工程師分享無線遙控LED廣告牌的設(shè)計與實現(xiàn)

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廣告牌采用與微機直接相連，用微機來傳送信息，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)的實時更新和維護帶來了許多不便。文提出了通過手持發(fā)射機遙控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)對被控目標的非接觸遙遠控制，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?？紤]到電波傳輸具有以下優(yōu)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(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)射機和接收機之間，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行編碼，用一個編碼符合代表一條信息或一串數(shù)據(jù)。對數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)編碼就成為計算機處理的關(guān)鍵。即不同的信息記錄應(yīng)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(qū)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(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?。廣告牌是置于戶外的，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、手持發(fā)射機、接收機和顯示屏系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

　　圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

　　上位機的任務(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機的串行口將點陣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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，由單片機對接收數(shù)據(jù)進行識別、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、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(shè)備獲取設(shè)備狀況的計算機，一般是PLC/單片機之類的。上位機發(fā)出的命令首先給下位機，下位機再根據(jù)此命令解釋成相應(yīng)時序信號直接控制相應(yīng)設(shè)備。標準應(yīng)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(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)信息的遠程下載和廣告系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化管理。

　　上位機系統(tǒng)的組成如圖2所示。

　　圖2 上位機系統(tǒng)配置框圖

　　2.2 手持發(fā)射機

　　發(fā)射機由單片機、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)射機結(jié)構(gòu)框圖

　　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(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，F(xiàn)LASH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 接收機和顯示模塊

　　接收機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，就可以在任何時候用GPS信號進行導(dǎo)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(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 接收機結(jié)構(gòu)框圖