜性，編程實現(xiàn)相對比較簡單。
3.2應用軟件點陣數(shù)據(jù)的提取
本文設計的顯示屏可以實現(xiàn)漢字、全角字符和ASCII碼混合顯示，編輯文本簡單靈活。選用UCDOS的ASC16和HZK16文件做字模庫。HZK16文件是16x16字模點陣，占32個字節(jié)，而ASC16文件的字符為16x8點陣，占16個字節(jié)，針對這種情況，本文提出了一種新的字模處理方法，把漢字拆成兩半，形成左右結(jié)構，當作兩個字符，這樣就和ASCII碼的字模統(tǒng)一起來了，使處理漢字和字符都一樣。對于特殊符號，可以直接通過程序界面輸入點陣數(shù)據(jù)。圖形的點陣數(shù)據(jù)的提取，可以先做一個BMP文件，然后用取模軟件獲得。根據(jù)GB2312—80標準，若知道漢字或字符的內(nèi)碼，假設為A1A2B1B2H，則可根據(jù)如下公式計算區(qū)位碼。若為漢字則
區(qū)碼=（A1A2-A1H） AND 7FH
位碼=（B1B2H=A1H） AND 7FH
若為全角字符則
區(qū)碼=（A1A2-21H） AND 7FH
位碼=（B1B2H=21H） AND 7FH
點陣起始位置=（區(qū)碼*94+位碼）x點陣字節(jié)數(shù)
ASC16文件所有字符按照ASCII值從小到大升序排列。計算字符首地址的公式：
字符點陣首地址=字符的ASCII碼值×16+1
根據(jù)起始地址連續(xù)取32或16個字節(jié)數(shù)據(jù)即可獲得字模。限于篇幅，程序省略。
4 結(jié)束語
基于該設計方法的顯示屏，掃描速度快，實際運行結(jié)果也相當穩(wěn)定。三種顏色的實現(xiàn)保持了與交通部門采用信號顏色的一致性。用戶根據(jù)定制的顯示屏的尺寸，在硬件上只需對通用顯示單元的拼接，在軟件上則可進行靈活地編輯圖文內(nèi)容，顏色和運行方式。
參考文獻
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