LED 顯示屏網(wǎng)絡(luò)直連的設(shè)計與實現(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、點亮，并做節(jié)目測試，否則由于現(xiàn)場條件限制，這些工作很難開展。在做調(diào)試和節(jié)目測試時，可通過串口和網(wǎng)口進行通信，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，即用戶通過集線器或網(wǎng)絡(luò)直連的方式與顯示屏通信。其中通過集線器，PC 機和顯示屏IP 可不在同一個網(wǎng)段；而網(wǎng)絡(luò)直連時，PC 機和顯示屏的IP 地址必須在同一個網(wǎng)段。不管采用哪一種方法，都必須知道兩者的IP 地址才能進行通信。但在調(diào)試過程中，由于LED 控制卡太多、放置時間太長或由不同的人進行配置，有時用戶可能不知道顯示屏的IP 地址，這樣就很難開展工作了。另外，出廠配置的IP 地址和現(xiàn)場安裝的IP 地址可能不一樣，并且現(xiàn)場安裝的顯示屏IP 地址由于用戶千差萬別，其IP 地址段也不一樣。這樣一來，在調(diào)試過程中，需要反復(fù)修改顯示屏或PC 機的IP 地址，帶來很大的工作量。因此，基于應(yīng)用中的這些問題，有用戶提出能否采用網(wǎng)絡(luò)直連的方式，無需知道LED 顯示屏的IP 地址，也不用修改PC 機的IP 就可實現(xiàn)PC 機與LED 顯示屏網(wǎng)絡(luò)通信，讓用戶更方便地調(diào)試LED 顯示屏。通過市場調(diào)研，有些軟件聲稱實現(xiàn)了LED 顯示屏網(wǎng)絡(luò)直連的方式，但在具體實現(xiàn)上并不能令人滿意，例如穩(wěn)定性、可靠性和時效性等方面并不如意。經(jīng)過研究，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 機和顯示屏連接起來，然后手動設(shè)置它們的IP 地址在同一個網(wǎng)段，即可進行通信了。

　　但采用這種方式，如果事先不知道顯示屏的IP地址，將很難進行通信。為了達(dá)到不知道顯示屏IP地址也能實現(xiàn)PC 機與顯示屏直連通信的目的，可借助DHCP 服務(wù)原理來解決：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 機網(wǎng)卡為自動獲取IP 地址的方式，通過DHCP 服務(wù)功能，自動配置PC 機的網(wǎng)卡IP 地址，這樣網(wǎng)絡(luò)連接通道就建立了。有些開發(fā)商就采用這種方式實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)直連，但這種方法存在一些問題：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??；其二，只能通過操作系統(tǒng)自帶的系統(tǒng)完成，沒有干預(yù)，用戶不能設(shè)置超時，有時等待時間太長，最長為60 秒；其三，DHCP 為固定IP 方式，在實際應(yīng)用中顯然不太好；其四，退出系統(tǒng)時，不能恢復(fù)PC 機原有的網(wǎng)卡配置信息。

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

　?。?）啟動系統(tǒng)時，檢索、訪問PC 機的所有網(wǎng)卡，并保存其網(wǎng)卡配置信息，供退出系統(tǒng)時恢復(fù)；（2）啟動網(wǎng)絡(luò)直連進程；（3）廣播IP 地址請求數(shù)據(jù)包；（4）返回IP 地址數(shù)據(jù)包；（5）解包，獲取PC 機和LED 顯示屏的IP 地址，設(shè)置PC 機的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 機和LED 顯示屏的通信通道后，即可對顯示屏進行讀/ 寫參數(shù)、發(fā)送節(jié)目、開關(guān)屏等通信控制操作；（8）退出系統(tǒng)時，根據(jù)（1）保存的網(wǎng)卡配置信息，恢復(fù)PC 機網(wǎng)卡的原始狀態(tài)。

　　在以上流程中，（2）～（6） 是核心過程，它模擬DHCP 服務(wù)，實現(xiàn)PC 機廣播請求IP 地址，獲取PC機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，是進行網(wǎng)絡(luò)直連操作時必做的步驟；（1）和（8）是啟動和退出系統(tǒng)時所做的保存PC機網(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)直連通道后進行的顯示屏控制的一般操作。本文重點介紹前兩者。

　　2 關(guān)鍵功能的設(shè)計和實現(xiàn)

　　2.1 保存PC 機網(wǎng)卡配置信息

　　用來調(diào)試顯示屏的PC 機，一般是一機多用，在調(diào)試顯示屏的同時，還用來辦公、上網(wǎng)，其網(wǎng)卡IP 地址可能是固定的或自動獲取的。在做網(wǎng)絡(luò)直連時，可能會改變其IP 地址，為了不影響用戶的工作，退出時需要自動恢復(fù)其IP 地址。而要做到這一點，可在啟動LED 控制軟件時，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、是否是自動配置IP 地址等等，將這些信息放入一個鏈表中保存，同時設(shè)置一個標(biāo)識，記錄用戶在調(diào)試顯示屏的過程中，是否使用過網(wǎng)絡(luò)直連操作，待退出系統(tǒng)時使用。

　　在Windows 操作系統(tǒng)中，可使用IP Helper 接口來讀取網(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

　　要實現(xiàn)PC 機和LED 顯示屏網(wǎng)絡(luò)直連通信，必須解決兩個關(guān)鍵問題：其一，讓PC 機和LED 顯示屏在同一個網(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、無線網(wǎng)卡對網(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：

　?。?）在PC 機端設(shè)計一個網(wǎng)絡(luò)直連控制進程；（2） 需要網(wǎng)絡(luò)直連時， 啟動該進程， 通過Windows 相關(guān)網(wǎng)絡(luò)API 函數(shù)和注冊表信息，確定與LED 顯示屏連接的非無線網(wǎng)卡，將其MAC 地址放入構(gòu)建請求IP 地址的UDP 數(shù)據(jù)包中，然后廣播出去，同時啟動內(nèi)部UDP 包捕獲子進程；（3）LED 顯示屏收到請求IP 地址的UDP 包后，根據(jù)本身IP 地址，構(gòu)造一個PC 機的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，并不會自動改變其IP 地址；（4）網(wǎng)絡(luò)直連控制進程的UDP 包捕獲子進程接收到分配的IP 地址的UDP 包后，解包得到PC機的IP 地址和LED 顯示屏的IP 地址；（5）設(shè)置PC 機網(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)直連控制進程，完成網(wǎng)絡(luò)直連通道的建立。

　　這個網(wǎng)絡(luò)直連的過程涉及三個系統(tǒng)：（1）網(wǎng)絡(luò)直連控制進程，它構(gòu)建請求IP 地址UDP 數(shù)據(jù)包并廣播出去，同時監(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 機的IP 地址和LED 顯示屏的IP 地址，然后設(shè)置PC 機的IP 地址，將LED顯示屏的IP 地址提交給主進程，完成網(wǎng)絡(luò)直連的任務(wù)；（2）LED 顯示屏DHCP 服務(wù)子進程，它接收PC機的IP 地址請求，構(gòu)建并設(shè)置自身IP 地址，并返回PC 機的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，啟動網(wǎng)絡(luò)直連控制子進程，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)直接通道的建立，完成后，關(guān)閉該進程。

　　2.3 恢復(fù)PC 機網(wǎng)卡的配置信息

　　退出系統(tǒng)時，根據(jù)2.1 保存的是否使用過網(wǎng)絡(luò)直連的標(biāo)識進行判斷，如果沒有使用過網(wǎng)絡(luò)直連方式，則無需執(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，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LED 顯示屏調(diào)試過程中對網(wǎng)絡(luò)直連的需求，提出一種網(wǎng)絡(luò)直連的方法，系統(tǒng)在啟動時自動保存網(wǎng)卡配置信息，使用網(wǎng)絡(luò)直連進程構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)直連通道，退出系統(tǒng)時自動恢復(fù)網(wǎng)卡配置信息，使用戶無需知道LED 顯示屏的IP 地址，也不用修改PC機的IP 地址，便可實現(xiàn)PC 機與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)定性和時效性得到了用戶的認(rèn)可，取得了良好的效果。實踐證明，該方法可為類似的應(yīng)用提供一種可供借鑒的解決方案。