（电路与系统专业论文）基于linux系统的智能排队系统设计.pdf

： 硕m a 士s t 学e r 位 s 论t h 炙e m a s t e rste s i s l 帅吣洲1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 i i l i 1 1 1 i | 1 1 1 l l | i l i i | i i l l 一y 1 8 9 9 6 4 4 t h e d e s i g no f t h ee m b e d d e d q u e u i n gs y s t e mb a s e do nl i n u x at h e s i s s u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f 钟t h em e d e g r e ei ne n g i n e e r i n g b y l i u h a i y a n g p o s t g r a d u a t ep r o g r a m d e p a r t m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y c e n t r a lc h i n an o r m a lu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r ：q us h a o c h e n g a c a d e m i ct i t l e ：p r o f e s s o rs i g n a t u r e a p p r o v e d m a y 2 0 1 1 华中师范大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：日期：、) 1 1 年y 、 只2 甚 | 学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解华中师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：研 究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属华中师范大学。学校有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许学位论文被查阅和借阅； 学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手 段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名： 日籼l f 年y 月办 导师签名： 日期：沙， 日 本人已经认真阅读“c a l i s 高校学位论文全文数据库发布章程”，同意将本人的 学位论文提交“c a l i s 高校学位论文全文数据库”中全文发布，并可按“章程 中的 规定享受相关权益。回意途塞堡童卮溢蜃! 旦圭生；旦二生；旦三生蕉壶! 苫：笃二1 年月弓7 日 日期：占d 1 年月2 日 导师签名： 日期：少， 日 纸矽 ，f 、 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 摘要 随着信息技术的发展，排队系统有了很大的改变。排队系统给了人们极大的方 便，免除了站立排队之苦。但是依然存在着缺陷，出现了黄牛党倒票的现象，而且 不能通过i n t e r n e t 访问排队系统，产品升级换代困难等问题o 针对出现的问题，我 们申请了武汉市科技攻关项目。 首先从课题研究背景出发，分析了项目的意义和国内外研究现状，提出了系统 解决方案。整个排队系统被分为服务器和显示窗口，服务器采用搭载l i n u x 操作系 统的a r m 9 平台，显示窗口由a r m 7 控制的l e d 显示矩阵和单片机控制的按键盒 组成。显示屏和按键盒通过服务器进行通信。在这个系统平台上设计客户和工作人 员工作流程，并提出系统的通信帧格式。 其次详细设计显示屏窗口。显示屏选取合适的行列驱动芯片驱动l e d 矩阵， 采用s p i 通信接口负责a r m 7 和l e d 显示矩阵的通信。按键盒则采用单片机读取 外部按键值。显示屏和按键盒均通过r s 2 3 2 串口与服务器通信。在软件方面设计排 队系统的数据结构，根据工作流程设计通信和显示软件模块。 接着构建了a r m 9 和u s b 摄像头为核心的服务器系统。软件方面，在p c 机 上安装l i n u x 操作系统和q t 界面设计软件的交叉编译环境后，设计服务器需要的 数据结构，根据客户工作流程，构建服务器通信帧传输和排队票号管理软件。利用 l i n u x 视频采集标准v 4 l 2 接口采集图像，并在q t 设计的界面上显示出来。 最后启动排队系统，服务器成功采集到图像并显示出来，和服务窗口通信也很 正常，验证了系统设计的正确性。 关键字：排队系统；l i n u x ；v 4 l 2 视频采集；a r m ，嚣、 ： 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , q u e u i n gs y s t e mh a sc h a n g e d d r a m a t i c a l l y q u e u i n gs y s t e mg i v e sp e o p l eg r e a tc o n v e n i e n c e ，e l i m i n a t i n gt h ep a i no f s t a n d i n gl i n e b u tt h e r ea r es t i l ls h o r t c o m i n g s ，f o re x a m p l et h e r ea r es c a l p e r ss c a l p i n g ， a n dn o ta c c e s s i n gt ot h ei n t e r a c t ，a n dd i f f i c u l tt ou p g r a d ep r o d u c t s f o rt h ep r o b l e m s ，w e a p p l yf o rs c i e n t i f i ca n dt e c h n o l o g i c a lp r o j e c t si nw u h a n f i r s t l yf r o mt h er e s e a r c hb a c k g r o u n d ，t h ep a p e ra n a l y z e dt h es i g n i f i c a n c eo ft h e p r o j e c ta n d t h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lr e s e a r c h s t a t u s ，t h e np r o p o s e ds y s t e m s o l u t i o n s t h eq u e u i n gs y s t e mi sd i v i d e di n t ot h es e r v e ra n dt h ed i s p l a yw i n d o w t h e s e r v e ri st h ea r m 9p l a t f o r me q u i p p e dw i t hl i n u xo p e r a t i n gs y s t e m d i s p l a yw i n d o wi s c o m p o s e do fl e dd i s p l a ya n dt h ek e yb o x ，c o n t r o l l e db ya r m 7a n ds c mr e s p e c t i v e l y d i s p l a ya n dk e y p a dc o m m u n i c a t et h r o u g ht h es e r v e r a tl a s tp a p e rd e s i g n e dc l i e n t sa n d s t a f fw o r kf l o w , a n dp r o p o s e df r a m ef o r m a ti nt h i ss y s t e mp l a t f o r m s e c o n d l y , b e g i nd e t a i l e dd e s i g n o ft h e d i s p l a yw i n d o w t h ep a p e rs e l e c tt h e a p p r o p r i a t ed i s p l a yd r i v e rc h i pd r i v i n gl e dm a t r i xr a n k s ，u s i n gs p ic o m m u n i c a t i o n i n t e r f a c ei sr e s p o n s i b l ef o ra r m 7a n dt h el e dd i s p l a ym a t r i xc o m m u n i c a t i o n b u t t o n b o xr e a de x t e r n a l k e y v a l u ew i t hm i c r o c o n t r o l l e r b o t h d i s p l a ya n dk e y sb o x c o m m u n i c a t e 嘶t ht h es e r v e rt h r o u g ht h er s 2 3 2s e r i a lp o r t i nt e r m so fs o f t w a r e ，t h e p a p e rd e s i g nt h ed a t a s t r u c t u r ea n dc o m m u n i c a t i o n sa n dd i s p l a ys o f t w a r em o d u l e a c c o r d i n gt ot h ew o r k f l o w t h i r d l y , c o n s t r u c t et h ea r m 9a n du s bc a m e r ac o r es e r v e rs y s t e m a f t e rl i n u x o p e r a t i n gs y s t e ma n ds o f t w a r ei n t e r f a c ed e s i g n e rq tc r o s s - c o m p i l e re n v i r o n m e n tw a s i n s t a l l e do nt h ep c ，t h ep a p e rd e s i g nd a t as t r u c t u r ea n db u i l ds e r v e rc o m m u n i c a t i o n f r a m et r a n s m i s s i o na n dq u e u i n gt i c k e tn u m b e rm a n a g e m e n ts o f t w a r e ，a c c o r d i n gt ot h e c u s t o m e rw o r k f l o w t h es y s t e mc a p t u r ei m a g eu s i n gs t a n d a r dv 4 li n t e r f a c e ，a n dd i s p l a y a c q u i s i t i o ni m a g ei nq t f i n a l l y , s t a r tq u e u i n gs y s t e m ，s e r v e rs u c c e s s f u l l yc a p t u r e da n dd i s p l a y e dt h ei m a g e ， a n dc o m m u n i c a t i o ni sa l s on o r m a l ，w h i c hv e r i f yt h ec o r r e c t n e s so fs y s t e md e s i g n k e y w o r d s ：q u e u i n gs y s t e m ；l i n u x ；v 4 l 2v i d e oc a p t u r e ；a r m ： 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 目录 摘要i a b s t r a c t 第一章绪论l 1 1 课题研究背景1 1 2 课题研究意义1 1 3 国内外研究现状1 1 4 论文主要内容及结构安排2 第二章智能排队系统概要设计。3 2 1 排队系统框架3 2 1 1 排队系统硬件框架3 2 1 2 排队系统软件框架4 2 1 3 系统通信帧格式4 2 2 排队系统工作流程5 2 2 1 客户工作流程5 2 2 2 工作人员工作流程6 2 2 3 排队票号数据处理流程6 2 3 本章小结6 第三章服务窗口详细设计。 7 3 1 服务窗口构成7 3 2l e d 显示屏整体设计。7 3 2 1 显示屏的硬件架构7 3 2 2 显示屏的软件设计和关键函数1 0 3 3 呼叫终端整体设计1 6 3 - 3 1 呼叫终端硬件框架17 3 3 2 按键盒软件设计18 3 4 本章小结2 1 第四章服务器详细设计2 2 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 4 1 服务器硬件框架2 2 4 1 1 服务器主控芯片。2 2 4 1 2 电源电路2 3 4 1 3s d r a m 2 3 4 1 4f l a s h 存储系统2 3 4 1 5u s b 接口。2 4 4 1 6 串口驱动电路2 5 4 2 服务器软件框架2 5 4 3 交叉编译环境2 5 4 3 1l i n u x 起源、特性及应用领域2 6 4 3 2f e d o r a9 安装2 7 4 3 3l i n u x 操作系统交叉编译环境2 7 4 3 4 裁剪和配置a r ml i n u x 内核2 9 4 3 5q t 移植3 0 4 4 图像采集3 2 4 4 1 摄像头的选型。3 2 4 4 2 图像相关简介3 3 4 4 3v 4 l 2 标准接口3 4 4 4 4 基于v 4 l 2 标准接口的图像采集具体实现3 5 4 5 服务器主程序3 6 4 5 1 数据结构的设计3 7 4 5 2 程序中函数介绍3 8 4 6 服务器图形界面4 0 4 6 1q t 软件系统4 0 4 6 2 服务器界面设计4 1 4 6 3 基于q t 程序的界面实现4 2 4 7 系统测试4 5 4 8 本章小结4 6 第五章总结与展望4 7 5 1 总结4 7 5 2 展望4 7 参考文献 4 8 攻读研究生期间发表论文 5 l 致谢。5 2 ： 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 1 1 课题研究背景 第一章绪论 随着国家经济和i t 技术的飞速发展，排队系统有了质的飞跃。前拥后挤的排 队等候得到了改善，电子排队系统得到了广泛的应用。人们只需要按一下取号键， 就可以得到排队序号，然后安心的等待叫号，接受服务。 然而，伴随着新服务的不断增多，也带来了许多难题。如黄牛党代买票、不能 与互联网通信、产品升级困难、用户界面指示不清楚等，怎样解决这些问题呢? 本文是根据武汉市科技攻关计划项目“嵌入式智能窗口网络管理平台的开发” ( 项目编号：2 0 0 8 1 0 3 2 1 1 3 2 ) 而提出解决方案，采用嵌入式技术研制智能排队叫号 管理系统，解决排队系统中的一些常见问题。 1 2 课题研究意义 本文设计的智能排队系统是基于a r m 9 处理器s a m s u n g s 2 4 4 0 作为主控芯片的 服务器和a r m 7l p c 2 1 3 8 作为主控芯片的l e d 显示屏。a r m 系列处理器在嵌入式 系统应用中占据着举足轻重的地位，得到了很多许多操作系统的支持，如w i n c e ， l i n u x ，v xw o r k s 实时操作系统。由于微软公司的w i n c e 和风河科技的v xw o r k s 都不是对外开源的，我们设计的智能排队系统采用了a r m 处理器+ 开源系统l i n u x 的结构。l i n u x 操作系统支持c c + + 语言和i n t e m e t ，还有许多a p i 函数可以调用。 用户界面设计采用q t 软件设计，界面美观。整个系统无论是开发、扩展和升级软 件都十分容易，彻底解决了以前排队系统升级和扩展的困难，为我们持续添加新功 能更方便。 1 3 国内外研究现状 排队系统技术最早出现在欧美5 0 年代，因其使用方便得到快速普及。刚开始， 在许多营业场所先去排队机取号已成为基本常识。 刚开始，排队是先取一个预先准备好的号，然后轮到该号时，店方再用麦克风 通知客户接受服务。随着电子和计算机技术的发展以及业务越来越复杂，微处理器 和网络被应用到排队系统。人工分配票号改成基于微处理器的服务器自动分配，人 工叫号改成语音叫号，管理方也可以在p c 上通过i n t e m e t 查看现场情况。排队客户 也还可以通过查看l e d 显示屏来确定正在服务号码。管理信息系统也在排队系统 一， 硕士学位论文 m a s t e r 。st h e s i s 中发挥重要的作用，管理方在后台通过分析数据库数据，指导业务【1 1 。 排队理论也得到了广泛的发展，1 9 0 9 年丹麦的电话工程师爱尔郎进行了长期的 工作，取得了随机服务系统理论的最早成果。1 9 4 0 年前后排队理论开始在机器管理 和陆空交通等方面得到应用。1 9 5 1 年理论工作有了更新的发展，逐渐奠定了现代随 机理论服务基础，其服务领域也得到了广泛的应用，如订货问题，可靠性问题，计 算机性能分析与设计等。 在我国，排队系统从近1 0 年开始普及。目前排队产品应用十分广泛，在医院、 银行等许多场合得到充分使用。排队系统不仅缓解客户排队压力，而且还可以得到 正在排队人数，有效地管理时间。对公司而言，排队系统可以提供排队人数、客户 最需要的服务和排队分布时间，公司根据后台管理软件为业务开展提供参考【2 】。 我国也在排队理论利于也做出令人自己的贡献，顾基发研究了带有调度员的服 务系统，韩继业研究了到达依赖于队长的系统的瞬时性态及其最优化问题，徐光辉 与董泽清对矿山装运过程进行了模拟，包括最优分配和总产量计算【3 2 1 。 1 4 论文主要内容及结构安排 第一章简要介绍了智能排队系统的研究背景， 内外发展现状和不足，提出本文的论文结构。 第二章介绍了智能排队系统的整体系统设计， 的硬件和软件设计。 分析了项目研究的意义，概述国 工作原理和流程。深入介绍系统 第三章从软、硬件设计两个方面深入介绍l e d 显示屏的设计。介绍硬件的l e d 的硬件驱动，通信接口。软件方面则具体介绍传输帧的生成、解码和纠错，l e d 显 示屏和服务器的通信。 第四章介绍服务器的实现。介绍服务器处理器和操作系统的选择，l i n u x 操作 系统和q t 软件交叉编译环境的实现和移植。具体介绍系统串口通信数据结构的设 计，通信接口的设计。进而提出u s b 摄像头的图像采集程序，用q t 设计互动界面。 最后对排队系统进行测试，验证设计的正确性。 第五章总结与展望。提出创新点和不足，并设想未来的进一步工作。 2 第二章智能排队系统概要设计 2 1 排队系统框架 本系统采用软件和硬件协同设计的方法，软硬件互相提供开发的平台。了解业 务需要编写系统分析规格说明书，设计出系统体系结构。再分别设计、制作、测试 软件和硬件，最后系统集成测试。 2 1 1 排队系统硬件框架 根据实际需求设计出整个系统的体系结构( 如图2 1 所示) ，整个系统嵌入式由 排队主机服务器和服务窗口组成。服务窗口由l e d 显示屏和按键盒组成。主机服 务器由呼叫终端、视频采集系统、语音设备、打印机等构成。由于最后两者都是技 术成熟的设备，整个硬件设计的重点是排队主机服务器、l e d 显示屏、呼叫终端、 视频采集系统的设计。整个系统内部的通信采用串口通信r s 2 3 2 总线通信方式。每 个服务窗口配备有一个呼叫终端和一个l e d 显示屏，通过串口与排队主机组网， 实现与排队主机服务器的通信【3 1 。 图2 1 系统逻辑框图 2 1 1 1 服务窗口组成 服务窗1 3 由l e d 显示屏和按键盒组成。l e d 显示屏是由a r m 7l p c 2 1 3 8 控制 的1 6 块8 * 8 点阵矩阵，显示内容来自服务器发送的数据。常用的汉字二进制点阵 以数组的形式存储在芯片中，服务器只需要发送相应的数组名给l e d 显示屏， l p c 2 1 3 8 芯片就会将数组内容发送给l e d 矩阵显示出来。 ： 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 2 1 1 2 服务器组成 服务器由a r m 9 作为主芯片的开发板、u s b 摄像头、语音呼叫系统组成。其 中u s b 摄像头和语音呼叫系统是比较成熟的技术，主要从市场直接采购。系统采 用的u s b 摄像头是中芯微z c 3 0 1 控制的c m o s 图像传感器。开发板是以a r m 9 2 4 4 0 芯片为核心c p u 的一个最小系统，还包括电源电路、复位电路、串行接口、 标准j t a g 调试接口、s d 删、n a n df l a s h 和n o rf l a s h 存储系统【4 1 。 2 1 2 排队系统软件框架 系统软件主要由服务器和服务窗口组成。服务器软件由主机服务器系统应用软 件、q t 界面、视频采集软件、网络传输4 个功能模块组成。服务窗口由l e d 显示 屏通信软件、按键盒通信软件五个功能模块软件组成。其中 ( 1 ) 嵌入式排队服务器应用软件包括五个部分：l i n u x 操作系统、串行通信 软件、语音呼叫号。 ( 2 ) l e d 显示屏软件包括传输帧的生成和解码、通信纠错模块，负责主机与 呼叫终端、l e d 条屏的通信。 ( 3 ) 按键盒通信软件包括按键驱动和通信软件。 ( 4 ) 视频采集软件包括重要数据结构、视频数据读取。 ( 5 ) 网络传输软件包括t c p i p 传输模块。 2 1 3 系统通信帧格式 本系统串口通信采用异步传输方式和全双工通信模式。系统通信帧( 如图2 2 所示) 采用2 字节的帧头作为同步字符。传输时紧跟着同步帧头的分别是传输目标 机编码，本机编码，通信命令，数据长度，它们都用1 个字节来标示。后面跟着就 是传输的数据，数据以字节为单位，长度不限，数据的最后1 字节则是校验帧。最 后2 字节的帧尾作为同步传输结束字符。其中通信命令有4 个包括发广播包命令、 查询命令、分配正在服务号命令、按键通知命令1 5 】。 帧头1 l 帧头2l 显霉i 主0l 莩? l 茎据长ln 据位数i 检验帧i 帧尾1l 帧尾2i 地址i 地址l 命令l 度i 据 图2 2 通信帧格式 其中： 帧头1 、2 分别设为0 x e b 、0 x 1 9 ，用途是当设备收到这2 个字节时表示新的一帧 开始传输。 帧头l 、2 分别设为0 x 0 3 、0 x o d ，用途是当设备收到这2 个字节时表示一帧传输 4 石】j i 士学位论文 m a s t e rst h e s i s 结束。 地址：采用1 字节数据来标示，地址范围从0 x 0 0 至0 x f f 。其中0 x 0 0 表示服 务器地址，0 x f f 表示广播帧。呼叫终端采用奇数地址，l e d 显示屏则是同一个窗 口的呼叫终端地址加1 。 帧长度由实际需要系统自行设置，最多可以设置2 5 6 位。 检验帧是对发送数据进行奇偶校验，除了帧头和帧尾。检验帧的值是把除了帧 头和帧尾的数据累加所得的值。接收方接受完帧数据后，把除帧头、帧尾和检验帧 的数据累加所得值，再和检验帧加总，值为o 则接受正确，否则错误。 通信命令包括服务器向呼叫终端发和l e d 显示屏送数据的命令。本系统只设 置四条命令，用户可以在本系统的基础上进行二次开发，更具需要设置更多的命令。 本系统的4 条命令中， 设置了3 条服务器向呼叫终端发送的命令，具体如下： ( 1 ) 广播帧命令：服务器向所有窗口发送正在服务号和最大等待号。本命令 主要是在服务器启动时，对服务窗口的初始化，窗口不需要应答。 ( 2 ) 查询按键命令：服务器向呼叫终端发送呼叫终端地址、正在服务号、最 大等待号，呼叫终端收到帧信息后向服务器发送按键值。 ( 3 ) 分配服务票号：服务器发送新服务号和最大等待号给呼叫终端，呼叫终 端则回应新的服务号和最大等待号。 系统还设置了1 条向l e d 显示屏的命令。 ( 4 ) 呼叫终端按键通知命令：服务器发送同一窗口呼叫终端的正在服务号和 按键值给l e d 显示屏。返回值也为正在服务号和按键值。 2 2 排队系统工作流程 窗口的工作人员开始工作时，通过呼叫终端向服务器发送呼叫请求命令。服务 器实时轮询每个呼叫终端的呼叫信息，并根据查询的结果处理相应的排队队列，响 应请求，把票号分配给给呼叫终端和l e d 显示屏，并驱动语音呼叫系统给出语音 提示：“请xxx 号顾客到xx 号窗口”。 排队系统涉及工作人员、排队客户和系统管理人员，可以简单的将整个工作流 程分成三个具体流程：工作人员工作流、程客户工作流程和管理员工作流程1 7 。 2 2 1 客户工作流程 顾客到达服务大厅后，排队人员只需要在服务器上点击“拍摄”按钮采集图像， 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 再点击“取票号”即可以获得合格的票号。得到自己的服务票号后，到休息位置等候 语音呼叫，同时关注相关l e d 条屏和语音呼叫系统的信息指示，当被叫到自己的 票号时，根据语音提示和l e d 条屏显示信息到相应窗口办事。 2 2 2 工作人员工作流程 工作人员到达指定的窗口后，即可看到呼叫终端上显示的本窗口的最大等待人 数，待准备好服务客户时按下“呼叫”键开始工作，每服务完一个客户后就按“呼叫” 键呼叫下一位顾客。所呼叫客户在规定时间内不到，可以按“重呼”键再次呼叫客户。 当工作人员因故暂停服务时，可以按下呼叫终端的“暂停”按键。 2 2 3 排队票号数据处理流程 根据系统工作流程( 如图图2 3 所示) ，排队系统基本流程图以所要处理的排队 信息为主体，从客户在发号机上按下按键后产生的一条记录开始，给出了数据处理 的整个流程。 2 3 本章小结 图2 3 排队票号数据处理流程 本章在分析社会需求和现有排队系统不足的基础上，概要介绍了排队系统的硬 件和软件设计架构，把整个排队系统功能分成服务器和服务窗口2 块。并提出了排 队系统工作流程，为下一步详细设计打下坚实的基础。 6 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 第三章服务窗口详细设计 3 1 服务窗口构成 服务窗口作为工作人员和客户直接面对面的工作终端，必须同时为工作人员和 客户提供各自相关的信息。工作人员需要正在服务客户的票号和排队总人数，而且 能够呼叫客户的按键终端。客户需要知道服务窗口显示的接受服务的票号。考虑到 绝大多数的工作环境，设计了一块由1 6 块8 * 8 l e d 矩阵组成的l e d 显示屏作为面 向客户的显示终端，为工作人员提供一种由5 块7 段l e d 显示的按键盒。按键盒 以单片机a t 8 9 c 2 0 5 1 为核心c p u t 引。 3 2l e d 显示屏整体设计 3 2 1 显示屏的硬件架构 l e d 条屏( 如图3 1 所示) 采用了基于a r m 7 内核的3 2 位微处理器l p c 2 1 3 8 作为显示屏控制系统的主控芯片，显示屏则采用的1 6 片8 宰8l e d 管，按照4 * 4 矩 阵排列。主控芯片通过s p i 通信接口向显示屏发送数据或者汉字对应的二进制数据， 这些数据以数组的形式存储在主控芯片里。 l e d 显示屏以7 4 h c 4 9 5 3 作为行列驱动管，r s 触发器为列驱动管。与主控芯 片s p i 接口连接是8 位移位寄存器7 4 h c 5 9 5 ，还有三态输出功能。 l e d 显示屏通过串口与排队系统服务器通信，采用m a x 2 3 2 芯片装换电平。 图3 1l e d 显示屏屏框图 7 硕士学位论丈 m a s t e r st h e s i s 3 2 1 1 电源电路 5 v 和3 3 v 电压电源是系统主要的电源( 如图3 2 所示) ，主控芯片l p c 2 1 3 8 、 m a x 2 3 2 和列驱动7 4 h c 5 9 5 采用3 3 v 电源，主控芯片l p c 2 1 3 8 和l e d 行驱动芯 片4 9 5 3 采用5 v 电源。5 v 转3 3 v 采用l m l l l 7 3 3 芯片，稳定性良好。 u 5 3 2 1 2 时钟硬件电路 图3 2 电源电路 l e d 显示屏选用外部晶振主要是外部晶振更加稳定和准确，而且频率更高。时 钟硬件电路( 如图所示3 3 ) 采用2 个3 0 p f 的电容和1 个1 m 的电阻为晶振启动振 动，x t a l l 和x t a l 2 分别与l p c 2 1 3 2 的x t a l l 和x t a l 2 连接起来，就可以为 系统工作提供时钟t 9 j 。 3 2 1 3l e d 点阵驱动电路 图3 3 时钟硬件电路 l e d 点阵驱动电路( 如图3 4 所示) 由列驱动芯片、行驱动芯片、l e d 矩阵、 移位寄存器、r s 触发器组成。列驱动芯片采用4 9 5 3 芯片为1 6 块8 * 8 l e d 矩阵提 供电源，行驱动芯片采用r s 触发器锁定给每一列4 块l e d 矩阵的显示值。l e d 显 8 示屏主控芯片通过s p i 接i z l 传值给每一列l e d 矩阵。通过7 4 h c 5 9 5 作为移位寄存 器，l p c 2 1 3 8 每个时钟把数据依次发给r s 触发器，实现数据的完整显示。 图3 4l e d 点阵驱动电路 9 3 2 1 4r s 2 3 2 驱动电路 r s 2 3 2 驱动电路( 如图3 5 所示) 采用m a x 2 3 2 电平转换芯片实现全双工通信。 a x 2 3 2 芯片电源为3 3 v ，选用1 0 4 电容。p 0 0 t x d 0 为l p c 2 1 3 2 串口通信端输出 端口，p 0 0 r x d 0 为l p c 2 1 3 2 串1 5 1 通信端输入端口。m a x 2 3 2 芯片就是把来自服务 器的输入和输出信号电平转换到l p c 2 1 3 2 接受的电平，分别接输出和输出端口。 图3 5r s 2 3 2 驱动电路 3 2 2 显示屏的软件设计和关键函数 显示屏软件主要实现同服务器的通信和票号的显示。在同服务器通信前需要对 芯片进行初始化，需要初始化g p i o 、串口和s p i 接口等。在接收标志被置位后， 串口u a r t 接收来自服务器的数据，判别接收的数据是否发给本地址以及数据是否正 确。显示屏通信最重要的是通信串口结构体和串1 2 1 传输函数的设计。显示屏主控芯 片将收到的票号通过s p i 接口发送给l e d 矩阵，实现票号显示功能最重要的函数是 s p i 传输函数，包括汉字对应的二进制数组。 3 2 2 1 主程序运行流程 ( 1 ) 显示屏主程序( 如图3 6 所示) 启动后，先初始化g p i o 端1 2 1 ，包括启动串 口0 和串口1 ，设置波特率，设置本机编号，启动看门狗，开中断。初始化l e d 模 块译码器对应的l p c 2 1 3 8 的端口。初始化s p i 工作模式，本机正在服务编号为0 。 经过系统的初始化，显示屏开始巡查，如果正在服务号为0 ，l e d 显示屏则显示“欢 迎光临”；如果按键值是暂停，l e d 显示屏则显示“暂停服务”；如果按键值是呼叫 一位或者重呼，l e d 显示屏则显示正在服务票号。将缓冲区数据清空，喂看门狗， 1 0 石贞士学位论文 m a s t e r st h e s i s 系统重新进入巡查模式1 0 1 。 图3 6l e d 显示屏主程序 ( 2 ) 通信中断程序( 如图3 7 所示) ：当有中断产生后，显示屏读取缓冲区数 据。如果输入数组下标超界，则清零数组下标，退出等待下一次中断。否则查看通 信状态，如果是接受帧头状态，检查接受的数据与帧头是否一致，否则清零数组下 标，退出等待下一次中断。如果一致则数组下标加l ，如果数组下标是帧格式中目 标地址的位置，设置通信状态模式为控制字状态，数组下标加1 ，否则清零数组下 标并退出。新的中断产生，如果通信状态为控制字状态，新接受的数据送到输入数 组中，数组下标加1 ，判断新接受的数据是否为本机地址，是的话则设置通信状态 为c r c 状态，否则清零数组下标并退出。新的中断先判断通信状态，如果是c r c 状态，将数据送入到输入数组中，数组下标加l 。新的中断先判断通信状态，直到 数据域的所有数据接受完毕，通信状态设置为帧尾状态。新的中断先判断通信状态 假如为帧尾状态，新接受的数据送到输入数组中，直到2 个帧尾接受完毕，再判断 帧尾是否正确，如果一致，再判断c r c 位是否正确，如果不一致则清零输入数组 指针。如果正确，则判断帧中命令行是广播帧则向服务器中发现应答信号。如果不 是广播帧，则向服务器发送最大等待号和最大服务号。中断程序结束【l 。 3 2 2 2 数据结构设计 图3 7 通信中断程序 1 2 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s l e d 显示屏通信软件涉及到服务信息、窗口工作模式、通信状态信息。而状态 信息包括本机服务号，最大服务号、最大等待号和业务类型。通信模式包括串口通 信数据位长度、停止位和奇偶校验位。通信状态信息则空闲状态包括未通信状态，接 收帧头状态，接收控制字状态，接收数据和c r c 状态，接收帧尾状态，本次通信 完成。根据系统的需要设计了下面3 个数据结构类型【1 2 1 。 ( 1 ) 服务信息结构体：包括本机服务号，最大服务号，最大等待号 s t r u c ts e r v l n f o u i n t l6u l6 l o c s e r v i n g s n ；本机服务号 u i m l6u 16 m a x s e r v i n g s n ； 最大服务号 u i n t l 6u 1 6 m a x w a i t i n g s n ； 最大等待号 u i n t 8u 8 s e r v t y p e ；业务类型 ； ( 2 ) 通信模式结构体 t y p e d e fs t r u c tu a r t m o d e u i n t 8d a t a b i t ； 字长度，5 6 7 8 可选 u i n t 8s t o p b i t ； 停止位，1 2 可选 u i n t 8p a r i t y b i t ； 奇偶校验位，o - 无校验，1 奇校验，2 偶校验 u a r t m o d e ； ( 3 ) 通信状态结构体 e n u m c o m m s t a t e i d l e ，c o m m _ s t a t _ h e a d ，c o m m s t a t _ c t r l ， c o m m _ s t a t _ d a t a _ c r c ，c o m m _ s t a t _ t a i l ，c o m m _ s t a t _ o v e r ；空闲状态 ( 未通信) ，接收帧头状态，接收控制字状态，接收数据和c r c 状态，接收帧尾状态， 本次通信完成。 ： 硕士学位论文 m a s t e r l st h e s i s 3 2 2 3s p i 传输函数 ( 1 ) s p i 接口初始化函数 v o i d m s p i _ i n i t ( v o i d ) 函数功能：设置s p i 时钟分频，设置s p c r 寄存器即s p i 工作模式，c p h a = 0 ， 数据在s c k 的第一个时钟沿采样。c p o l = l ，s c k 为低有效。m s t r = l ，s p i 处 于主模式。l s b f = 0 ，s p i 数据传输m s b ( 位7 ) 在先。s p i e = 0 ，s p i 中断被禁止。 ( 2 ) s p i 接口数据发送函数 u i n t 8 m s p i _ s e n d d a t a1 ( u i n t 8d a t a ) 函数功能：向s p i 总线发送数据【字模高位在左】。将待发送数据赋给s p i s p d r ， 循环查询( s p i _ s p s r & 0 x s 0 ) ，直至u ( s p i _ s p s r & 0 x 8 0 ) 一1 才会将数据发送完毕。 输入参数：d a t a待发送的数。 ( 3 ) 4 1 6 译码器i o 口初始化函数 v o i dd e c o d e p i o _ i n i t ( v o i d ) 函数功能：4 1 6 译码器i o 口初始化。 ( 4 ) 逐行扫描函数 v o i dc h o i c e r o w ( u i n t 8l i n