矿用本安型点阵拼接屏的研制

为提高煤矿井下信息发布终端适应性和灵活性，采用LED点阵显示技术结合GB3836.4本安电路设计要求开发矿用本安型LED单元板，其显示面积为160×320mm2，单元板功耗控制在20W以内且采用本安电源进行独立供电，根据实际显示面积需求无缝拼接成矿用本安型LED点阵拼接屏。此外，开发屏控制器和上位机软件实现对拼接屏的显示控制，具有USB、以太网、WIFI和语音播报等功能，可以通过本地手持终端或上位机软件进行远程发送显示内容。该方案具有适用范围广、应用灵活等优点，特别适合应用于煤矿井下信息发布。

矿用LED显示屏矿作为煤矿井下信息发布终端，具有发布日常信息、危险指示、安全警示教育等常规功能，如遇到紧急情况还可以向井下发布逃生救援引导信息，解决煤矿地面与井下信息高度不对称的问题。

目前，矿用LED显示屏通常采用以下两种方案：小尺寸本安LED显示屏、大尺寸隔爆型LED显示屏，采用显示面积固定的解决方案无法根据应用现场显示面积需求进行自由拼接适用性不足，大多采用USB接口通过U盘更新显示内容。本文研制一种横竖自由无缝拼接的矿用LED拼接屏、本地可通过手持终端更新显示内容、远程可以通过煤矿局域网更新显示内容，具有显示面积自由组合、更新显示内容手段丰富等优点，解决了现有矿用LED显示屏存在的问题并提高了煤矿井下信息发布效率。

1 总体方案

矿用本安型LED点阵拼接屏主要包括LED单元板和屏控制器两部分组成，矿用隔爆兼本安型电源箱为拼接屏提供8路本 安电源，每个电源箱最大可为8块LED单元板供电，显示面积达1280×320mm2，可以通过增加电源箱继续增大显示面积，屏控制器集成蓝牙功能本地可以通过防爆手持终端更新显示内容、集成以太网接口远程上位机可以通过矿井环网向拼接屏发送显示内容，具有显示面积扩展灵活、信息发布效率高等优点，矿用本安型LED点阵拼接屏应用于煤矿信息发布框图如图1所示。

2 电路设计

2.1 LED单元板电路设计

图1 矿用本安型LED点阵拼接屏应用结构图

根据GB3836.4对本质安全电路设计规范要求，LED单元板采用5V供电并将功耗控制在20W以下，LED单元板像素间距10mm、尺寸160×320mm2、单元板分辨率16×32，可以显示2个汉字。通过列驱动和控制电路、行驱动和控制电路对每个LED进行通断控制，实现对信息发布内容进行文字和图形的显示。列驱动采用74HC595移位缓存器进行控制32列需要用4片，行控制器采用译码器74LS138和行驱动管74HC4953，其中74LS138需要2片、74HC4953需要4片，此外LED单元板为方便级联设计有2个输入输出接口，LED单元板结构如图2所示。

图2 LED单元板结构图

2.2 核心控制器选型及wifi电路设计

根据煤矿井下信息发布需求，拼接屏控制器用于对拼接屏行和列通断控制实现文字、数字以及图形显示，为提高其发布信息灵活性除需具备USB接口，还需要开发以太网、WIFI以及语音播报功能，通过矿井环网接入局域网实现上位机发布显示内容、WIFI直连实现本地手持终端发布显示内容。控制器选用STM32F103单片机作为核心控制器，STM23单片机具有丰富的I/O口资源和丰富的通讯功能，采用输入数据扫描方式控制LED行和列驱动控制。

随着井下防爆手持终端包括本安型手机和本安型平板电脑投入使用，为丰富拼接屏信息发布手段、提高发布灵活性，控制器电路集成了ESP8266芯片，该芯片支持softAP模式即无线热点模式作为WIFI热点使用，通过串口与SMT32F103通信，通过该芯片即可实现煤矿井下通过防爆手持终端随时随地更新拼接屏显示内容，大大的提高了信息发布效率，ESP8366芯片外围电路如图3所示。

图3 ESP8366芯片外围电路

2.3 电源端口本安电路设计

图4 电源端口本安电路设计

LED单元板和控制器均采用5V供电，根据GB3836.4本安电路设计要求了解对PCB板电子元器件电容和电感值没有限值，系统采用12V本安电源供电，在电源模块之前做限流保护、转换之后做三重限压保护，以确保符合本安电路设计规则以及通过火花试验，电源端口本安电路如图4所示。

3 软件设计

3.1 屏控制器软件设计

屏控制器主要给LED拼接屏发送使能、始终、行控制、数据以及锁存等信号，本系统采用1/4扫描方式动态显示发布信息，即对一个16×16字库显示，每次需要送入4行的控制信号，即每次点亮4行LED信号。信号源有三种方式：本地U盘、以太网通讯以及WIFI通讯三种方式，优先级WIFI＞以太网通讯＞本地U盘。拼接屏控制器软件控制流程如图5所示。

文章来源：《微电子学与计算机》 网址: http://www.wdzxyjsjzz.cn/qikandaodu/2021/0223/488.html