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1、目 录引 言11 系统设计21.1 系统的设计目标21.2 总体设计21.3 系统方案分析22 方案论证32.1 主控制器芯片选择32.2 无线传输方案32.3 显示屏方案43 LED显示技术及系统中的主要芯片63.1 STM32F103VET6微处理器芯片63.2 NEF24L01射频通信芯片93.3 MAX232串口通信芯片113.4 移位寄存器74HC595123.5 信号收发器74HC245145 系统硬件设计155.1 各功能实现原理155.1.1 led显示原理155.1.2 点阵LED显示屏的外观和引脚155.1.3 驱动模块165.2 具体硬件电路实现175.2.1 电源电路1
2、75.2.2 时钟电路175.2.3 启动模式选择电路175.2.4 复位电路185.2.5 RS-232电路195.2.6 NRF24L01电路195.2.7 LED接口电路195.2.8 按键电路206 系统软件设计206.1 开发环境介绍206.2 系统编程语言介绍216.3 软件总体设计216.4 系统各模块程序的设计226.4.1 GPIO端口配置226.4.2 串口通信配置246.4.3 NVIC中断配置256.4.4 NRF24L01模式配置276.5 主控机程序模块286.6 从机程序模块297 系统调试307.1 元件的焊接和整板测试307.2 系统硬件调试317.3 软件测
3、试317.4 系统联调328 结论339 参考文献3410 附 录3510.1 系统原理图3510.2 部分主机程序3510.3 部分从机机程序3811 谢 辞412引 言 由于物联网的快速发展，信息传播为21世纪的发展发挥了越来越大的作用。特别是在近20年来，物联网的发展日新月异，无论是商业、农业、工业，甚至是国防科技都将为之发生意想不到的变革，同时也为技术发展打下了坚实的理论基础。我们则应当具备开发和创新的能力，本文所介绍的无线广告屏就是一个例子。系统以单片机为处理器，其以极其高的性能价格比受到嵌入式研发人员的重视和关注。单片机拥有很多的优势比如功能齐全、稳定性好、性价比高、对环境要求不高
4、、产品设计周期短、价格低廉、灵活性好。单片机以其优越的性价比，使得它的应用在生活当中随处可见，并且单片机的性能也越来越好。单片机的应用范围包括工业检测与控制、机械设备、智能仪器仪表、汽车控制、家用电器等。 运用做多的还是嵌入式微型应用系统中。随着科技的发展，单片机性能会更加强大，将会更多的运用在通信、视频和控制等方面，与人们的生活生产更加密切，未来单片机的应用会是一片光明。总的来看，无线广告屏是一种新型的信息显示方式，当然成本低也是人们选择的理由，另外 1.2公里度的传输距离使之更加适合于像户外和街道之类的场合。如果能较好的解决信息的及时更新问题，可应用于户外，尤其是一些广告塔、屋顶等场所，是
5、显示屏发展的新方向。如果更进一步的开发，解决视频数据的存储，则可以解决无线视频的传输并显示，当前视频显示的控制已经是比较成熟，只需要将显示屏替换为显示视频的屏，这样为扩大应用范围提供了可能性。本文所设计的无线广告屏以STM32F103VET6微处理器核心利用STM32F103VET6的资源和便于后续的升级，通过无线数据传输技术，与LED显示屏紧密结合实现系统功能。本文分为六章，详细说明了无线广告屏的原理、设计方法、以及设计流程。第1章简要的介绍系统设计方案。第2章较详细的论证和介绍了系统设计各个子方案。第3章简要介绍了SPI，RS232通信协议。第4章简单介绍了显示及系统设计中使用的主要芯片，
6、其主要是对意法半导体（ST）公司32位处理器STM32F103VET6作了一下介绍。第5章详细介绍了系统的硬件设计。本章对电源、复位、按键、接口作了详细的介绍。第6章详细介绍了系统的开发平台、编程语言、系统的软件设计方案。第7章对系统软、硬件调试的方法及遇到的问题作了说明，并对最终效果进行了测试和分析。1 系统设计1.1 系统的设计目标本设计要求进行无线广告屏的研究和设计。系统以STM32F103VET6微处理器作为核心控制器件，通过无线数据传输进行LED广告屏信息的更新，扩大广告屏的使用范围以及提高广告信息的有效性。1.2 总体设计如图1所示，无线广告屏的系统总框图。系统由5个模块组成：电源
7、转换模块、主控制模块、显示模块、无线收发模块和键盘输入模块。其中，LED显示由STM32和NRF24L01共同控制，键盘则用来实现人机交互的功能，系统供电源是市电，然后通过变压器，给系统提供5V电源。用户可以通过计算机的串口将信息传给发送模块再由发送模块对数据进行变换，并按键将数据通过2.4G无线传输到从接受模块，再由从接受模块对接收到的数据进行提取再传送到显示屏。系统中，收发模块都以STM32F103VET6为控制器，对数据进行存储与转换。2.4G无线射频通信进行数据传输。显示模块接收主控制器模块发送主控制器模块键盘输入模 块无线接收模块无线发送模块图1 系统总框图1.3 系统方案分析广告发
8、布系统具有如下优点：可实现组网：因为传统LED显示屏的信息由计算机通过串口线传输，所以显示屏在组网数量上受到很大的制约。无线LED信息显示系统采用2.4G无线传输模块来发送信息，可控制6个显示终端；通过树形连接可扩展更多的终端节点。信息发布方便：传统广告显示屏只可以固定地显示控制卡内存储的数据，如需发布新的信息必需通过电脑联机来刷新信息。无线广告显示系统可以随时接收发射机下发送的信息，信息的更新不受任何时间和地理位置限制。安装维护方便：因为不需要架设通讯电缆或者光缆，因此无线广告显示屏的安装位置不会受到太大的限制。 本设计采用软硬件模块化设计方案，便于维护和检修。2 方案论证2.1 主控制器芯
9、片选择方案1：采用STC89C52为处理器，STC89C52RC单片机是台湾宏晶设计的一款频率高，低功耗小，抗干扰能力强的单片机，与传统8051单片机指令代码完全兼容，机器周期可以任意选择可以选择12时钟周期或6时钟周期的。但是STC89C52容量小，内部资源少，不适合后续系统的升级。方案2：采用意法半导体（ST）公司出品的STM32F103VET6为处理器，STM32F103VET6是 32位ARM微控制器属于中低端市场，该芯片其内核是Cortex-M3。STM32相比STC89C52有过之而无不及，性能高效，在同样的主频率下能做处理更多的任务，为程序设计提供了全面支持；功耗小；实时性强；采
10、用了极其前卫甚至革命性的架构设计思想，相比传统单片机它具有快速的中断响应，而且中断响应所需的周期时间确定的；所能存储代码密度得到很大提高，一边能支持大型应用程序，另一边为低成本开发费用。相比之下决定采用STM32F103VET6为处理器。2.2 无线传输方案方案1：ZigBee：Zigbee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议 ，是一种新兴的短距离，低速率无线网络技术。它是一种介于蓝牙与无线标记之间的技术方案，此前一直被称作HomeRFLite或firefly无线技术，主要用于近距离无线连接。它有自己的优势。功耗很低，在待机模式（低功耗）下，两节普通5号电池可使用180-720
11、天；网络容纳节点数目多，网络最多可以容纳六千多个节点；响应速度快，一般设备搜索时延大约为三十毫秒，设备激活时延大约为十五毫秒，设备信道接入时延约为十五毫秒；网络的自主组网、修复功能强；数据传输稳定、数据保密性可靠，ZigBee有着鉴权功能和数据完整性校验，采用的算法是AES-128（全球新加密算法，是目前最好的文本加密算法之一），应用不必担心安全型；频带宽，全球通用频率为2.4GHz，在美国是915MHz的频段，欧洲是868MHz的频段，都是免费的频段。是一种让无线控制简单技术革新。采用IEEE 802.15.4国际标准，该技术大多应用于低传输速率和功耗小的开发。但是成本比较高，比nRF240
12、1等要高很多，通信距离短，应用最好在100米以内。方案2：蓝牙：基于IEEE 802.15.1的标准。工作于 2.4GHz 频段，现在已经在PC 市场和移动电话上获得了成功。Bluetooth SIG 推出的各种版本已经应用在多种外设上，比如无线耳机。方案3：Wi-Fi：Wi-Fi 是基于 IEEE 802.11 标准的第三代无线技术。它已被广泛应用于家庭，“hotspots”和办公室作为一种无线局域网技术。Wi-Fi 技术主要为TCP/IP 网络的传输层做支持。方案4：赛普拉斯公司的无线USB：赛普拉斯公司的专利产品-和名为“无线认证USB”的产品无关，那是由无线 USB 促进组织（基于 W
13、iMedia 联盟 UWB 平台）研发的。无线USB 是一种新型产品，工作于 2.4GHz 频段，有半双工的工作模式。它以扩展频谱方式使满足国际电信联盟的标准，以免和现有的其它工作在 2.4GHz 频段的无线技术产生干扰。方案4：北欧半导体公司的 NRF24L01：北欧的方案是有专利的，工作在2.4GHz 频段，半双工的调制解调器。它使用一个数字分段和跳频技术方式，最大可以发送256个字节的数据包。接收器对于校验错误的数据包采取丢弃方式。按照数据手册，NRF24L01是一种单芯片GFSK收发器，数据传输速率最大为2Mbps。它的内部结构由晶体振荡器，功率放大器，频率合成器和调制器组成。蓝牙技术
14、也许在 PC和 Mac上的应用看起来很有优势。不幸的是，仔细研究之后发现，实际上所有计算机备的都是低功率的蓝牙Class2或Class3，工作距离不超过10米。能够达到我们要求的蓝牙 Class1 的成本很高，而且功耗太大。对于前几种的技术衡量，最后选择了北欧半导体公司的NRF24L01，作为本设计的无线传输技术。2.3 显示屏方案方案1：LCD（Liquid Crystal Display），即液晶显示屏。在计算机、手机、手持设备和电视机有着广泛的应用。LCD的原理是两端是玻璃基板，在它们之间的是一种有机化合物。以电流通过该化合物使晶体重新分布，以使入射光线发生偏转。看起来每个晶体就像过滤网
15、，能对穿过的光线加以选择。未来液晶显示器应用都将朝着更加轻薄，更加耐用的方向发展，以后我们将看到LCD的应用会无处不在。相比古老的CRT映像管显示器等等，LCD携带更加方便与更加实用，不仅如此CRT映像管显示器体积庞大或功耗大等众多因素，将会被社会的需求所淘汰。而LCD显示技术的出现正好服合以后人们的需求，出色的显示性能、节能环保、大小定制和辐射低等优势，完胜于传统的CRT映像管显示器。方案2：LED显示屏，LED显示屏（LED panel）：LED就是light emitting diode ，发光二极管的英文缩写，简称LED。它是一种通过控制半导体发光二极管的显示方式，其原理就是有多个发光二极管组成显示矩阵，有0和1控制某个二极管的亮灭。已经用来显示文字、数字、图像、符号、视频等各种信息。显示方面，LED已经广泛应用于工业设备、电子电器多媒体平板显示屏、交通信号灯等各种产品的运行状态性能的显(指)示。LED的技术应用已经具有了很广的
