智能LED廣告牌設(shè)計

0 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，這失去了信息的實時性，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，特別是對于面向多地區(qū)多客戶的廣告公司來說，給系統(tǒng)的實時更新和維護(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，實現(xiàn)了對廣告牌內(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，具有較高的性能價格比。

1 系統(tǒng)方案

1.1 無線遙控方式

無線遙控是指實現(xiàn)對被控目標(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。相對電纜連線的優(yōu)點在于安裝成本低（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：

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。由于計算機(jī)要處理的數(shù)據(jù)信息十分龐雜，有些數(shù)據(jù)庫所代表的含義又使人難以記憶。為了便于使用，容易記憶，常常要對加工處理的對象進(jìn)行編碼，用一個編碼符合代表一條信息或一串?dāng)?shù)據(jù)。對數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼在計算機(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、檢索等操作。因此，數(shù)據(jù)編碼就成為計算機(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，一個碼點可以代表一條信息記錄。人們可以利用編碼來識別每一個記錄，區(qū)別處理方法，進(jìn)行分類和校核，從而克服項目參差不齊的缺點，節(jié)省存儲空間，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，它可以提高信號傳輸?shù)目煽啃院陀行浴V告牌是置于戶外的，其干擾源很多。所以，在本系統(tǒng)的設(shè)計中，編碼、解碼的可靠性和抗干擾性是設(shè)計成敗的關(guān)鍵。

本系統(tǒng)從無線通信理論入手，對編碼解碼技術(shù)及其對系統(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 圖像點陣抽取和移動算法

圖像點陣的抽取是利用算法計算出在圖像源數(shù)據(jù)庫中的偏移地址，從而取出相應(yīng)的點陣數(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。

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

1.4 系統(tǒng)框圖

整個系統(tǒng)由三個相對獨立的子系統(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。

上位機(jī)的任務(wù)是完成顯示信息的錄入和編輯，再經(jīng)過點陣抽取和移動算法將顯示信息轉(zhuǎn)換為LED顯示屏對應(yīng)的點陣數(shù)據(jù)，并通過PC機(jī)的串行口將點陣數(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)對接收數(shù)據(jù)進(jìn)行識別、轉(zhuǎn)存，實時改變顯示方式和顯示內(nèi)容，并驅(qū)動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)出操控命令的計算機(jī)，一般是PC,屏幕上顯示各種信號變化（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)時序信號直接控制相應(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、編輯及動畫效果設(shè)計，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)傳來的圖像點陣或自身EPROM中的圖像點陣暫存在發(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,該芯片運算速度較快，性能穩(wěn)定，且價格便宜。

鍵盤用于設(shè)定圖像移動速度、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，溫差變化及振動也很難保證已調(diào)好的頻點不會發(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，發(fā)射緩沖區(qū)RAM中的數(shù)據(jù)不丟失。因為，發(fā)射緩沖區(qū)需要暫存的圖像點陣數(shù)據(jù)量很大，若采用超大容量的非易失性存儲器，如E2PROM,FLASH及FRAM等，不僅成本高，而且采購困難，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，是一種可供無數(shù)用戶共享的信息資源。對于陸地、 海洋和空間的廣大用戶，只要用戶擁有能夠接收、跟蹤、變換和測量GPS信號的接收設(shè)備， 即GPS信號接收機(jī)，就可以在任何時候用GPS信號進(jìn)行導(dǎo)航定位測量。

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、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經(jīng)放大整形后解調(diào)出數(shù)字編碼信號。我們選用了與發(fā)射模塊相對應(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，測定載波相位觀測值進(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)可以同時接收L1,L2載波信號。利用雙頻對電離層延遲的不一樣，可以消除電離層對電磁波信號的延遲的影響，因此雙頻接收機(jī)可用于長達(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。

譯碼器將數(shù)字編碼信號譯碼，再并行輸出給單片機(jī)。我們選用的是與編碼相對應(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)動板，自帶顯示緩沖區(qū)，并以動態(tài)掃描方式驅(qū)動LED顯示屏，具有功耗低、亮度大等特點。

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，因為，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、編輯及動畫效果設(shè)計。該程序首先采用DOS平臺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源文件、INTERNET接口及其他輸入設(shè)備的多參數(shù)錄入。

顯示點陣轉(zhuǎn)換程序就是將生成的顯示信息通過點陣抽取和移動算法將顯示信息轉(zhuǎn)換為LED顯示屏對應(yīng)的點陣數(shù)據(jù)。對于彩色顯示屏，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、順序轉(zhuǎn)發(fā)；對于連續(xù)的動畫圖像，要按幀分別計算偏移量，關(guān)鍵是背景圖像與動畫文字要同步。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單，附屬于點陣轉(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)送程序為例，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陣數(shù)據(jù)傳到終端上。在TURBOC3.0中，將漢字賦值給一個變量時，實際上是將該漢字的區(qū)位碼賦值給這個變量。每個漢字都是16×16的點陣，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，一個漢字由256個點組成，也就是32個字節(jié)。漢字按區(qū)位碼的順序排列在漢字字庫中，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)有圖像點陣數(shù)據(jù)傳來，單片機(jī)立即接收點陣數(shù)據(jù)存于RAM中；當(dāng)INT0觸發(fā)，表明鍵盤有動作，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接收數(shù)據(jù)的識別、存儲、變換和顯示驅(qū)動，并可實現(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，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陣，還是操作控制命令。若是點陣數(shù)據(jù)，就將其連續(xù)接收存放到一個顯示緩沖數(shù)據(jù)庫中，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、右移動的實時實現(xiàn)。具體實現(xiàn)方法如下：

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

2）圖像的左右移動 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 性能測試

系統(tǒng)功能及參數(shù)測試結(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）動畫設(shè)計功能 文字或圖形相對于背景移動、縮放；

4）發(fā)射機(jī)設(shè)置功能 接收機(jī)序列號、圖像移動命令、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字符；

6）發(fā)射機(jī)待機(jī)時間 ≥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，實用性強(qiáng)，具有較高的市場推廣價值；

2）硬件配置科學(xué)，性能穩(wěn)定，性價比高；

3）軟件結(jié)構(gòu)合理，功能強(qiáng)大，使用方便。