利用ARM LPC1112设计LED电子胸牌

摘要：目前大多数电子胸牌显示方式单一，显示内容不能随意更改，功耗和成本较高，体积较大，不适合随身携带。为了克服以上缺点，本文设计的电子胸牌采用ARM Cortex—M0内棱的LPC1112主控芯片，能够实现8种动态显示方式，通过按键切换显示方式可实现开机自检，并且可通过USB接口方便地更新显示数据。
关键词：LPC1112微控制器；电子胸牌；LED点阵；动态显示

引言
    随着LED技术的空前繁荣，LED胸牌备受关注。LED胸牌也叫LED工作牌，是一款新颖的LED贴片点阵“名片”式显示屏，可以显示姓名、性别、工作部门等信息，还可以显示不同速度、不同动作方式的文本及预置图型。它可以吊挂在脖子上或者夹在衣服上，作为公共场所个人及企业身份的证明及宣传之用。LED胸牌既可以显示中文，也可以显示英文。对于那些需要显示的信息量不是很大，分辨率不是很高，制造成本较低的场合，使用小屏幕LED点阵显示器比较适用。电源大多采用锂电池，锂电池具有使用寿命长、能量较高、重量轻和高低温适应能力强的优点。
    目前，大多数LED胸牌的点阵显示系统自带字库，显示效果主要靠硬件扫描来驱动，该方法比较简单，但是显示只能按照预先的硬件设计进行，不能随意改动，因此显示方式单一，显示内容不能随意更改，体积较大不适合随身携带。除此之外，也可使用8位单片机作为核心控制芯片，实现字符、数字、汉字和简单图形的显示。但是由于8位单片机的功耗较大，体积较大，而且运算速度和通信速率都较低，实际显示效果会有比较明显的闪烁感。为了克服以上缺点，本文设计的电子胸牌采用低功耗、小体积、高性能、低价格的基于Cortex—M0内核的LPC1112作为主控芯片，12×36的LED点阵屏能够实现8种动态显示，通过按键切换显示方式能够开机自检，并且可通过USB接口方便地更新显示数据。

1 电子胸牌设计要求
    针对市场的实际需要，从使用角度出发，本文设计的电子胸牌是小型的LED显示屏轻巧美观，可以挂在胸前，能够显示汉字或者字符。
1．1 功能描述
    电子胸牌挂于胸前主要用于显示姓名以及其他提示信息，例如：
    ①显示功能：能显示3个汉字或者5个字符，并且包括左移、右移、上移、下移、中分、雪花、固定、动画8种显示方式，具有跑马灯以及闪烁功能。
    ②上位机能够通过USB口，更新下位机显示数据，更新完成后正常显示。
    ③两个按键分别实现4级亮度的调整和显示条目的切换。
    ④具有开机自检功能，开机可进行全屏显示，检测LED点阵有无坏点。
1．2 运行环境说明
    工作环境要求为环境温度在5～40℃；相对湿度≤80％；大气压强为86～106 kPa。
    存储环境要求为环境温度在-20～55℃；相对湿度≤93％；大气压强为50～106 kPa。

2 电子胸卡的工作原理
    电子胸卡主要包括硬件电路设计和软件设计。硬件电路部分包括LPC1112主控芯片、LED点阵显示电路、显示驱动电路、USB接口电路和SWD调试电路等。软件部分主要包括主控界面更新内容显示、控制动态显示效果的代码编写。通过按键，选择显示信息的动态效果(如上下移动、左右移动、中分、雪花等不同的显示效果)，以及改变移动速度或闪烁。其通过USB接口传输文件信息。

3 电子胸牌设计方案
    2010年初，恩智浦(NXP)公司推出了基于ARM 32位Cortex—M0内核的LPC1100 MCU系列芯片，其中LPC1112性能卓越、简单易用、功耗低，它以8位处理器的价位实现了32位处理器的性能。该系统的主控芯片采用基于Cortex—M0内核的NXP公司的LPC1112芯片，外设包括LED点阵显示屏、电源电路(可由电池供电)、键盘、UART接口以及USB接口等。硬件电路框图如图1所示。

3．1 核心控制芯片
    本系统采用的主控制芯片LPC1112具有33个引脚，工作频率高达50 MHz，工作电压3．3 V，具备3种节能方式。
    由于LPC1112芯片拥有极低功耗的特性，可通过锂电池进行供电，能够持续工作8～10小时，而且体积很小(7 mm×7 mm×0．85 mm)，非常适用于胸牌的应用。使用起来简单、便捷，可以通过USB接口对锂电池进行充电，还能够对电子胸牌中的显示内容和方式进行更新。
3．2 电源供电系统
    LPC1112芯片工作电压为3．3 V，所以需要设计的电源电路输出为3．3 V。为了最大限度地降低成本，可以采用1N4148降压。1N4148是一种小型的高速开关二极管，开关比较迅速。电源电路图如图2所示。a点电压为5 V，1N4148压降为0．7 V，则b点的理想电压为4．3 V，实际电压稍小于4．3 V，此电压为74HC595供电。

    74HC595是8位串行输入、并行输出移位寄存器，可把串行数据转化为并行数据，输出到LED点阵屏。74HC595有一个级联输出端Q7，可连至下一片74HC595的数据输入端，这样就可以很方便地实现多片74HC595的芯片级联，极大地节省了LPC1112的I／O引脚资源。LPC1112仅需要时钟、数据、镁存和片选4个I／O引脚即可实现通信。
    电源电路再经过一个1N4148降压0．7 V，c点理想电压为3．6V，实际测试电压稍小于3．6 V，输出为LPC1112供电。本系统工作时采用锂电池供电，同时还可充电，充电时通过USB接口即可实现。
3．3 USB串口转换电路
    笔记本电脑因为空间的限制和其他原因都没有串口，这为某些需要串口通信功能的人们带来了苦恼。为解决此问题，本文采用PL2303HX芯片，为客户解决无串口的问题。PL2303HX是Prolific公司生产的一种高度集成的RS232-USB接口转换器，可提供一个RS232全双工异步串行通信装置与USB功能接口便利连接的解决方案。
    PL2303HX采用28引脚贴片SOIC封装，工作频率为12 MHz，符合USB1．1通信协议，可以直接将USB信号转换成串口信号，波特率范围很宽，支持5、6、7、8、16共5种数据位。
    当胸牌需要更新显示内容时，可通过miniUSB接口电缆线连到电脑的USB接口，安装驱动程序后，会在电脑上出现一个虚拟串口，上位机软件可以通过这个串口实现数据下载。PL2303HX将USB数据转化为串口数据，连至LPC1114的UART接口进行数据交互。USB一串口转换电路如图3所示。

3．4 12×36 LED点阵显示电路
    LED点阵显示电路由12×36个LED组成的点阵屏和行列驱动电路构成。由于LED数量较多，点亮整个LED屏需要很大的功率，需要驱动电路对LED各行各列驱动显示。为实现低功耗，行列均用74HC595芯片来驱动，并通过LPC1112来控制行列的选通。图4是显示驱动电路。74HC595是一款漏极开路输出的CMOS移位寄存器，输出端口是可控的三态输出端。电路中74HC595供电电压为4．2 V，Q0～Q7为三态输出，Q7’为串行输出，Ds为串口输入。从74HC595A的Q7’引脚输出信号到74HC595B的Ds引脚。

    不论显示字符还是汉字，都是通过控制相应的二极管的通断来实现显示功能的。在显示效果部分，采用逐行扫描的方式实现固定显示效果。动态显示方式是利用对显示屏的不同扫面方式来实现的，如上下移动、左右移动、闪烁等。利用扫描方式和读取点阵数据顺序的不同来实现不同的显示效果。
3．5 SWD调试接口
    SWD调试方式与传统的调试方式相比，具有以下优势：一是SWD模式比JTAG在高速模式下更可靠，在大数据的情况下JTAG下载程序会失败，但SWD发生的几率会小很多；二是SWD模式占用的GPIO引脚少；三是SWD模式电路体积小。
    SWD调试的硬件接口只需要5个引脚：VDD(电源)、SWDIO(数据)、SWCLK(时钟)、RESET(复位)和GND(地)。
3．6 软件设计功能模块
    软件功能模块介绍如下：
    LED显示模块：提供LED显示、控制、操作的基本功能，为界面显示模块提供服务。
    按键处理模块：通过对按键的识别判断，用于界面显示的控制。
    IAP读写Flash模块：提供读、写、擦除MCU内部Flash的基本操作。
    74HC595A驱动模块：提供对74HC595A数据的写入，以及对LED矩阵的扫描方式。
    USB数据更新模块：与上位机软件进行交互，配合IAP读写Flash数据，将需要更新的数据存储到MCU的内部Flash中。
    主程序流程图如图5所示。

4 结果分析
    图6是LED胸牌显示的汉字。通过整机调试，LED显示运行可靠、稳定。显示状态包括左移、右移、上移、下移、中分、雪花、固定、动画8种显示方式，具有跑马灯以及闪烁功能。

    同时其还具有开机自检功能，已检测LED点阵无坏点。