工程師分享無線遙控LED廣告牌的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

引言

　　LED廣告牌是一種面向公眾的信息顯示終端，有著非常廣泛的民用和商用價(jià)值。而現(xiàn)在大多數(shù)LED廣告牌顯示的信息都是事先固化在系統(tǒng)中的，這失去了信息的實(shí)時(shí)性，特別不方便用戶更換顯示內(nèi)容；少數(shù)LED廣告牌采用與微機(jī)直接相連，用微機(jī)來傳送信息，這種系統(tǒng)解決了信息刷新問題，但由于有線連接，制約了系統(tǒng)放置的隨意性，特別是對(duì)于面向多地區(qū)多客戶的廣告公司來說，給系統(tǒng)的實(shí)時(shí)更新和維護(hù)帶來了許多不便。文提出了通過手持發(fā)射機(jī)遙控LED廣告牌的新方案，實(shí)現(xiàn)了對(duì)廣告牌內(nèi)容及顯示方式的靈活改變，使用非常方便。該方案以PC機(jī)為上位機(jī)，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)均以單片機(jī)為核心，具有較高的性能價(jià)格比。

　　1 、系統(tǒng)方案

　　1.1 無線遙控方式

　　無線遙控是指實(shí)現(xiàn)對(duì)被控目標(biāo)的非接觸遙遠(yuǎn)控制，在工業(yè)控制、航空航天、家電領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。無線遙控和無線傳輸系統(tǒng)與有線和紅外設(shè)備相比提高了移動(dòng)自由度。由此使無線遙控裝置和無線傳輸系統(tǒng)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越多。相對(duì)電纜連線的優(yōu)點(diǎn)在于安裝成本低（無需布線、不用地下工程、沒有電纜槽），提高了靈活性并降低了維護(hù)成本。

　　要想達(dá)到遙控的目的，就必須通過無線傳輸將需要顯示的信息和控制命令傳送到顯示終端LED屏上。常用的無線傳輸方式有：聲波（超聲波），光波（紅外線）和電波?？紤]到電波傳輸具有以下優(yōu)點(diǎn)：

　　1）傳輸距離比另兩者遠(yuǎn)得多；

　　2）可用的元器件種類豐富，性能也很好，價(jià)格便宜；

　　3）技術(shù)更為成熟。

　　因此，本系統(tǒng)采用電波傳輸。即信息在手持發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間，靠無線電波傳送。

　　高頻無線發(fā)射及接收模塊的性能直接影響到遙控距離與通信質(zhì)量，經(jīng)過多方調(diào)查論證，本系統(tǒng)采用一體化發(fā)射、接收模塊。它的主要優(yōu)點(diǎn)是頻率一致性好，免調(diào)試。

　　1.2 數(shù)據(jù)編碼方式

　　數(shù)據(jù)編碼是指把需要加工處理的數(shù)據(jù)庫(kù)信息，用特寫的數(shù)字來表示的一種技術(shù)，是根據(jù)一定數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和目標(biāo)的定性特征，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為代碼或編碼字符，在數(shù)據(jù)傳輸中表示數(shù)據(jù)組成，并作為傳送、接受和處理的一組規(guī)則和約定。由于計(jì)算機(jī)要處理的數(shù)據(jù)信息十分龐雜，有些數(shù)據(jù)庫(kù)所代表的含義又使人難以記憶。為了便于使用，容易記憶，常常要對(duì)加工處理的對(duì)象進(jìn)行編碼，用一個(gè)編碼符合代表一條信息或一串?dāng)?shù)據(jù)。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼在計(jì)算機(jī)的管理中非常重要，可以方便地進(jìn)行信息分類、校核、合計(jì)、檢索等操作。因此，數(shù)據(jù)編碼就成為計(jì)算機(jī)處理的關(guān)鍵。即不同的信息記錄應(yīng)當(dāng)采用不同的編碼，一個(gè)碼點(diǎn)可以代表一條信息記錄。人們可以利用編碼來識(shí)別每一個(gè)記錄，區(qū)別處理方法，進(jìn)行分類和校核，從而克服項(xiàng)目參差不齊的缺點(diǎn)，節(jié)省存儲(chǔ)空間，提高處理速度。

　　信源的編碼和譯碼在無線通信中是至關(guān)重要的，它可以提高信號(hào)傳輸?shù)目煽啃院陀行?。廣告牌是置于戶外的，其干擾源很多。所以，在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，編碼、解碼的可靠性和抗干擾性是設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵。

　　本系統(tǒng)從無線通信理論入手，對(duì)編碼解碼技術(shù)及其對(duì)系統(tǒng)的影響做了深入的研究，經(jīng)反復(fù)比較，最后選用適合本系統(tǒng)的編碼解碼專用芯片。該模塊還利用碼分多址技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)編碼解碼，最多可提供531441（312）個(gè)地址碼，可以徹底消除任何碼址沖突和非授權(quán)編碼數(shù)據(jù)的干擾。

　　1.3 圖像點(diǎn)陣抽取和移動(dòng)算法

　　圖像點(diǎn)陣的抽取是利用算法計(jì)算出在圖像源數(shù)據(jù)庫(kù)中的偏移地址，從而取出相應(yīng)的點(diǎn)陣數(shù)據(jù)，生成新的顯示數(shù)據(jù)。抽取算法的正確與否直接關(guān)系到顯示圖像的正確性。

　　而圖像移動(dòng)則是利用算法計(jì)算出下一幀數(shù)據(jù)在顯示點(diǎn)陣數(shù)據(jù)庫(kù)中應(yīng)疊加的偏移地址。移動(dòng)算法的正確與否直接關(guān)系到動(dòng)態(tài)圖像或者文字與背景的同步性和現(xiàn)場(chǎng)效果，特別是對(duì)于彩色顯示屏尤為重要。

　　1.4 系統(tǒng)框圖

　　整個(gè)系統(tǒng)由三個(gè)相對(duì)獨(dú)立的子系統(tǒng)組成，即上位機(jī)、手持發(fā)射機(jī)、接收機(jī)和顯示屏系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

　　圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

　　上位機(jī)的任務(wù)是完成顯示信息的錄入和編輯，再經(jīng)過點(diǎn)陣抽取和移動(dòng)算法將顯示信息轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)ED顯示屏對(duì)應(yīng)的點(diǎn)陣數(shù)據(jù)，并通過PC機(jī)的串行口將點(diǎn)陣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到手持發(fā)射機(jī)中。

　　手持發(fā)射機(jī)的作用是將上位機(jī)傳來的點(diǎn)陣數(shù)據(jù)和面板鍵盤上接收到的命令經(jīng)編碼、調(diào)制后，以碼分多址通信方式轉(zhuǎn)發(fā)給戶外的用戶群，并可現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置和調(diào)試顯示屏的顯示格式。

　　接收機(jī)將接收到的高頻信號(hào)經(jīng)放大整形、解調(diào)譯碼后，再并行輸出給單片機(jī)，由單片機(jī)對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別、轉(zhuǎn)存，實(shí)時(shí)改變顯示方式和顯示內(nèi)容，并驅(qū)動(dòng)LED顯示屏。

　　2、硬件配置

　　系統(tǒng)硬件主要有三大部分，即上位機(jī)、手持發(fā)射機(jī)、接收機(jī)和顯示模塊。

　　2.1上位機(jī)

　　上位機(jī)是指人可以直接發(fā)出操控命令的計(jì)算機(jī)，一般是PC，屏幕上顯示各種信號(hào)變化（液壓，水位，溫度等）。下位機(jī)是直接控制設(shè)備獲取設(shè)備狀況的計(jì)算機(jī)，一般是PLC/單片機(jī)之類的。上位機(jī)發(fā)出的命令首先給下位機(jī)，下位機(jī)再根據(jù)此命令解釋成相應(yīng)時(shí)序信號(hào)直接控制相應(yīng)設(shè)備。標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用軟件豐富，接口有很強(qiáng)的通用性，基于PC機(jī)的程序有很強(qiáng)的兼容性和可移植性，性價(jià)比高。

　　由于上位機(jī)系統(tǒng)要完成顯示信息（圖像和文字）的錄入、編輯及動(dòng)畫效果設(shè)計(jì)，因此，除了中心PC機(jī)外還必須配備相應(yīng)的輸入外設(shè)，例如掃描儀、攝像頭、鍵盤等。網(wǎng)絡(luò)（INTERNET）接口也是必不可少的，這樣可以實(shí)現(xiàn)信息的遠(yuǎn)程下載和廣告系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化管理。

　　上位機(jī)系統(tǒng)的組成如圖2所示。

　　圖2 上位機(jī)系統(tǒng)配置框圖

　　2.2 手持發(fā)射機(jī)

　　發(fā)射機(jī)由單片機(jī)、鍵盤、編碼器、發(fā)射器、串行通信接口和UPS供電系統(tǒng)組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

　　圖3 發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)框圖

　　單片機(jī)的作用是將PC機(jī)傳來的圖像點(diǎn)陣或自身EPROM中的圖像點(diǎn)陣暫存在發(fā)射緩沖區(qū)RAM中，再根據(jù)鍵盤的命令串行發(fā)送至編碼器。

　　單片機(jī)選用的是ATMEL公司的89S52，該芯片運(yùn)算速度較快，性能穩(wěn)定，且價(jià)格便宜。

　　鍵盤用于設(shè)定圖像移動(dòng)速度、顯示模式和發(fā)射的通信協(xié)議。

　　編碼器是本系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一，決定了通信的可靠性。該芯片的主要特點(diǎn)有CMOS技術(shù)，低功耗，非常高的噪聲免疫性（多幀同步），最多12位3態(tài)地址引腳（最多可提供312個(gè)地址碼），最多6位數(shù)據(jù)引腳，大范圍的工作電壓，單電阻振蕩器，輸出形式可設(shè)為鎖存或瞬態(tài)。

　　發(fā)射器的作用是將編碼后的數(shù)字信號(hào)調(diào)制到高頻載波上，再經(jīng)功率放大后發(fā)射出去，它決定了手持發(fā)射機(jī)的無線遙控距離。本系統(tǒng)選用了調(diào)制、驅(qū)動(dòng)和發(fā)射一體化模塊。該模塊采用聲表諧振器穩(wěn)頻，SMT樹脂封裝，頻率一致性較好，免調(diào)試，特別適合多發(fā)多收無線遙控及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。而一般的LC振蕩器頻率穩(wěn)定度及一致性較差，即使采用高品質(zhì)微調(diào)電容，溫差變化及振動(dòng)也很難保證已調(diào)好的頻點(diǎn)不會(huì)發(fā)生偏移。

　　采用UPS供電是為了保證手持發(fā)射機(jī)在戶外工作時(shí)，發(fā)射緩沖區(qū)RAM中的數(shù)據(jù)不丟失。因?yàn)?，發(fā)射緩沖區(qū)需要暫存的圖像點(diǎn)陣數(shù)據(jù)量很大，若采用超大容量的非易失性存儲(chǔ)器，如E2PROM，F(xiàn)LASH及FRAM等，不僅成本高，而且采購(gòu)困難，所以系統(tǒng)選用了普通RAM作為緩沖寄存器。

　　2.3 接收機(jī)和顯示模塊

　　接收機(jī)是一個(gè)具有如下組成的電路系統(tǒng)：天線，濾波器，放大器，A/D轉(zhuǎn)換器。GPS衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)航定位信號(hào)，是一種可供無數(shù)用戶共享的信息資源。對(duì)于陸地、 海洋和空間的廣大用戶，只要用戶擁有能夠接收、跟蹤、變換和測(cè)量GPS信號(hào)的接收設(shè)備， 即GPS信號(hào)接收機(jī)，就可以在任何時(shí)候用GPS信號(hào)進(jìn)行導(dǎo)航定位測(cè)量。

　　接收機(jī)和顯示模塊由接收器、譯碼器、單片機(jī)、顯示驅(qū)動(dòng)、LED屏及供電系統(tǒng)組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

　　圖4 接收機(jī)結(jié)構(gòu)框圖

　　接收器將接收到的高頻信號(hào)經(jīng)放大整形后解調(diào)出數(shù)字編碼信號(hào)。我們選用了與發(fā)射模塊相對(duì)應(yīng)的接收解調(diào)一體化模塊。單頻接收機(jī)。單頻接收機(jī)只能接收L1載波信號(hào)，測(cè)定載波相位觀測(cè)值進(jìn)行定位。由于不能有效消除電離層延遲影響，單頻接收機(jī)只適用于短基線（《15km）的精密定位。2、雙頻接收機(jī)。雙頻接收機(jī)可以同時(shí)接收L1，L2載波信號(hào)。利用雙頻對(duì)電離層延遲的不一樣，可以消除電離層對(duì)電磁波信號(hào)的延遲的影響，因此雙頻接收機(jī)可用于長(zhǎng)達(dá)幾千公里的精密定位。該系列模塊采用超外差、二次變頻技術(shù)，并將所有的射頻接收、混頻、濾波、數(shù)據(jù)解調(diào)、放大整形電路全部集成在模塊內(nèi)，功能高度集成化，免去射頻頻率調(diào)試及超再生接收電路的不穩(wěn)定性，具有可靠性高、頻率穩(wěn)定、接收頻率免調(diào)試等特點(diǎn)。

　　譯碼器將數(shù)字編碼信號(hào)譯碼，再并行輸出給單片機(jī)。我們選用的是與編碼相對(duì)應(yīng)的碼分多址串行解碼專用芯片。

　　單片機(jī)負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)的識(shí)別、保存、顯示方式轉(zhuǎn)換。單片機(jī)選用了ATMEL公司的89S52，通用性好，性價(jià)比高。

　　顯示模塊用于顯示廣告信息。該模塊包括LED顯示屏和顯示驅(qū)動(dòng)板，自帶顯示緩沖區(qū)，并以動(dòng)態(tài)掃描方式驅(qū)動(dòng)LED顯示屏，具有功耗低、亮度大等特點(diǎn)。

　　接收顯示系統(tǒng)的供電電源沒有特殊要求，但要留有相當(dāng)裕量并注意通風(fēng)散熱，因?yàn)?，很多LED廣告牌引起的火災(zāi)都是由于供電系統(tǒng)造成的。

　　3、軟件結(jié)構(gòu)

　　本系統(tǒng)的軟件主要由三大模塊組成，即上位機(jī)主控程序、發(fā)射機(jī)主控程序和接收機(jī)主控程序。

　　3.1 上位機(jī)主控程序

　　上位機(jī)主控程序?qū)嶋H上包括顯示信息生成程序、顯示點(diǎn)陣轉(zhuǎn)換程序和串口通信程序，是三大主控程序中結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的一部分。

　　顯示信息生成程序完成顯示圖像和文字的錄入、編輯及動(dòng)畫效果設(shè)計(jì)。該程序首先采用DOS平臺(tái)下的主控程序與底層通信軟件結(jié)合，通過串行及并行通信口完成用戶對(duì)源文件、INTERNET接口及其他輸入設(shè)備的多參數(shù)錄入。

　　顯示點(diǎn)陣轉(zhuǎn)換程序就是將生成的顯示信息通過點(diǎn)陣抽取和移動(dòng)算法將顯示信息轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)ED顯示屏對(duì)應(yīng)的點(diǎn)陣數(shù)據(jù)。對(duì)于彩色顯示屏，需要將圖像信息的RGB三基色數(shù)據(jù)分別抽樣，并分塊存儲(chǔ)、順序轉(zhuǎn)發(fā)；對(duì)于連續(xù)的動(dòng)畫圖像，要按幀分別計(jì)算偏移量，關(guān)鍵是背景圖像與動(dòng)畫文字要同步。該部分的軟件是在TURBOC3.0的環(huán)境下編寫的。

　　串口通信程序則較為簡(jiǎn)單，附屬于點(diǎn)陣轉(zhuǎn)換程序中。

　　限于篇幅和技術(shù)原因，這里僅以PC機(jī)漢字抽取發(fā)送程序?yàn)槔?，敘述其原理和結(jié)構(gòu)。

　　設(shè)終端顯示屏所顯示的是16×16的漢字點(diǎn)陣。所以，要想在終端上顯示廣告信息，必須將該信息所包含的漢字的點(diǎn)陣數(shù)據(jù)傳到終端上。在TURBOC3.0中，將漢字賦值給一個(gè)變量時(shí)，實(shí)際上是將該漢字的區(qū)位碼賦值給這個(gè)變量。每個(gè)漢字都是16×16的點(diǎn)陣，筆劃經(jīng)過的地方為“1”，其余為“0”。這樣，按從上到下，從左到右的順序，一個(gè)漢字由256個(gè)點(diǎn)組成，也就是32個(gè)字節(jié)。漢字按區(qū)位碼的順序排列在漢字字庫(kù)中，區(qū)碼為行，位碼為列，一區(qū)有94位。這樣，某漢字在漢字庫(kù)中的偏移地址為（區(qū)碼×94+位碼）×32.取出后的32字節(jié)漢字點(diǎn)陣，經(jīng)由PC機(jī)的串行口送入到發(fā)射機(jī)中。其流程如圖5所示。

　　圖5 PC機(jī)軟件流程圖

　　3.2 發(fā)射機(jī)主控程序

　　發(fā)射機(jī)主控軟件的功能是通過串行口接收上位PC機(jī)發(fā)送來的圖像點(diǎn)陣，讀取鍵盤命令，并向編碼器串行發(fā)送操作命令或顯示數(shù)據(jù)。

　　該部分的軟件是在KeilC51環(huán)境下編寫的，它可以將C語言直接翻譯成匯編語言，生成二進(jìn)制碼寫入單片機(jī)，這樣編寫效率高一些。串行口觸發(fā)，則表明PC機(jī)有圖像點(diǎn)陣數(shù)據(jù)傳來，單片機(jī)立即接收點(diǎn)陣數(shù)據(jù)存于RAM中；當(dāng)INT0觸發(fā)，表明鍵盤有動(dòng)作，立即接收鍵值判斷命令的類別，并向接收機(jī)發(fā)送圖像點(diǎn)陣數(shù)據(jù)或者操作命令。其功能流程如圖6所示。

　　圖6 發(fā)射機(jī)主控程序流程

　　3.3 接收機(jī)主控程序

　　該部分軟件的功能是完成對(duì)接收數(shù)據(jù)的識(shí)別、存儲(chǔ)、變換和顯示驅(qū)動(dòng)，并可實(shí)現(xiàn)本地本機(jī)的自檢，顯示固化圖像。當(dāng)接收裝置的譯碼芯片有輸出時(shí)，單片機(jī)就中斷當(dāng)前的顯示，接收標(biāo)志字，然后判斷此標(biāo)志字的內(nèi)容，確定將接收的是圖像點(diǎn)陣，還是操作控制命令。若是點(diǎn)陣數(shù)據(jù)，就將其連續(xù)接收存放到一個(gè)顯示緩沖數(shù)據(jù)庫(kù)中，按當(dāng)前的方式顯示。若是命令，則立刻改變顯示方式。

　　其中，關(guān)鍵的是圖像上、下、左、右移動(dòng)的實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)。具體實(shí)現(xiàn)方法如下：

　　1）圖像的上下移動(dòng) ，直到一個(gè)圖像的移完為止；再移下一個(gè)圖像的點(diǎn)陣。上移的過程類似。

　　2）圖像的左右移動(dòng) 將一圖像的每一行數(shù)據(jù)向左移位（使用C語言的移位指令），將移位后的點(diǎn)陣存放于BUF之中，即可顯示。右移的過程類似。

　　接收機(jī)主控程序的功能流程如圖7所示。

　　圖7 接收機(jī)主控程序流程

　　4 、性能測(cè)試

　　系統(tǒng)功能及參數(shù)測(cè)試結(jié)果如下：

　　1）圖像錄入功能 掃描儀、攝像頭、數(shù)碼相機(jī)、圖像源文件；

　　2）文字錄入功能 鍵盤、WORD/TEXT源文件；

　　3）動(dòng)畫設(shè)計(jì)功能 文字或圖形相對(duì)于背景移動(dòng)、縮放；

　　4）發(fā)射機(jī)設(shè)置功能 接收機(jī)序列號(hào)、圖像移動(dòng)命令、自檢命令、發(fā)射命令；

　　5）接收機(jī)自檢功能 顯示藍(lán)草坪背景和“歡迎光臨”移動(dòng)字符；

　　6）發(fā)射機(jī)待機(jī)時(shí)間 ≥120h;

　　7）發(fā)射機(jī)遙控距離 ≥250m;

　　8）發(fā)射機(jī)緩存空間 8MByte;

　　9）LED顯示屏 320×640DIP;

　　10）接收顯示系統(tǒng)功耗 ≤4kW.

　　5、 結(jié)語

　　整機(jī)性能測(cè)試及鑒定結(jié)論如下：

　　1）通過手持發(fā)射機(jī)遙控LED廣告牌，方案新穎，實(shí)用性強(qiáng)，具有較高的市場(chǎng)推廣價(jià)值；

　　2）硬件配置科學(xué)，性能穩(wěn)定，性價(jià)比高；

　　3）軟件結(jié)構(gòu)合理，功能強(qiáng)大，使用方便。