智能LED廣告牌設計

0 引言

LED廣告牌是一種面向公眾的信息顯示終端，有著(zhù)非常廣泛的民用和商用價(jià)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(shí)時(shí)性，特別不方便用戶(hù)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(lái)傳送信息，這種系統解決了信息刷新問(wèn)題，但由于有線(xiàn)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(hù)的廣告公司來(lái)說(shuō)，給系統的實(shí)時(shí)更新和維護帶來(lái)了許多不便。文提出了通過(guò)手持發(fā)射機遙控LED廣告牌的新方案，實(shí)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(fā)射機和接收機均以單片機為核心，具有較高的性能價(jià)格比。

1 系統方案

1.1 無(wú)線(xiàn)遙控方式

無(wú)線(xiàn)遙控是指實(shí)現對被控目標的非接觸遙遠控制，在工業(yè)控制、航空航天、家電領(lǐng)域應用廣泛。無(wú)線(xiàn)遙控和無(wú)線(xiàn)傳輸系統與有線(xiàn)和紅外設備相比提高了移動(dòng)自由度。由此使無(wú)線(xiàn)遙控裝置和無(wú)線(xiàn)傳輸系統在工業(yè)領(lǐng)域的應用越來(lái)越多。相對電纜連線(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)在于安裝成本低（無(wú)需布線(xiàn)、不用地下工程、沒(méi)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(guò)無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)傳輸方式有：聲波（超聲波），光波（紅外線(xiàn)）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得多；

2）可用的元器件種類(lèi)豐富，性能也很好，價(jià)格便宜；

3）技術(shù)更為成熟。

因此，本系統采用電波傳輸。即信息在手持發(fā)射機和接收機之間，靠無(wú)線(xiàn)電波傳送。

高頻無(wú)線(xiàn)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(guò)多方調查論證，本系統采用一體化發(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(xiě)的數字來(lái)表示的一種技術(shù)，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(jìn)行編碼，用一個(gè)編碼符合代表一條信息或一串數據。對數據進(jìn)行編碼在計算機的管理中非常重要，可以方便地進(jìn)行信息分類(lèi)、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(guān)鍵。即不同的信息記錄應當采用不同的編碼，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(lái)識別每一個(gè)記錄，區別處理方法，進(jìn)行分類(lèi)和校核，從而克服項目參差不齊的缺點(diǎn)，節省存儲空間，提高處理速度。

信源的編碼和譯碼在無(wú)線(xiàn)通信中是至關(guān)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(hù)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(guān)鍵。

本系統從無(wú)線(xiàn)通信理論入手，對編碼解碼技術(shù)及其對系統的影響做了深入的研究，經(jīng)反復比較，最后選用適合本系統的編碼解碼專(zhuān)用芯片。該模塊還利用碼分多址技術(shù)進(jìn)行數據編碼解碼，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編碼數據的干擾。

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算出在圖像源數據庫中的偏移地址，從而取出相應的點(diǎn)陣數據，生成新的顯示數據。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)則是利用算法計算出下一幀數據在顯示點(diǎn)陣數據庫中應疊加的偏移地址。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場(chǎng)效果，特別是對于彩色顯示屏尤為重要。

1.4 系統框圖

整個(gè)系統由三個(gè)相對獨立的子系統組成，即上位機、手持發(fā)射機、接收機和顯示屏系統。其結構框圖如圖1所示。

上位機的任務(wù)是完成顯示信息的錄入和編輯，再經(jīng)過(guò)點(diǎn)陣抽取和移動(dòng)算法將顯示信息轉換為L(cháng)ED顯示屏對應的點(diǎn)陣數據，并通過(guò)PC機的串行口將點(diǎn)陣數據轉存到手持發(fā)射機中。

手持發(fā)射機的作用是將上位機傳來(lái)的點(diǎn)陣數據和面板鍵盤(pán)上接收到的命令經(jīng)編碼、調制后，以碼分多址通信方式轉發(fā)給戶(hù)外的用戶(hù)群，并可現場(chǎng)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(jīng)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(jìn)行識別、轉存，實(shí)時(shí)改變顯示方式和顯示內容，并驅動(dòng)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(fā)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(fā)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(lèi)的。上位機發(fā)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(shí)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?xún)r(jià)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(dòng)畫(huà)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(pán)等。網(wǎng)絡(luò )（INTERNET）接口也是必不可少的，這樣可以實(shí)現信息的遠程下載和廣告系統的網(wǎng)絡(luò )化管理。

上位機系統的組成如圖2所示。

圖2 上位機系統配置框圖

2.2 手持發(fā)射機

發(fā)射機由單片機、鍵盤(pán)、編碼器、發(fā)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。

圖3 發(fā)射機結構框圖

單片機的作用是將PC機傳來(lái)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RAM中，再根據鍵盤(pán)的命令串行發(fā)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(jià)格便宜。

鍵盤(pán)用于設定圖像移動(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(tài)。

發(fā)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(jīng)功率放大后發(fā)射出去，它決定了手持發(fā)射機的無(wú)線(xiàn)遙控距離。本系統選用了調制、驅動(dòng)和發(fā)射一體化模塊。該模塊采用聲表諧振器穩頻，SMT樹(shù)脂封裝，頻率一致性較好，免調試，特別適合多發(fā)多收無(wú)線(xiàn)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(zhì)微調電容，溫差變化及振動(dòng)也很難保證已調好的頻點(diǎn)不會(huì )發(fā)生偏移。

采用UPS供電是為了保證手持發(fā)射機在戶(hù)外工作時(shí)，發(fā)射緩沖區RAM中的數據不丟失。因為，發(fā)射緩沖區需要暫存的圖像點(diǎn)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(gè)具有如下組成的電路系統：天線(xiàn)，濾波器，放大器，A/D轉換器。GPS衛星發(fā)送的導航定位信號，是一種可供無(wú)數用戶(hù)共享的信息資源。對于陸地、 海洋和空間的廣大用戶(hù)，只要用戶(hù)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(shí)候用GPS信號進(jìn)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(dòng)、LED屏及供電系統組成，其結構框圖如圖4所示。

　圖4 接收機結構框圖

接收器將接收到的高頻信號經(jīng)放大整形后解調出數字編碼信號。我們選用了與發(fā)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(guān)測值進(jìn)行定位。由于不能有效消除電離層延遲影響，單頻接收機只適用于短基線(xiàn)（15km）的精密定位。2、雙頻接收機。雙頻接收機可以同時(shí)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(cháng)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(shù)，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(diǎn)。

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(zhuān)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?xún)r(jià)比高。

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

接收顯示系統的供電電源沒(méi)有特殊要求，但要留有相當裕量并注意通風(fēng)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(fā)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(shí)際上包括顯示信息生成程序、顯示點(diǎn)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(dòng)畫(huà)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(guò)串行及并行通信口完成用戶(hù)對源文件、INTERNET接口及其他輸入設備的多參數錄入。

顯示點(diǎn)陣轉換程序就是將生成的顯示信息通過(guò)點(diǎn)陣抽取和移動(dòng)算法將顯示信息轉換為L(cháng)ED顯示屏對應的點(diǎn)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(fā)；對于連續的動(dòng)畫(huà)圖像，要按幀分別計算偏移量，關(guān)鍵是背景圖像與動(dòng)畫(huà)文字要同步。該部分的軟件是在TURBOC3.0的環(huán)境下編寫(xiě)的。

串口通信程序則較為簡(jiǎn)單，附屬于點(diǎn)陣轉換程序中。

限于篇幅和技術(shù)原因，這里僅以PC機漢字抽取發(fā)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(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)陣數據傳到終端上。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(guò)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。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(diǎn)陣，經(jīng)由PC機的串行口送入到發(fā)射機中。其流程如圖5所示。

圖5 PC機軟件流程圖

3.2 發(fā)射機主控程序

發(fā)射機主控軟件的功能是通過(guò)串行口接收上位PC機發(fā)送來(lái)的圖像點(diǎn)陣，讀取鍵盤(pán)命令，并向編碼器串行發(fā)送操作命令或顯示數據。

該部分的軟件是在KeilC51環(huán)境下編寫(xiě)的，它可以將C語(yǔ)言直接翻譯成匯編語(yǔ)言，生成二進(jìn)制碼寫(xiě)入單片機，這樣編寫(xiě)效率高一些。串行口觸發(fā)，則表明PC機有圖像點(diǎn)陣數據傳來(lái)，單片機立即接收點(diǎn)陣數據存于RAM中；當INT0觸發(fā)，表明鍵盤(pán)有動(dòng)作，立即接收鍵值判斷命令的類(lèi)別，并向接收機發(fā)送圖像點(diǎn)陣數據或者操作命令。其功能流程如圖6所示。

圖6 發(fā)射機主控程序流程

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(dòng)，并可實(shí)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(shí)，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(diǎn)陣，還是操作控制命令。若是點(diǎn)陣數據，就將其連續接收存放到一個(gè)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(guān)鍵的是圖像上、下、左、右移動(dòng)的實(shí)時(shí)實(shí)現。具體實(shí)現方法如下：

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(guò)程類(lèi)似。

2）圖像的左右移動(dòng) 將一圖像的每一行數據向左移位（使用C語(yǔ)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(guò)程類(lèi)似。

接收機主控程序的功能流程如圖7所示。

圖7 接收機主控程序流程

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(pán)、WORD/TEXT源文件；

3）動(dòng)畫(huà)設計功能 文字或圖形相對于背景移動(dòng)、縮放；

4）發(fā)射機設置功能 接收機序列號、圖像移動(dòng)命令、自檢命令、發(fā)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(dòng)字符；

6）發(fā)射機待機時(shí)間 ≥120h;

7）發(fā)射機遙控距離 ≥250m;

8）發(fā)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(yǔ)

整機性能測試及鑒定結論如下：

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

2）硬件配置科學(xué)，性能穩定，性?xún)r(jià)比高；

3）軟件結構合理，功能強大，使用方便。