基于SIM300的無(wú)線LED顯示屏控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)目前LED 點(diǎn)陣顯示屏的廣泛應(yīng)用以及GPRS 網(wǎng)絡(luò)全國(guó)覆蓋的優(yōu)勢(shì)， 提出基于GPRS技術(shù)的無(wú)線LED 顯示屏控制系統(tǒng)方案。詳細(xì)介紹控制系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、軟硬件設(shè)計(jì)過(guò)程和通信協(xié)議的制定。此設(shè)計(jì)在多LED 顯示屏組網(wǎng)控制，而LED 屏又分布范圍較廣時(shí)優(yōu)勢(shì)較明顯，可以拓寬LED 顯示屏的應(yīng)用領(lǐng)域，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

0 引言

隨著LED 技術(shù)的發(fā)展與提高，大型LED 顯示屏已廣泛應(yīng)用于各類公共場(chǎng)所，用于顯示文字、圖形、視頻圖像等多媒體信息。在城市信息現(xiàn)代化建設(shè)中，LED 顯示屏成為現(xiàn)代信息傳播的重要媒體之一。隨著戶外LED 屏數(shù)量的劇增和使用范圍的擴(kuò)大，對(duì)LED 顯示屏的管理與控制提出了新的要求。

1 系統(tǒng)工作原理

本系統(tǒng)主要由上位機(jī)和下位機(jī)組成。上位機(jī)為安裝有LED 屏管理軟件而且能連接Internet 或GPRS 網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備，例如PC、移動(dòng)設(shè)備等。下位機(jī)為以AVR 單片機(jī)控制模塊為主的LED 屏無(wú)線控制器。系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示。
 

系統(tǒng)主要利用GPRS 模塊作為無(wú)線Modem, 實(shí)現(xiàn)了LED 顯示屏無(wú)線控制器（作為客戶端）撥號(hào)上網(wǎng)，與Internet 網(wǎng)絡(luò)上的上位機(jī)（作為服務(wù)端）進(jìn)行TCP 無(wú)線通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，完成對(duì)LED 屏的無(wú)線數(shù)據(jù)更新。

2 下位機(jī)硬件設(shè)計(jì)

如圖2 所示，LED 屏無(wú)線控制器主要由四部分組成： 電源模塊、GPRS 模塊、AVR 單片機(jī)控制模塊、LED顯示屏。

2.1 AVR 單片機(jī)控制模塊

為了保證通信數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和效率， 又能兼顧驅(qū)動(dòng)LED 顯示屏， 所以本模塊采用的MCU 是擁有雙串口的ATMEL 公司的ATmega 162.它是一款基于AVRRISC 的低功耗CMOS 的8 位單片機(jī)，其穩(wěn)定性、可靠性非常高， 能適應(yīng)各種環(huán)境， 適用于各種不同的無(wú)線LED 顯示屏使用環(huán)境。

本模塊主要處理GPRS 模塊接收到的信息， 并將接收到的屏顯信息傳送給LED 屏，同時(shí)通過(guò)串口發(fā)出AT 指令監(jiān)視GPRS 模塊是否有新消息。一旦有，立刻進(jìn)入串口中斷，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。在TCP/IP 協(xié)議下，數(shù)據(jù)采用十六進(jìn)制的方式傳輸，不需要進(jìn)行漢字解碼，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)外圍電路的設(shè)計(jì)。

2.2 GPRS 模塊電路

GPRS 模塊采用了SIMCOM 公司的SIM300.該模塊體積小巧，性能突出，可廣泛應(yīng)用于無(wú)線語(yǔ)音傳輸、車載系統(tǒng)、遠(yuǎn)程抄表、安全監(jiān)控、遙控遙測(cè)、手持設(shè)備等領(lǐng)域。

SIM300 模塊具有功能完備的系統(tǒng)接口，在內(nèi)部集成了TCP/IP 協(xié)議棧，擴(kuò)展了TCP/IP AT 指令，可以通過(guò)串口對(duì)其提供的AT 指令進(jìn)行交互操作。這樣可以降低開發(fā)難度，易于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，而且成本較低，系統(tǒng)的可擴(kuò)展性好。

SIM300 需要外接SIM 卡卡座，其串口與單片機(jī)的串口相連，將GPRS 模塊接收到的信息傳送給單片機(jī)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。而AVR 單片機(jī)則控制SIM300 模塊的開關(guān)，AVR 單片機(jī)與SIM300 模塊的連接示意圖如圖3 所示。

2.3 LED 屏驅(qū)動(dòng)電路

本系統(tǒng)的LED 條屏采用比較經(jīng)典的74HC595 作為點(diǎn)陣輸出的列驅(qū)動(dòng)，采用ULN2803 作為行驅(qū)動(dòng)。此方案的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)軟硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，而且功耗低、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、占用的I/O 口線較少，是一種造價(jià)低廉、應(yīng)用靈活的設(shè)計(jì)方案。

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3 通信協(xié)議設(shè)計(jì)

由于本系統(tǒng)采用了GPRS 網(wǎng)絡(luò)的通信模式， 所以上位機(jī)設(shè)置一個(gè)LED 控制器管理平臺(tái)來(lái)管理所有的LED 控制器。這個(gè)LED 控制器管理平臺(tái)（即"上位機(jī)軟件"）通過(guò)TCP/IP 協(xié)議與LED 屏無(wú)線控制器進(jìn)行通信，而且可以同時(shí)控制多臺(tái)。上位機(jī)軟件與LED 屏無(wú)線控制器之間采用GPRS 方式進(jìn)行連接， 它們之間的連接關(guān)系如圖4 所示。

LED 屏無(wú)線控制器是客戶端， 其數(shù)據(jù)的收發(fā)通過(guò)上位機(jī)軟件控制。當(dāng)LED 屏控制器上電運(yùn)行后，會(huì)主動(dòng)向上位機(jī)軟件建立連接并握手，登錄成功后，上位機(jī)軟件與LED 控制器才能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

上位機(jī)軟件與各LED 屏無(wú)線控制器之間通信協(xié)議是以TCP 協(xié)議為基礎(chǔ)協(xié)議， 并自定義了一個(gè)STCP協(xié)議層用于封裝PDU（數(shù)據(jù)單元）數(shù)據(jù)層協(xié)議。STCP 協(xié)議層只為PDU 的承載框架， 提供安全可靠的傳輸過(guò)程。通信網(wǎng)絡(luò)層結(jié)構(gòu)圖如圖5 所示。

圖5 通信網(wǎng)絡(luò)層結(jié)構(gòu)圖

在自定義的STCP 通信協(xié)議中，制定了一系列管理無(wú)線LED 顯示屏控制器的通信指令，主要為上位機(jī)軟件的編程提供具體的通信結(jié)構(gòu)和規(guī)范。通信包格式如表1所示：

表1 通信包格式

注：

完整數(shù)據(jù)長(zhǎng)度： 整型字節(jié)（4 個(gè)字節(jié)長(zhǎng)度），整個(gè)通信包的長(zhǎng)度；

命令字： 根據(jù)無(wú)線LED 顯示屏控制器通信指令表，見(jiàn)表2;

顯式控制字： 0-無(wú)；1-上移；2-下移；3-左移；4-右移；5-靜止；6-閃爍；7-刪除；

數(shù)據(jù)內(nèi)容：需要顯示信息內(nèi)容；

校驗(yàn)和： 全部數(shù)據(jù)累加校驗(yàn)和；

根據(jù)無(wú)線LED 顯示屏控制器實(shí)際運(yùn)用需要，制定了發(fā)送、刪除、顯示、連接、斷開指令等。這些指令的代碼和主要作用如表2 所示。

表2 通信指令表

上位機(jī)軟件通過(guò)Internet 網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到無(wú)線LED 顯示屏控制器后，LED 顯示屏控制器需要對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。根據(jù)指令的不同，可以控制LED 顯示屏的顯示內(nèi)容及顯示模式（例如上移、下移、左移、右移、靜止、閃爍、刪除等）。

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4 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括兩部分： 上位機(jī)軟件和AVR 單片機(jī)的控制程序。上位機(jī)軟件完成與GPRS 模塊的通信， 控制LED 顯示屏上顯示的數(shù)據(jù)信息；AVR單片機(jī)的控制軟件主要完成系統(tǒng)初始化，GPRS 網(wǎng)絡(luò)連接，接收上位機(jī)發(fā)送的信息，分析接收信息內(nèi)容，完成指令， 并按需將發(fā)布信息轉(zhuǎn)換為點(diǎn)陣信息， 送到LED顯示屏進(jìn)行顯示。

4.1 AVR 單片機(jī)的控制程序

AVR 單片機(jī)的控制程序主要完成以下功能：連接GPRS 網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)傳輸、控制LED 屏顯示。

（1）初始化系統(tǒng)及SIM300 模塊，連接GPRS 網(wǎng)絡(luò)；（2）依照顯示屏控制器與上位機(jī)的通信協(xié)議，與上位機(jī)通信握手，接收指令，解析指令，并將顯示數(shù)據(jù)等信息存儲(chǔ)與處理；（3）通過(guò)串口驅(qū)動(dòng)LED 屏，進(jìn)行信息的顯示等。

下面簡(jiǎn)單介紹SIM300 模塊與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)TCP/IP無(wú)線通信流程。

　　AT+CGDCONT=1,"IP","CMNET" --注冊(cè)中國(guó)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)

　　OK

　　AT+CGCLASS? --顯示GPRS 信息移動(dòng)的類型

　　+CGCLASS: "B"

　　OK

　　AT+CGATT? --GPRS 服務(wù)附加/分離

　　+CGATT: 1

　　OK

　　AT+CGACT=1,1 --環(huán)境激活

　　OK

　　AT +CIPSTART = "TCP","202.196.87.7","2020" -- 啟動(dòng)

　　TCP 連接（上位機(jī)IP 地址及端口號(hào)）

　　OK

　　CONNECT OK --連接成功

　　AT+CIPSEND --通過(guò)TCP 發(fā)送數(shù)據(jù)

　　> HELLO

　　SEND OK --發(fā)送成功

4.2 上位機(jī)軟件

本系統(tǒng)的上位機(jī)軟件主要采用VC 設(shè)計(jì)一個(gè)通信界面，實(shí)現(xiàn)與LED 遠(yuǎn)程控制器通信。用戶界面部分采用MFC 框架基于Dialog 實(shí)現(xiàn)。在利用Visual C++進(jìn)行通過(guò)TCP/IP 協(xié)議網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)開發(fā)時(shí)， 采用IOCP 框架來(lái)實(shí)現(xiàn)Windows Socket 的完成端口模型。

IOCP 即I/O 完成端口（I/O Completion Port），是一個(gè)異步I/O 的API,它可以高效地將I/O 事件通知給應(yīng)用程序。一個(gè)套接字在被創(chuàng)建后，與一個(gè)完成端口進(jìn)行關(guān)聯(lián)。當(dāng)一個(gè)事件發(fā)生的時(shí)候，此完成端口就將被操作系統(tǒng)加入一個(gè)隊(duì)列中， 然后應(yīng)用程序可以對(duì)核心層進(jìn)行查詢以得到此完成端口。當(dāng)某項(xiàng)I/O 操作一旦完成， 某個(gè)可以對(duì)該操作結(jié)果進(jìn)行處理的工作線程就會(huì)收到一則通知。在此應(yīng)用程序中創(chuàng)建一定數(shù)量的工作線程來(lái)處理重疊I/O 請(qǐng)求的通知。

IOCP 框架的啟動(dòng)流程如圖6 所示。

IOCP 框架的實(shí)現(xiàn)步驟如下：

（1）初始化Winsock 工作環(huán)境，并創(chuàng)建完成端口，創(chuàng)建完成端口線程，建立一個(gè)監(jiān)聽(tīng)套接字，使套接字與完成端口關(guān)聯(lián)起來(lái)；

（2）監(jiān)聽(tīng)套接字開始工作，當(dāng)監(jiān)聽(tīng)套接字接收到客戶端TCP 的連接請(qǐng)求時(shí)，IOCP 會(huì)獲取并處理該消息，創(chuàng)建對(duì)應(yīng)的Socket 對(duì)象進(jìn)行接收處理，完成連接工作；

（3）當(dāng)客戶端完成TCP 連接后，可以開始數(shù)據(jù)通信，由I/O 線程來(lái)負(fù)責(zé)分發(fā)I/O 請(qǐng)求，通過(guò)線程池來(lái)分配邏輯處理環(huán)境；

（4）在接收數(shù)據(jù)后，將微軟提供的一個(gè)I/O 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（WSAOVERLAPPED）進(jìn)行擴(kuò)展，完成協(xié)議解析和數(shù)據(jù)處理。

此外，這里的線程池只是一個(gè)管理隊(duì)列，用于處理線程資源的管理， 用最少的線程完成最大業(yè)務(wù)邏輯的處理。真正執(zhí)行的線程函數(shù)也不完成詳細(xì)的業(yè)務(wù)處理，僅僅完成對(duì)I/O 請(qǐng)求的再調(diào)用，而由虛函數(shù)實(shí)現(xiàn)I/O 請(qǐng)求的再處理。

為了提高軟件的友好性， 框架采用Windows 的消息機(jī)制，與UI 進(jìn)行交互，通過(guò)窗口消息將框架的相關(guān)信息傳遞給UI 窗口。因此在框架中保留了一個(gè)指針成員， 并在需要的時(shí)候通過(guò)該指針調(diào)用消息響應(yīng)函數(shù)向窗口發(fā)送消息，UI 根據(jù)消息反映框架的運(yùn)行信息。

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)近年來(lái)GSM/GPRS 數(shù)據(jù)通信技術(shù)等發(fā)展的趨勢(shì)，本文提出了基于GPRS 網(wǎng)絡(luò)的、使用低成本SIM300模塊的無(wú)線LED 屏控制器的設(shè)計(jì)方案， 該系統(tǒng)利用TCP/IP 協(xié)議實(shí)現(xiàn)了基于GPRS 網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線數(shù)據(jù)的傳送。上位機(jī)將文字或圖片信息數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS 網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程LED 屏終端， 也可以接收客戶端發(fā)送的數(shù)據(jù)，再根據(jù)數(shù)據(jù)的內(nèi)容相應(yīng)地完成各種命令，控制LED屏顯示相應(yīng)的信息。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)測(cè)試取得了良好的效果。