- 無線遙控LED廣告牌的設計
- 系統方案介紹
- 上位機、手持發射機、接收機和顯示模塊設計介紹
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。而現在大多數LED廣告牌顯示的信息都是事先固化在系統中的，這失去了信息的實時性，特別不方便用戶更換顯示內容；少數LED廣告牌采用與微機直接相連，用微機來傳送信息，這種系統解決了信息刷新問題，但由于有線連接，制約了系統放置的隨意性，特別是對于面向多地區多客戶的廣告公司來說，給系統的實時更新和維護帶來了許多不便。本文提出了通過手持發射機遙控LED廣告牌的新方案，實現了對廣告牌內容及顯示方式的靈活改變，使用非常方便。該方案以PC機為上位機，發射機和接收機均以單片機為核心，具有較高的性能價格比。
1 、系統方案
1.1 無線遙控方式
無線遙控是指實現對被控目標的非接觸遙遠控制，在工業控制、航空航天、家電領域應用廣泛。無線遙控和無線傳輸系統與有線和紅外設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在工業領域的應用越來越多。相對電纜連線的優點在于安裝成本低（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成本。
要想達到遙控的目的，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。考慮到電波傳輸具有以下優點：
1）傳輸距離比另兩者遠得多；
2）可用的元器件種類豐富，性能也很好，價格便宜；
3）技術更為成熟。
因此，本系統采用電波傳輸。即信息在手持發射機和接收機之間，靠無線電波傳送。
高頻無線發射及接收模塊的性能直接影響到遙控距離與通信質量，經過多方調查論證，本系統采用一體化發射、接收模塊。它的主要優點是頻率一致性好，免調試。
1.2 數據編碼方式
數據編碼是指把需要加工處理的數據庫信息，用特寫的數字來表示的一種技術，是根據一定數據結構和目標的定性特征，將數據轉換為代碼或編碼字符，在數據傳輸中表示數據組成，并作為傳送、接受和處理的一組規則和約定。由于計算機要處理的數據信息十分龐雜，有些數據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行編碼，用一個編碼符合代表一條信息或一串數據。對數據進行編碼在計算機的管理中非常重要，可以方便地進行信息分類、校核、合計、檢索等操作。因此，數據編碼就成為計算機處理的關鍵。即不同的信息記錄應當采用不同的編碼，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，區別處理方法，進行分類和校核，從而克服項目參差不齊的缺點，節省存儲空間，提高處理速度。
信源的編碼和譯碼在無線通信中是至關重要的，它可以提高信號傳輸的可靠性和有效性。廣告牌是置于戶外的，其干擾源很多。所以，在本系統的設計中，編碼、解碼的可靠性和抗干擾性是設計成敗的關鍵。
本系統從無線通信理論入手，對編碼解碼技術及其對系統的影響做了深入的研究，經反復比較，最后選用適合本系統的編碼解碼專用芯片。該模塊還利用碼分多址技術進行數據編碼解碼，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編碼數據的干擾。
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據庫中的偏移地址，從而取出相應的點陣數據，生成新的顯示數據。抽取算法的正確與否直接關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據在顯示點陣數據庫中應疊加的偏移地址。移動算法的正確與否直接關系到動態圖像或者文字與背景的同步性和現場效果，特別是對于彩色顯示屏尤為重要。[page]
1.4 系統框圖
整個系統由三個相對獨立的子系統組成，即上位機、手持發射機、接收機和顯示屏系統。其結構框圖如圖1所示。
手持發射機的作用是將上位機傳來的點陣數據和面板鍵盤上接收到的命令經編碼、調制后，以碼分多址通信方式轉發給戶外的用戶群，并可現場設置和調試顯示屏的顯示格式。
接收機將接收到的高頻信號經放大整形、解調譯碼后，再并行輸出給單片機，由單片機對接收數據進行識別、轉存，實時改變顯示方式和顯示內容，并驅動LED顯示屏。
2、硬件配置
系統硬件主要有三大部分，即上位機、手持發射機、接收機和顯示模塊。
2.1上位機
上位機是指人可以直接發出操控命令的計算機，一般是PC，屏幕上顯示各種信號變化（液壓，水位，溫度等）。下位機是直接控制設備獲取設備狀況的計算機，一般是PLC/ 單片機之類的。上位機發出的命令首先給下位機，下位機再根據此命令解釋成相應時序信號直接控制相應設備。標準應用軟件豐富，接口有很強的通用性，基于PC機的程序有很強的兼容性和可移植性，性價比高。
由于上位機系統要完成顯示信息（圖像和文字）的錄入、編輯及動畫效果設計，因此，除了中心PC機外還必須配備相應的輸入外設，例如掃描儀、攝像頭、鍵盤等。網絡（INTERNET）接口也是必不可少的，這樣可以實現信息的遠程下載和廣告系統的網絡化管理。
上位機系統的組成如圖2所示。
2.2 手持發射機
發射機由單片機、鍵盤、編碼器、發射器、串行通信接口和UPS供電系統組成，其結構框圖如圖3所示。
單片機的作用是將PC機傳來的圖像點陣或自身EPROM中的圖像點陣暫存在發射緩沖區RAM中，再根據鍵盤的命令串行發送至編碼器。
單片機選用的是ATMEL公司的89S52，該芯片運算速度較快，性能穩定，且價格便宜。
鍵盤用于設定圖像移動速度、顯示模式和發射的通信協議。[page]
編碼器是本系統的關鍵部件之一，決定了通信的可靠性。該芯片的主要特點有CMOS技術，低功耗，非常高的噪聲免疫性（多幀同步），最多12位3態地址引腳（最多可提供312個地址碼），最多6位數據引腳，大范圍的工作電壓，單電阻振蕩器，輸出形式可設為鎖存或瞬態。
發射器的作用是將編碼后的數字信號調制到高頻載波上，再經功率放大后發射出去，它決定了手持發射機的無線遙控距離。本系統選用了調制、驅動和發射一體化模塊。該模塊采用聲表諧振器穩頻，SMT樹脂封裝，頻率一致性較好，免調試，特別適合多發多收無線遙控及數據傳輸系統。而一般的LC 振蕩器頻率穩定度及一致性較差，即使采用高品質微調電容，溫差變化及振動也很難保證已調好的頻點不會發生偏移。
采用UPS供電是為了保證手持發射機在戶外工作時，發射緩沖區RAM中的數據不丟失。因為，發射緩沖區需要暫存的圖像點陣數據量很大，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，所以系統選用了普通RAM作為緩沖寄存器。
2.3 接收機和顯示模塊
接收機是一個具有如下組成的電路系統：天線，濾波器，放大器，A/D轉換器。GPS衛星發送的導航定位信號，是一種可供無數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信號的接收設備， 即GPS信號接收機，就可以在任何時候用GPS信號進行導航定位測量。
接收機和顯示模塊由接收器、譯碼器、單片機、顯示驅動、LED屏及供電系統組成，其結構框圖如圖4所示。
接收器將接收到的高頻信號經放大整形后解調出數字編碼信號。我們選用了與發射模塊相對應的接收解調一體化模塊。單頻接收機。單頻接收機只能接收L1 載波信號，測定載波相位觀測值進行定位。由于不能有效消除電離層延遲影響，單頻接收機只適用于短基線（《15km）的精密定位。2、雙頻接收機。雙頻接收機可以同時接收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，因此雙頻接收機可用于長達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，并將所有的射頻接收、混頻、濾波、數據解調、放大整形電路全部集成在模塊內，功能高度集成化，免去射頻頻率調試及超再生接收電路的不穩定性，具有可靠性高、頻率穩定、接收頻率免調試等特點。
譯碼器將數字編碼信號譯碼，再并行輸出給單片機。我們選用的是與編碼相對應的碼分多址串行解碼專用芯片。
單片機負責接收數據的識別、保存、顯示方式轉換。單片機選用了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顯示屏和顯示驅動板，自帶顯示緩沖區，并以動態掃描方式驅動LED顯示屏，具有功耗低、亮度大等特點。
接收顯示系統的供電電源沒有特殊要求，但要留有相當裕量并注意通風散熱，因為，很多LED廣告牌引起的火災都是由于供電系統造成的。
3、軟件結構
本系統的軟件主要由三大模塊組成，即上位機主控程序、發射機主控程序和接收機主控程序。
3.1 上位機主控程序
上位機主控程序實際上包括顯示信息生成程序、顯示點陣轉換程序和串口通信程序，是三大主控程序中結構最復雜的一部分。
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接口及其他輸入設備的多參數錄入。
顯示點陣轉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換為LED顯示屏對應的點陣數據。對于彩色顯示屏，需要將圖像信息的RGB三基色數據分別抽樣，并分塊存儲、順序轉發；對于連續的動畫圖像，要按幀分別計算偏移量，關鍵是背景圖像與動畫文字要同步。該部分的軟件是在TURBOC3.0的環境下編寫的。
串口通信程序則較為簡單，附屬于點陣轉換程序中。
限于篇幅和技術原因，這里僅以PC機漢字抽取發送程序為例，敘述其原理和結構。
設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據傳到終端上。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位碼賦值給這個變量。每個漢字都是16×16的點陣，筆劃經過的地方為“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。漢字按區位碼的順序排列在漢字字庫中，區碼為行，位碼為列，一區有94位。這樣，某漢字在漢字庫中的偏移地址為（區碼×94+位碼）×32.取出后的32字節漢字點陣，經由PC機的串行口送入到發射機中。其流程如圖5所示。
[page]3.2 發射機主控程序
發射機主控軟件的功能是通過串行口接收上位PC機發送來的圖像點陣，讀取鍵盤命令，并向編碼器串行發送操作命令或顯示數據。
該部分的軟件是在KeilC51環境下編寫的，它可以將C語言直接翻譯成匯編語言，生成二進制碼寫入單片機，這樣編寫效率高一些。串行口觸發，則表明PC機有圖像點陣數據傳來，單片機立即接收點陣數據存于RAM中；當INT0觸發，表明鍵盤有動作，立即接收鍵值判斷命令的類別，并向接收機發送圖像點陣數據或者操作命令。其功能流程如圖6所示。
3.3 接收機主控程序
該部分軟件的功能是完成對接收數據的識別、存儲、變換和顯示驅動，并可實現本地本機的自檢，顯示固化圖像。當接收裝置的譯碼芯片有輸出時，單片機就中斷當前的顯示，接收標志字，然后判斷此標志字的內容，確定將接收的是圖像點陣，還是操作控制命令。若是點陣數據，就將其連續接收存放到一個顯示緩沖數據庫中，按當前的方式顯示。若是命令，則立刻改變顯示方式。
其中，關鍵的是圖像上、下、左、右移動的實時實現。具體實現方法如下：
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據向左移位（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。
接收機主控程序的功能流程如圖7所示。
4 、性能測試
系統功能及參數測試結果如下：
1）圖像錄入功能 掃描儀、攝像頭、數碼相機、圖像源文件；
2）文字錄入功能 鍵盤、WORD/TEXT源文件；
3）動畫設計功能 文字或圖形相對于背景移動、縮放；
4）發射機設置功能 接收機序列號、圖像移動命令、自檢命令、發射命令；
5）接收機自檢功能 顯示藍草坪背景和“歡迎光臨”移動字符；
6）發射機待機時間 ≥120h;
7）發射機遙控距離 ≥250m;
8）發射機緩存空間 8MByte;
9）LED顯示屏 320×640DIP;
10）接收顯示系統功耗 ≤4kW.
5、 結語
整機性能測試及鑒定結論如下：
1）通過手持發射機遙控LED廣告牌，方案新穎，實用性強，具有較高的市場推廣價值；
2）硬件配置科學，性能穩定，性價比高；
3）軟件結構合理，功能強大，使用方便。
