地下鉄車両におけるLED表示画面の基本設計原理
地下鉄LED表示画面の基本設計原理; 地下鉄における公共向けの情報表示端末として、屋内LED表示は非常に幅広い民生用および商業的価値を持っています。
現在、中国で運行されている地下鉄車両には一般的に屋内LED表示が搭載されていますが、追加機能は少なく、画面表示内容も単一です。新しい地下鉄旅客情報システムとの連携を図るため、新しいマルチバス地下鉄LEDダイナミック表示画面を設計しました。
この表示画面は、外部通信に複数のバスインターフェースを備えているだけでなく、内部制御回路設計にもシングルバスおよびI2Cバスデバイスを採用しています。
地下鉄には2種類のLEDスクリーンがあります。1つは、車両の外側に設置され、列車の運行区間、運行方向、現在の駅名を表示し、中国語と英語に対応しています。その他のサービス情報も、運行の必要に応じて表示できます。テキスト表示は、静止、スクロール、翻訳、滝、アニメーションなどの効果があり、表示される文字数は16×12の16ドットマトリックス文字です。もう1つは、列車内に設置される端末屋内LED表示で、列車の運行要件に応じて端末をプリセットし、現在の端末と列車の現在の温度をリアルタイムで表示し、16文字×8の16ドットマトリックス文字を表示します。
システム構成
LED表示システム画面は、シングルチップマイクロコンピュータ制御ユニットと表示ユニットで構成されています。単一の表示ユニットは16×16の漢字を表示できます。特定のサイズのLEDグラフィック表示システムを製造する場合、「ビルディングブロック」方式を使用して、いくつかのインテリジェント表示ユニットを使用することで実現できます。システム内の表示ユニット間ではシリアル通信が使用されます。制御ユニットは、表示ユニットを制御し、上位コンピュータの命令と信号を送信することに加えて、シングルバスデジタル温度センサー18B20も組み込まれています。制御回路のモジュール設計のおかげで、湿度測定の要件がある場合、18b20を、Dallas社のDS2438とHoneywELL社のHIH23610で構成されるモジュール回路にアップグレードできます。車両全体の通信ニーズに対応するため、CANバスが車両内の上位コンピュータと各制御ユニット間の通信に使用されます。
ハードウェア設計
表示ユニットは、LED表示パネルと表示回路で構成されています。LED表示ユニットボードは、4つのドットマトリックスモジュール×64ドットマトリックスユニバーサルインテリジェント表示ユニットで構成されており、単一の表示ユニットは4つの16×16ドットマトリックス漢字または記号を表示できます。システム内の表示ユニット間ではシリアル通信が使用され、システム全体の作業が調整され、統一されています。表示回路は、2つの16ピンフラットケーブルポート、2つの74H245トリステートバストライバー、1つの74HC04D 6インバーター、2つの74H138 8デコーダー、および8つの74HC595シフトラッチで構成されています。制御回路の中核は、WINBONDの高速マイクロコントローラー77E58であり、水晶発振周波数は24MHzです。AT29C020Aは、16×16ドットマトリックス漢字ライブラリと16×8ドットマトリックスASCIIコードテーブルを格納するための256K ROMです。AT24C020は、I2Cシリアルバスに基づくEP2ROMであり、地下鉄の駅名、挨拶などのプリセット文を格納します。車両内の温度は、シングルバスデジタル温度センサー18b20によって測定されます。SJA1000とTJA1040は、それぞれCANバスコントローラーとトランシーバーです。
制御回路ユニット設計
システム全体は、Winbondのダイナミックマイクロコントローラー77E58を中核としています。77E58は再設計されたマイクロプロセッサコアを採用しており、その命令は51シリーズと互換性があります。ただし、クロックサイクルはわずか4サイクルであるため、その動作速度は、同じクロック周波数で従来の8051よりも一般的に2〜3倍高くなります。したがって、大容量漢字のダイナミック表示におけるマイクロコントローラーの周波数要件は十分に解決され、ウォッチドッグも提供されています。77E58は、ラッチ74LS373を介してフラッシュメモリAT29C020を制御し、サイズは256Kです。メモリ容量が64Kを超えるため、設計ではページングアドレッシング方式を採用しています。つまり、P1.1とP1.2を使用してフラッシュメモリのページを選択し、4つのページに分割されます。各ページののアドレッシングサイズは64Kです。AT29C020チップを選択することに加えて、P1.5は、P1.1とP1.2が16ピンフラットケーブルインターフェースで再利用される場合にAT29C020の誤動作を引き起こさないようにします。CANコントローラーは通信の重要な部分です。干渉防止能力を向上させるために、6N137高速フォトカプラーがCANコントローラーSJA1000とCANトランシーバーTJA1040の間に追加されています。マイクロコントローラーは、P3.0を介してCANコントローラーSJA1000チップを選択します。18B20はシングルバスデバイスです。デバイスとマイクロコントローラー間のインターフェースには、1つのI/Oポートのみが必要です。温度をデジタル信号に直接変換し、9ビットデジタルコードモードでシリアルに出力できます。P1.4は、制御回路で選択され、18B20のチップ選択とデータ送信機能を完了します。AT24C020のクロックケーブルSCLと双方向データケーブルSDAは、それぞれP1.6とP1.7.16ピンフラットワイヤインターフェースに接続されており、制御回路と表示回路のインターフェース部分です。
表示ユニットの接続と制御
表示回路部分は、制御回路部分の16ピンフラットワイヤポートと16ピンフラットワイヤポート（1）を介して接続され、マイクロコントローラーの命令とデータがLED表示回路に送信されます。16ピンフラットワイヤ（2）は、複数の表示画面をカスケード接続するために使用されます。その接続は、基本的に16ピンフラットワイヤポート（1）と同じですが、そのR端が図2の左から右への8番目の74H595のDS端に接続されていることに注意する必要があります。カスケード接続する場合、次の表示画面の16ピンフラットケーブル（1）ポートと直列に接続されます（図1を参照）。CLKはクロック信号端子、STRは行ラッチ端子、Rはデータ端子、G（GND）とLOEは行ライトイネーブル端子、A、B、C、Dは行選択端子です。各ポートの具体的な機能は次のとおりです。A、B、C、Dは行選択端子であり、上位コンピュータから表示パネルの指定された行へのデータの送信を制御するために使用され、Rはデータ端子であり、マイクロコントローラーによって送信されたデータを受け入れます。LED表示ユニットの動作シーケンスは次のとおりです。CLKクロック信号端子がR端子でデータを受信した後、制御回路は手動でパルス立ち上がりエッジを与え、STRはデータの行（16×4）にあります。64個のすべてのデータが送信された後、パルスの立ち上がりエッジが与えられ、データがラッチされます。LOEは、マイクロコントローラーによって1に設定され、行を点灯させます。表示回路の概略図を図3に示します。
モジュール設計
地下鉄車両は、実際の状況に応じて屋内LED表示に異なる要件があるため、回路を設計する際にこれを十分に考慮しました。つまり、主要な機能と構造を維持したまま、特定のモジュールを交換できます。この構造により、LED制御回路は優れた拡張性と使いやすさを備えています。
温度と湿度モジュール
南部の高温多湿地域では、車内に一定温度のエアコンがありますが、湿度も乗客が気にする重要な指標です。当社が設計した温度と湿度モジュールは、温度と湿度を測定する機能を備えています。温度モジュールと温度と湿度モジュールは同じソケットインターフェースを持ち、どちらもシングルバス構造であり、P1.4ポートによって制御されるため、交換が容易です。HIH3610は、Honeywell社製の電圧出力付き3端子統合湿度センサーです。DS2438は、シングルバス通信インターフェースを備えた10ビットA/Dコンバーターです。このチップには、高解像度デジタル温度センサーが含まれており、湿度センサーの温度補償に使用できます。
485バス拡張モジュール
成熟した安価なバスとして、485バスは産業分野と交通分野でかけがえのない地位を占めています。したがって、外部通信用に元のCANモジュールを置き換えることができる485バス拡張モジュールを設計しました。このモジュールは、MAXIMの光電絶縁MXL1535Eを485トランシーバーとして使用しています。制御互換性を確保するために、MXL1535EとSJA1000の両方がP3.0を介してチップ選択されます。さらに、RS2485側とコントローラーまたは制御ロジック側の間には、トランスを介して2500VRMSの電気的絶縁が提供されます。TVSダイオード回路がモジュールの出力部分に追加され、ラインサージ干渉を低減します。ジャンパーを使用して、バス終端抵抗をロードするかどうかを決定することもできます。
ソフトウェア設計
システムソフトウェアは、上位コンピュータ管理ソフトウェアとユニットコントローラー制御ソフトウェアで構成されています。上位コンピュータ管理ソフトウェアは、C++BUILD6.0を使用してWindows22000オペレーティングプラットフォームで開発されており、表示モードの選択（静止、点滅、スクロール、タイピングなどを含む）、スクロール方向の選択（上下スクロールと左右スクロールを含む）、動的表示速度の調整（つまり、テキスト点滅周波数、スクロール速度、タイピング表示速度など）、表示内容の入力、表示プレビューなどを含みます。
システムが実行されている場合、システムは、プリセット設定に従って駅のアナウンスや広告などの文字を表示できるだけでなく、必要な表示文字を手動で入力することもできます。ユニットコントローラーの制御ソフトウェアは、8051のKEILCによってプログラムされ、シングルチップコンピュータ77E58のEEPROMに固定されています。主に、上位コンピュータと下位コンピュータ間の通信、温度と湿度のデータ取得、I/Oインターフェース制御およびその他の機能を完了します。実際の動作中、温度測定精度は±0.5℃に達し、湿度測定精度は±2％RHに達します。
結論
本稿では、ハードウェア概略図設計、論理構造、構成ブロック図などの側面から、地下鉄屋内LED表示画面の設計思想を紹介します。フィールドバスインターフェースモジュールと温度湿度モジュールインターフェースの設計を通じて、屋内LED表示画面はさまざまな環境の要件に適応でき、優れた拡張性と汎用性を備えています。多くのテストの後、屋内LED表示画面は国内の地下鉄の新しい旅客情報システムで使用されており、その効果は良好です。この実践は、表示画面が漢字とグラフィックの静的表示とさまざまな動的表示をうまく完了でき、高輝度、フリッカーなし、シンプルな論理制御などの特性を備えており、地下鉄車両のLEDスクリーンの表示要件を十分に満たしていることを証明しています。