LED 顯示屏網(wǎng)絡(luò)直連的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

引言

　　在LED 顯示屏工程應(yīng)用中，顯示屏一般在出廠前要做好參數(shù)配置、調(diào)試、點(diǎn)亮，并做節(jié)目測(cè)試，否則由于現(xiàn)場(chǎng)條件限制，這些工作很難開(kāi)展。在做調(diào)試和節(jié)目測(cè)試時(shí)，可通過(guò)串口和網(wǎng)口進(jìn)行通信，而隨著網(wǎng)絡(luò)普及和速度的提升，網(wǎng)絡(luò)通信方式被更多的用戶采用，即用戶通過(guò)集線器或網(wǎng)絡(luò)直連的方式與顯示屏通信。其中通過(guò)集線器，PC 機(jī)和顯示屏IP 可不在同一個(gè)網(wǎng)段；而網(wǎng)絡(luò)直連時(shí)，PC 機(jī)和顯示屏的IP 地址必須在同一個(gè)網(wǎng)段。不管采用哪一種方法，都必須知道兩者的IP 地址才能進(jìn)行通信。但在調(diào)試過(guò)程中，由于LED 控制卡太多、放置時(shí)間太長(zhǎng)或由不同的人進(jìn)行配置，有時(shí)用戶可能不知道顯示屏的IP 地址，這樣就很難開(kāi)展工作了。另外，出廠配置的IP 地址和現(xiàn)場(chǎng)安裝的IP 地址可能不一樣，并且現(xiàn)場(chǎng)安裝的顯示屏IP 地址由于用戶千差萬(wàn)別，其IP 地址段也不一樣。這樣一來(lái)，在調(diào)試過(guò)程中，需要反復(fù)修改顯示屏或PC 機(jī)的IP 地址，帶來(lái)很大的工作量。因此，基于應(yīng)用中的這些問(wèn)題，有用戶提出能否采用網(wǎng)絡(luò)直連的方式，無(wú)需知道LED 顯示屏的IP 地址，也不用修改PC 機(jī)的IP 就可實(shí)現(xiàn)PC 機(jī)與LED 顯示屏網(wǎng)絡(luò)通信，讓用戶更方便地調(diào)試LED 顯示屏。通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研，有些軟件聲稱實(shí)現(xiàn)了LED 顯示屏網(wǎng)絡(luò)直連的方式，但在具體實(shí)現(xiàn)上并不能令人滿意，例如穩(wěn)定性、可靠性和時(shí)效性等方面并不如意。經(jīng)過(guò)研究，本文提出一種新的網(wǎng)絡(luò)直連的方法，可以很好地解決這些問(wèn)題，讓用戶方便、可靠、高效地調(diào)試顯示屏。

　　1 主要功能需求分析和模型構(gòu)建

　　對(duì)于網(wǎng)絡(luò)直連，硬件如圖1 所示，用網(wǎng)絡(luò)直連線將PC 機(jī)和顯示屏連接起來(lái)，然后手動(dòng)設(shè)置它們的IP 地址在同一個(gè)網(wǎng)段，即可進(jìn)行通信了。

　　但采用這種方式，如果事先不知道顯示屏的IP地址，將很難進(jìn)行通信。為了達(dá)到不知道顯示屏IP地址也能實(shí)現(xiàn)PC 機(jī)與顯示屏直連通信的目的，可借助DHCP 服務(wù)原理來(lái)解決：即設(shè)置LED 顯示屏為某固定IP 地址的DHCP 服務(wù)器，設(shè)置PC 機(jī)網(wǎng)卡為自動(dòng)獲取IP 地址的方式，通過(guò)DHCP 服務(wù)功能，自動(dòng)配置PC 機(jī)的網(wǎng)卡IP 地址，這樣網(wǎng)絡(luò)連接通道就建立了。有些開(kāi)發(fā)商就采用這種方式實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)直連，但這種方法存在一些問(wèn)題：其一，由于UDP 通信為不連接通信，其通信可靠性要差一些，容易失敗；其二，只能通過(guò)操作系統(tǒng)自帶的系統(tǒng)完成，沒(méi)有干預(yù)，用戶不能設(shè)置超時(shí)，有時(shí)等待時(shí)間太長(zhǎng)，最長(zhǎng)為60 秒；其三，DHCP 為固定IP 方式，在實(shí)際應(yīng)用中顯然不太好；其四，退出系統(tǒng)時(shí)，不能恢復(fù)PC 機(jī)原有的網(wǎng)卡配置信息。

　　基于此，經(jīng)過(guò)研究，本文提出一種新的網(wǎng)絡(luò)直連方法，可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)直連、自動(dòng)獲取IP 地址以及實(shí)現(xiàn)PC 機(jī)網(wǎng)卡配置信息保存和恢復(fù)等功能，克服當(dāng)前實(shí)現(xiàn)方法的不足，提高可靠性、穩(wěn)定性和時(shí)效性等各方面性能，其系統(tǒng)模型如圖2 所示，主要功能和工作流程如下：

　　（1）啟動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，檢索、訪問(wèn)PC 機(jī)的所有網(wǎng)卡，并保存其網(wǎng)卡配置信息，供退出系統(tǒng)時(shí)恢復(fù)；（2）啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)直連進(jìn)程；（3）廣播IP 地址請(qǐng)求數(shù)據(jù)包；（4）返回IP 地址數(shù)據(jù)包；（5）解包，獲取PC 機(jī)和LED 顯示屏的IP 地址，設(shè)置PC 機(jī)的IP 地址；（6）返回LED 顯示屏的IP 地址，關(guān)閉網(wǎng)絡(luò)直連，完成通信通道的建立；（7）建立PC 機(jī)和LED 顯示屏的通信通道后，即可對(duì)顯示屏進(jìn)行讀/ 寫參數(shù)、發(fā)送節(jié)目、開(kāi)關(guān)屏等通信控制操作；（8）退出系統(tǒng)時(shí)，根據(jù)（1）保存的網(wǎng)卡配置信息，恢復(fù)PC 機(jī)網(wǎng)卡的原始狀態(tài)。

　　在以上流程中，（2）～（6） 是核心過(guò)程，它模擬DHCP 服務(wù)，實(shí)現(xiàn)PC 機(jī)廣播請(qǐng)求IP 地址，獲取PC機(jī)IP 地址并設(shè)置，上傳LED 顯示屏IP 地址，完成網(wǎng)絡(luò)直連通道的建立，是進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)直連操作時(shí)必做的步驟；（1）和（8）是啟動(dòng)和退出系統(tǒng)時(shí)所做的保存PC機(jī)網(wǎng)卡配置信息和恢復(fù)網(wǎng)卡配置信息操作；（7）是在完成網(wǎng)絡(luò)直連通道后進(jìn)行的顯示屏控制的一般操作。本文重點(diǎn)介紹前兩者。

　　2 關(guān)鍵功能的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

　　2.1 保存PC 機(jī)網(wǎng)卡配置信息

　　用來(lái)調(diào)試顯示屏的PC 機(jī)，一般是一機(jī)多用，在調(diào)試顯示屏的同時(shí)，還用來(lái)辦公、上網(wǎng)，其網(wǎng)卡IP 地址可能是固定的或自動(dòng)獲取的。在做網(wǎng)絡(luò)直連時(shí)，可能會(huì)改變其IP 地址，為了不影響用戶的工作，退出時(shí)需要自動(dòng)恢復(fù)其IP 地址。而要做到這一點(diǎn)，可在啟動(dòng)LED 控制軟件時(shí)，讀取當(dāng)前網(wǎng)卡配置信息，如IP 地址、網(wǎng)卡名、MAC 地址、網(wǎng)卡類型、是否是自動(dòng)配置IP 地址等等，將這些信息放入一個(gè)鏈表中保存，同時(shí)設(shè)置一個(gè)標(biāo)識(shí)，記錄用戶在調(diào)試顯示屏的過(guò)程中，是否使用過(guò)網(wǎng)絡(luò)直連操作，待退出系統(tǒng)時(shí)使用。

　　在Windows 操作系統(tǒng)中，可使用IP Helper 接口來(lái)讀取網(wǎng)卡信息，它是一套用于管理本地網(wǎng)絡(luò)設(shè)置的API，通過(guò)它使用IP_ADAPTER_INFO 結(jié)構(gòu)，可以方便地提取上述網(wǎng)卡配置信息，保存到鏈表中。

　　2.2 借鑒DHCP 服務(wù)原理，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)直連通道

　　要實(shí)現(xiàn)PC 機(jī)和LED 顯示屏網(wǎng)絡(luò)直連通信，必須解決兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：其一，讓PC 機(jī)和LED 顯示屏在同一個(gè)網(wǎng)段；其二，知道LED 顯示屏的IP 地址。

　　除此之外，還要解決多網(wǎng)卡、無(wú)線網(wǎng)卡對(duì)網(wǎng)絡(luò)直連的干擾等現(xiàn)象。借鑒DHCP 原理，主要解決思路如下：

　　（1）在PC 機(jī)端設(shè)計(jì)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)直連控制進(jìn)程；（2） 需要網(wǎng)絡(luò)直連時(shí)， 啟動(dòng)該進(jìn)程， 通過(guò)Windows 相關(guān)網(wǎng)絡(luò)API 函數(shù)和注冊(cè)表信息，確定與LED 顯示屏連接的非無(wú)線網(wǎng)卡，將其MAC 地址放入構(gòu)建請(qǐng)求IP 地址的UDP 數(shù)據(jù)包中，然后廣播出去，同時(shí)啟動(dòng)內(nèi)部UDP 包捕獲子進(jìn)程；（3）LED 顯示屏收到請(qǐng)求IP 地址的UDP 包后，根據(jù)本身IP 地址，構(gòu)造一個(gè)PC 機(jī)的IP 地址，將其廣播出去，為了不引起混亂，這里構(gòu)建的是偽DHCP 包，正常的Windows 客戶端收到該UDP 包時(shí)，并不會(huì)自動(dòng)改變其IP 地址；（4）網(wǎng)絡(luò)直連控制進(jìn)程的UDP 包捕獲子進(jìn)程接收到分配的IP 地址的UDP 包后，解包得到PC機(jī)的IP 地址和LED 顯示屏的IP 地址；（5）設(shè)置PC 機(jī)網(wǎng)卡IP 地址，上傳LED 顯示屏的IP 地址給控制軟件，成功后，關(guān)閉網(wǎng)絡(luò)直連控制進(jìn)程，完成網(wǎng)絡(luò)直連通道的建立。

　　這個(gè)網(wǎng)絡(luò)直連的過(guò)程涉及三個(gè)系統(tǒng)：（1）網(wǎng)絡(luò)直連控制進(jìn)程，它構(gòu)建請(qǐng)求IP 地址UDP 數(shù)據(jù)包并廣播出去，同時(shí)監(jiān)控目標(biāo)網(wǎng)卡的68 端口，捕獲返回的UDP 數(shù)據(jù)包，解析出PC 機(jī)的IP 地址和LED 顯示屏的IP 地址，然后設(shè)置PC 機(jī)的IP 地址，將LED顯示屏的IP 地址提交給主進(jìn)程，完成網(wǎng)絡(luò)直連的任務(wù)；（2）LED 顯示屏DHCP 服務(wù)子進(jìn)程，它接收PC機(jī)的IP 地址請(qǐng)求，構(gòu)建并設(shè)置自身IP 地址，并返回PC 機(jī)的IP 地址的偽DHCP 包；（3）LED 控制軟件，當(dāng)用戶選擇網(wǎng)絡(luò)直連方式時(shí)，啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)直連控制子進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)直接通道的建立，完成后，關(guān)閉該進(jìn)程。

　　2.3 恢復(fù)PC 機(jī)網(wǎng)卡的配置信息

　　退出系統(tǒng)時(shí)，根據(jù)2.1 保存的是否使用過(guò)網(wǎng)絡(luò)直連的標(biāo)識(shí)進(jìn)行判斷，如果沒(méi)有使用過(guò)網(wǎng)絡(luò)直連方式，則無(wú)需執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)IP 恢復(fù)功能；否則將執(zhí)行恢復(fù)功能，還原2.1 保存的網(wǎng)卡配置，恢復(fù)網(wǎng)卡IP 地址可使用netsh interface ip set 命令。同時(shí)，為了加快處理速度并提高成功率，可按禁用網(wǎng)卡、設(shè)置網(wǎng)卡IP地址、再啟用網(wǎng)卡的步驟實(shí)施：

　?。?）使用Windows 的SetupAPI 相關(guān)接口API函數(shù)禁用目標(biāo)網(wǎng)卡；（2）恢復(fù)目標(biāo)網(wǎng)卡IP 設(shè)置，根據(jù)靜態(tài)IP 地址和動(dòng)態(tài)IP 地址，分別用不同的命令：

　　a. 恢復(fù)靜態(tài)IP 地址命令。

　　a. 恢復(fù)靜態(tài)IP 地址命令

　　netsh interface ip set address name=“本地連接”

　　source=STatic addr=192.168.1.19 mask=255.

　　255.255.0 gateway=nONe

　　b. 恢復(fù)動(dòng)態(tài)IP 地址命令。

　　netsh interface ip set address“本地連接”dhcp

　?。?）使用SetupAPI 相關(guān)接口API 函數(shù)啟用目標(biāo)網(wǎng)卡，這樣就完成了網(wǎng)卡配置信息的恢復(fù)。

　　3 結(jié)論

　　本文針對(duì)LED 顯示屏調(diào)試過(guò)程中對(duì)網(wǎng)絡(luò)直連的需求，提出一種網(wǎng)絡(luò)直連的方法，系統(tǒng)在啟動(dòng)時(shí)自動(dòng)保存網(wǎng)卡配置信息，使用網(wǎng)絡(luò)直連進(jìn)程構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)直連通道，退出系統(tǒng)時(shí)自動(dòng)恢復(fù)網(wǎng)卡配置信息，使用戶無(wú)需知道LED 顯示屏的IP 地址，也不用修改PC機(jī)的IP 地址，便可實(shí)現(xiàn)PC 機(jī)與LED 顯示屏的網(wǎng)絡(luò)通信。該方法在LED 導(dǎo)航者軟件中使用，其可靠性、穩(wěn)定性和時(shí)效性得到了用戶的認(rèn)可，取得了良好的效果。實(shí)踐證明，該方法可為類似的應(yīng)用提供一種可供借鑒的解決方案。