1. 研究目的与意义（文献综述）

在六十年代末期出现了一种新型的半导体显示器件——发光二极管,它又被简称为LED。随着半导体技术的不断成熟和完善及发光二极管在各个方面的提高，二十世纪七十年代出现了LED显示屏。它能够通过控制发光二极管的工作状态即导通或关断来显示字符。一般用于图形、文字、图像、录像、视频、行情等各种信息的显示。当时，它只是用来显示简单的数字和文字信息，后期由于发光二极管技术的飞速发展，显示屏的显示特性也相应地有所提高。进入90年代改革开放时期，经济得到了迅速发展，大多公众场合对信息的发布要求越来越高，LED显示屏顺应了时代发展的需求，在制造水平和应用技术上得到了很大的发展，并成为一种新兴的产业。显示屏的发展过程也逐渐从最初的单一色到后期的图像显示进行了过渡和完善，并且越来越多的研究将其应用到与人们息息相关的视频中来。

1.1 设计目的

LED点阵屏是由许多发光二极管按规律排列所组成的点阵显示屏幕,它可用来显示字符、图案等信息,具有可靠性高、使用寿命长、环境适应能力强、性能价格比高等特点,因此在信息显示领域得到了广泛的应用。按照数据的传输方式分类，显示屏可大致分为有线显示屏和无线显示屏两种。与无线方式相比，有线显示屏有抗干扰能力强、信号失真小、传播速度快等优点，然而，采用有线方式传输显示数据的点阵屏却存在一个十分明显的缺点：设备之间使用网线连接，限制了设备之间的距离，如果数据的发送端和接收端距离过大，会大大增加网线的铺设成本，此外，若考虑到网线的布置、损耗、检测等问题，有线方式会耗费更多不必要的人力物力。因此，研制一种基于无线传输的点阵屏显示系统有着十分的必要性，而本次的设计为基于LoRa技术的无线显示屏。

1.2 国内外无线LED显示技术研究现状

1.2.1 LED无线显示屏研究

通过有线方式传输显示数据,可以解决不能随时更改显示内容的问题；而通过公用无线网络的短信息功能来传输数据,实现远程控制更新显示内容,又解决了布线的问题,使得点阵显示屏的应用范围更加广泛。但是,这类产品由于使用公用无线网络作为信息传输媒介,运行费用较高,对于控制距离不远或者使用时间不长的场合来说显得不经济。目前,Zigbee、射频、Wifi等无线短距离通信以其低功耗、低复杂度、较低的成本和较好的抗干扰性等优点在全球得到迅速发展,在成本增加不多的情况下将无线通信应用到LED点阵显示系统上不但能解决安装和更换位置不方便的问题,提高可移动性,也符合嵌入式系统应用的未来发展方向。下面重点论述ZigBee无线技术在无线显示屏领域中的应用。

ZigBee是一项新型的无线通信技术，适用于传输范围短数据传输速率低的一系列电子元器件设备。ZigBee与蓝牙相类似，但ZigBee表现出更为高效、便捷的特征。作为一项近距离、低成本、低功耗的无线网络技术，ZigBee无线通信技术关于组网、安全及应用软件方面的技术是基于IEEE批准的802 15.4无线标准。

与WiFi、蓝牙等传统无线通信技术相比，ZigBee功耗更小、研发及投入成本低、且安全可靠性较高；但其传输数据的范围较小（一般介于10m至300m之间）。ZigBee技术在短距离、低速率、低功耗的先天性优势，使得它在物联网行业逐渐成为一个主流技术，在工业、农业、智能家居等领域得到大规模的应用。

因此，ZigBee技术在无线显示屏的领域也有较多应用。例如，天津科技大学的肖晋为设计了基于ZigBee技术的无线显示屏^[4]。通过PC机对汉字显示的控制，可实现近距离的无线控制，不受距离及空间的限制，使得LED显示终端既便于安装和更换位置，又降低了运行费用；又如天津工业大学的刘援琼利用ZigBee无线通信技术结合上位机控制实现了16*16的LED点阵显示屏的控制设计^[5]，设计能够实现近距离无线传输功能，且能够快捷，方便的改变点阵显示屏的内容。

近年来,国外除了继续进行提高发光亮度、降低工作功耗和生产成本等基础研究外,目前更注重于高真彩、高分辨率、高对比度等技术的LED屏的研究；而我国的显示屏产业基本上是在市场需求的引导下自主发展形成的^[6],在我国LED显示市场的拓展中,也不乏以技术和产品引导市场的范例。

1.2.2 由上位机（PC机）控制的LED显示屏研究

LED点阵显示根据应用领域和要求不同可以分为很多种。常用的是采用单片机为控制核心的点阵显示,显示的数据预先存贮在ROM中,当程序运行时,单片机负责依序将ROM中存储的数据进行读取、传输和显示。这种方式优点在于廉价、实现简单,适用于显示字符较少或显示画面不大的场合,并且很少更改显示内容。

但是当显示画面大,显示内容多且较复杂,光靠单片机处理不过来,或者用户希望能随时改变显示内容或画面时,就需要有更加灵活的LED显示系统。国内外目前己经有针对上述问题而研制出的相应LED点阵显示系统,该系统由PC来控制显示信息的发送。

龚再兰设计了一种基于PC电脑与51单片机串口通信的点阵系统^[2],通过电脑的串口调试软件,将需要显示的单字符通过串口传给单片机（下位机）,在单片机内部进行解码,调用对应的自设的点阵字符库后,让字符显示到8*8点阵上；而刘成惠则通过visualstudio软件编写上位机程序^[3]，通过软件将字符的字模转换出来,并加上通信的命令通过串口发送到单片机:这样完成了PC机上位机与单片机通信的功能。

1.3 国内外LoRa无线技术研究现状

低功耗广域网（LPWAN）是一种远距离低功耗的无线通信网络。多数LPWAN技术可以实现几公里甚至几十公里的网络覆盖。由于其网络覆盖范围广、终端功耗低等特点其更适合于大规模的物联网应用部署。而本次设计所使用的LoRa技术就是LPWAN的一个分支技术。本节就国内外的LoRa技术方面的研究进行分析。

1.3.1 LoRa 无线技术国内外应用现状

2013年8月，美国的Semtech公司向业界发布了一种新型的数据传输技术，即LoRa技术^[7]。与其他无线技术相比，LoRa技术的接受灵敏度极高，功耗极低，一节五号电池理论上可供终端设备工作10年以上。除此之外，LoRa使用线性调制解调技术，明显增加了通信距离，提高了网络效率并消除了干扰。

LoRa技术诞生后不久，就因其优良特性而得到了国内外的广泛应用，而也有许多电路也因为LoRa芯片而得到了优化。董楚楚等人提出了一种新型的基于LoRa技术的无线数据传输模块^[8]。该模块以SX1276为射频芯片，采用低功耗微处理器STM8L151为主芯片并移植了Contiki嵌入式操作系统，具有功耗低、传输距离远、可靠性高等优点。

龚天平设计了以Semtech公司SX1212为无线收发器的电路^[9]，给出了以ST公司ARM芯片STM32F373为MCU的信号监测无线数传软件流程图。同时列出了几种无线通信技术对比表并进行数据传输测试，实测数据表明LoRa芯片可以兼容超长距离和超低功耗的无线数据传输。

LoRa无线技术是一种非授权频谱的LPWAN，相对授权频谱的LPWAN技术，非授权频谱的LPWAN技术具有搭建网络灵活、快速、技术种类多等特点，部署成本低、商品化速度快。华南师范大学的赵静进行了非授权频谱的LPWAN技术的技术对比^[10]如表1.1所示。

表1.1 非授权频谱的LPWAN主要技术特点对比

	LoRa	SigFox	NWave	Telensa
距离/km	15-45(空旷) 15-22（郊区） 3-8（城市）	40（乡村） 10（城市）	10	最高8
频率/MHz	433/470-510 868 902-928	868，902	Sub-GHz	868,915； 470
数据速率	0.3-50 kbps	100 bps	100 bps	低速
运营模式	公开或私有	公开	公开或私有	公开
标准化	LoRa：否 LoRaWAN：是	否	Weightless-N	否

由表1.1可得，LoRa、Sigfox作为非授权频谱LPWAN技术的典型代表，具有覆盖广、连接多、速率低、成本低、功耗少等优点，是最有发展前景的低功耗广域网通信技术之一。目前，两者在欧美地区都已有多个商用的案例，但是在运营模式、抗干扰能力、完整的生态系统、组织推广力度上，LoRa比Sigfox更具有优势。此外，WilliamMark Townsley在论述LoRa技术的相关特点时指出^[11]，LoRa是一种远程低功耗的物联网通信系统。但是如果当链路上的负载增加时，它的性能会迅速下降。

鉴于LoRa技术这些十分突出的优良特性，LoRa技术在日常生活中的应用也十分广泛。西安石油大学的孟开元提出了一种基于LoRa技术的油田井口数据监测系统设计方案^[12]。该系统以SX1278芯片为核心, 采用星型组网方式实现油田井口数据的采集、存储、发送与显示功能；北京航天试验技术研究所的赵全设计了一个基于LoRa的无线多参数环境监测系统^[13]，利用STM32F103内置的ADC采集6路气体浓度数据，并通过LoRa无线模块, 将采集的数据传输至LoRa网关并在手持式终端上显示。

1.3.2 LoRa无线技术国内外网关设计研究

网关是LoRa网络的重点研究方向。网关芯片采用Semetch研发的SX1301，根据官方发布的技术手册，搭载该芯片的网关在每平方千米的范围内可连接5000个终端节点^[14]。终端节点采用SX127x芯片。控制核心有意法半导体等厂商推出的超低功耗微控制器，以满足网关数据处理和低功耗的需求。

LoRa无线技术具有低功耗、网络扩展性强及通信距离远等优点,在广域网中扮演越来越重要的角色。其中以低功耗的优势最为明显,而网络系统的信道利用率极大地影响LoRa节点的功耗。原始LoRa网关上的调制解调模块SX1301是半双工工作模式,收发数据没法同时进行。所以陈孝松设计了一种可以很好地工作在全双工工作模式的LoRa网关^[15]，即把SX1278模块加到原始LoRa网关上, 实现了同时接收与发送数据。

法国波城大学的Congduc PHAM等开发的低功耗LoRa网关实验平台^[16]，采用树莓派作为核心板，射频模块采用SX1276，虽然该网关实现了与终端节点的数据传输，但仅能连接少量的终端节点。国内姚晓海等设计的LoRa网关系统^[17]，包括微处理器、USB集线器、LoRa信号模块和互联网信号模块，实现了通过LoRa网络采集到的终端数据经网关进行数据协议转换后，可经3G、4G、WiFi网络传输到网络服务器。

1.3.3 国内外LoRaWAN协议研究

为了规范LoRa技术在全球范围的标准化以及快速的发展，LoRa联盟也推出来一个开源的基于低功耗广域网的标准—LoRaWAN。LoRaWAN协议主要是为了保护移动通讯、通讯的安全、通讯的位置定位这些物联网通讯技术中的核心^[18]。同时，让物联网设备之间能够无缝的对接完成交互操作，给LoRa领域的企业、开发者以及用户更加方便、更加自由的操作权限。

晏然基于LoRaWAN协议的物联网通信技术，对网络拓扑结构进行了讨论^[19]。LoRaWAN的网络架构一般是星型结构，主要包括网关、终端设备以及后端服务器，其中网关起到一个消息驿站的作用，用于实现终端设备和后端中央网络服务器之间消息的中继。

目前，LoRa技术正在国内外如火如荼地发展。例如，由国内AUGTEK公司开展的，在京杭大运河上部署的LoRa网络建设，目前在江苏境内的大运河已经全面地进行了覆盖；而波兰也已宣布采用Kerlink的物联网解决方案推出了首个全国性的LoRaWAN网络。由此看来，LoRa技术的低功耗，低成本，大范围等优点具有非常大的实际应用意义，对推动低功耗广域物联网的发展也具有十分积极的作用。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 设计的基本内容

基于Lora技术完成无线LED点阵显示屏设计，即以LoRa无线技术为基础，配以适当的硬件电路，上位机和下位机程序实现无线远程控制发送显示内容，要求能够支持远程更改滚动显示内容，支持不少于3种滚动显示刷屏方式，比如从左向右，从右向左，整体刷新等方式；要求设计的显示屏分辨率不低于16*64点阵且传输距离不少于200米。

2.2 设计目标

（1）深入了解远程通信原理；

（2）学会上位机的界面及串口设计方法；

（3）掌握LED点阵的显示原理及驱动方式；

（4）熟练运用LoRa模块进行远程数据传输。

2.3 技术方案

本次设计的总体框架如图2.1所示。

图2.1 总体系统框架

由图2.1可知，本次设计主要由上位机模块，无线通信模块，单片机，LED驱动电路以及LED点阵屏组成。上位机PC端负责显示信息的输入，当输入文字信息后，PC将显示信息通过串口及无线发射模块将信号经过调制等处理后发送出去，接收模块接收上位机传输的显示信息，通过单片机在点阵屏上显示。

2.3.1 LED显示模块及驱动电路

本次设计拟选取的LED点阵屏的型号为共阳极点阵屏，即点阵屏内部处在同一行的每个发光二极管的阳极接在一起，因此，驱动电路可采用74HC154芯片(4~16)译码器作为点阵的行驱动。74HC154译码器可接受4位高有效二进制地址输入,并提供16个互斥的低有效输出，单片机可选择其中一组IO口的低四位连接译码器的4个输入端(A0-A3),当单片机控制口引脚输出0x00~0x0F时,由译码器的工作原理可知,输出端(Y0—Y15)分别输出低电平,依次选中显示屏的第一至第十六行;另选择单片机的一个引脚接至154译码器(1~16行控制器)的使能端；此外，选用74HC595芯片作为LED显示屏的列驱动电路。74HC595采用级联方式,即将上一片74HC595的级联输出端和下一片的数据输入端相连,这样当并行输出脉冲有效时所有列信号同时发出。

2.3.2 无线传输模块

本次设计的无线传输模块的核心芯片即LoRa典型芯片SX127x系列。待选择芯片的的各项参数如表2.1所示。

表2.1 常用的LoRa芯片各项参数

零件编号	频率范围/MHz	扩频因子	带宽/KHz	有效比特率/Kbps	预估灵敏度/dBm
SX1276	137-1020	6-12	7.8-500	0.018-37.5	-111—-148
SX1277	137-1020	6-9	7.8-500	0.11-37.5	-111—-139
SX1278	137-525	6-12	7.8-500	0.018-37.5	-111—-148

由表2.1可以看出SX1276的带宽范围为 7.8~500kHz ，扩频因子6~12，并覆盖所有可用频段。SX1277的带宽和频段方位与SX1276相同，但扩频因子为6~9。SX1278的带宽和扩频因子与SX1276相同，但仅覆盖较低的 UHF频段。而三种芯片的价格相差并不是太大，虽然SX1278与SX1276性能几乎没有差别，SX1278主要针对于433M与470M网段的地区，包括中国，东南亚，南美与东欧地区。SX1276则主要覆盖欧洲与北美等使用的868M和915M频段。所以本次设计的LoRa芯片可选择SX1278芯片，这也是应用最多的芯片。

由于此芯片是一种半双工传输的低中频收发器，配备了标准FSK和远距离扩频Lora调制解调器，故无线发送模块和接收模块均可使用这款芯片，只需在程序上做些调整，改变其工作模式即可。

2.3.3 上位机模块

上位机PC端拟采用Visual Basic语言编写软件界面，用户可以直接输入基本信息，并确认发送显示。显示的信息数据通过串口传送到单片机。而单片机的TXD、RXD是TTL电平，所以需将从PC机中传来的信号转成TTL电平，只有这样给单片机下载程序才有可能成功。而将USB信号转换成TTL电平的方式主要有两种，如图2.2所示。

图2.2 转换TTL信号的方式

以上两种方式均可实现USB信号转TTL电平，且外围电路均较简单。但MAX232芯片占用PCB面积较大，处于美观性考虑，本次设计拟采用CH340芯片。

2.3.4 单片机型号选择

本次设计所采用的LoRa芯片采用的是SPI通讯协议，若用传统的51单片机实现SPI通讯，需要用I/O引脚来模拟SPI协议，实现起来较为复杂。故本次设计拟采用STM32系列单片机，其自带SPI接口，与LoRa模块连接十分方便，只需要向单片机输入源程序对相关寄存器操作即可。

2.1 设计内容

本设计以LoRa技术为研究对象，设计一种LED点阵显示屏的无线传输系统，能够实现数据的远程传输，将上位机中的输入内容显示在显示屏上。

2.2 设计目标

（1）支持远程更改滚动显示内容，同时至少支持3种滚动显示方式，如从左向右，从右向左，整体刷新等；

（2）要求显示的显示屏分辨率不低于16*64点阵；

（3）传输距离不少于200米。

2.3 技术方案

本次设计的总体框架如图2.1所示。

图2.1 总体系统框架

由图2.1可知，本次设计主要由上位机模块，无线通信模块，单片机，LED驱动电路以及LED点阵屏组成。上位机PC端负责显示信息的输入，当输入文字信息后，PC将显示信息通过串口及无线发射模块将信号经过调制等处理后发送出去，接收模块接收上位机传输的显示信息，通过单片机在点阵屏上显示。

2.3.1 LED显示模块及驱动电路

本次设计拟选取的LED点阵屏的型号为共阳极点阵屏，即点阵屏内部处在同一行的每个发光二极管的阳极接在一起，因此，驱动电路可采用74HC154芯片(4~16)译码器作为点阵的行驱动。74HC154译码器可接受4位高有效二进制地址输入,并提供16个互斥的低有效输出，单片机可选择其中一组IO口的低四位连接译码器的4个输入端(A0-A3),当单片机控制口引脚输出0x00~0x0F时,由译码器的工作原理可知,输出端(Y0—Y15)分别输出低电平,依次选中显示屏的第一至第十六行;另选择单片机的一个引脚接至154译码器(1~16行控制器)的使能端；此外，选用74HC595芯片作为LED显示屏的列驱动电路。74HC595采用级联方式,即将上一片74HC595的级联输出端和下一片的数据输入端相连,这样当并行输出脉冲有效时所有列信号同时发出。

2.3.2 无线传输模块

本次设计的无线传输模块的核心芯片即LoRa典型芯片SX127x系列。待选择芯片的的各项参数如表2.1所示。

表2.1 常用的LoRa芯片各项参数

零件编号	频率范围/MHz	扩频因子	带宽/KHz	有效比特率/Kbps	预估灵敏度/dBm
SX1276	137-1020	6-12	7.8-500	0.018-37.5	-111—-148
SX1277	137-1020	6-9	7.8-500	0.11-37.5	-111—-139
SX1278	137-525	6-12	7.8-500	0.018-37.5	-111—-148

由表2.1可以看出SX1276的带宽范围为7.8~500kHz ，扩频因子6~12，并覆盖所有可用频段。SX1277的带宽和频段方位与SX1276相同，但扩频因子为6~9。SX1278的带宽和扩频因子与SX1276相同，但仅覆盖较低的UHF频段。而三种芯片的价格相差并不是太大，虽然SX1278与SX1276性能几乎没有差别，SX1278主要针对于433M与470M网段的地区，包括中国，东南亚，南美与东欧地区。SX1276则主要覆盖欧洲与北美等使用的868M和915M频段。所以本次设计的LoRa芯片可选择SX1278芯片，这也是应用最多的芯片。

由于此芯片是一种半双工传输的低中频收发器，配备了标准FSK和远距离扩频Lora调制解调器，故无线发送模块和接收模块均可使用这款芯片，只需在程序上做些调整，改变其工作模式即可。

2.3.3 上位机模块

上位机PC端拟采用Visual Basic语言编写软件界面，用户可以直接输入基本信息，并确认发送显示。显示的信息数据通过串口传送到单片机。而单片机的TXD、RXD是TTL电平，所以需将从PC机中传来的信号转成TTL电平，只有这样给单片机下载程序才有可能成功。而将USB信号转换成TTL电平的方式主要有两种，如图2.2所示。

图2.2 转换TTL信号的方式

以上两种方式均可实现USB信号转TTL电平，且外围电路均较简单。但MAX232芯片占用PCB面积较大，处于美观性考虑，本次设计拟采用CH340芯片。

2.3.4 单片机型号选择

本次设计所采用的LoRa芯片采用的是SPI通讯协议，若用传统的51单片机实现SPI通讯，需要用I/O引脚来模拟SPI协议，实现起来较为复杂。故本次设计拟采用STM32系列单片机，其自带SPI接口，与LoRa模块连接十分方便，只需要向单片机输入源程序对相关寄存器操作即可。在STM32系列的单片机中，程序存储器的最大容量各不相同，分别是16Kb（x4系列），32Kb（x6系列），64Kb（x8系列）。而从价格方面考虑，这三类芯片的价格差距不大，故本次设计选取x8系列单片机，其存储容量较大，可存储的数据和程序均比其他类型的芯片多。有关STM32x8系列单片机的各型号参数如表2.2所示。

表2.2 常用STM32x8系列单片机型号参数

型号（STM32）	通信接口	引脚	最大电流（mA）
F051C8	SPI*1 USART*2	48	39
F051K8	SPI*1 USART*2	32	27
F051R8	SPI*1 USART*2	64	55

由表2.2可以看出，三种芯片均有一个SPI口和两个USART口，均满足本次设计的要求，只是引脚数和最大电流有差异。另考虑到本次设计对电流方面的要求并不高。故本次设计选取引脚数较少的FO51K8系列，以减小焊接难度。

另封装方面，本次设计选择常用的LQFP封装，其引脚间距适中，比较适合于PCB电路板的焊接。综上所述，本次设计的单片机具体型号可选择为STM32F051K8T6型单片机。硬件原理框图如图2.3所示。

图2.3 硬件原理框图

3. 研究计划与安排

第1-3周：查阅相关文献资料，明确研究内容，了解课题所需解决的问题。确定总体方案，完成开题报告。

第4-5周：拟定设计方案，完成英文翻译。

第6-7周：完成单片机驱动点阵显示的仿真，完成led驱动部分的编程。

4. 参考文献（12篇以上）

[1]徐传旭，高举，周畅等.基于单片机的双色led点阵屏设计[j].现代信息科技2019,3(09),38-39 42.

[2]龚再兰.基于pc与单片机串口通信控制的点阵系统设计[j].电子世界2020,(03),158-159.

[3]刘成惠.基于stc12c5a60s2单片机的led点阵屏设计[j].科技经济市场,2016,20(2):35-37.