工程師分享無線遙控LED廣告牌的設計與實現

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(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(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，具有較高的性能價格比。

　　1 、系統(tǒng)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(yè)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(tǒng)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(tǒng)在工業(yè)領域的應用越來越多。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量，經過多方調查論證，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(guī)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(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(tǒng)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(tǒng)從無線通信理論入手，對編碼解碼技術及其對系統(tǒng)的影響做了深入的研究，經反復比較，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(tài)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。

　　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)。其結構框圖如圖1所示。

　　圖1 系統(tǒng)總體結構框圖

　　上位機的任務是完成顯示信息的錄入和編輯，再經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，并通過PC機的串行口將點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(fā)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(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(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(tǒng)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(tǒng)的網絡化管理。

　　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。

　　鍵盤用于設定圖像移動速度、顯示模式和發(fā)射的通信協議。

　　編碼器是本系統(tǒng)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(tài)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(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)選用了調制、驅動和發(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，免調試，特別適合多發(fā)多收無線遙控及數據傳輸系統(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(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中的數據不丟失。因為，發(fā)射緩沖區(qū)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(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轉換器。GPS衛(wèi)星發(fā)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(tǒng)組成，其結構框圖如圖4所示。

　　圖4 接收機結構框圖