LED 显示屏网络直连的设计与实现

引言

　　在LED 显示屏工程应用中，显示屏一般在出厂前要做好参数配置、调试、点亮，并做节目测试，否则由于现场条件限制，这些工作很难开展。在做调试和节目测试时，可通过串口和网口进行通信，而随着网络普及和速度的提升，网络通信方式被更多的用户采用，即用户通过集线器或网络直连的方式与显示屏通信。其中通过集线器，PC 机和显示屏IP 可不在同一个网段；而网络直连时，PC 机和显示屏的IP 地址必须在同一个网段。不管采用哪一种方法，都必须知道两者的IP 地址才能进行通信。但在调试过程中，由于LED 控制卡太多、放置时间太长或由不同的人进行配置，有时用户可能不知道显示屏的IP 地址，这样就很难开展工作了。另外，出厂配置的IP 地址和现场安装的IP 地址可能不一样，并且现场安装的显示屏IP 地址由于用户千差万别，其IP 地址段也不一样。这样一来，在调试过程中，需要反复修改显示屏或PC 机的IP 地址，带来很大的工作量。因此，基于应用中的这些问题，有用户提出能否采用网络直连的方式，无需知道LED 显示屏的IP 地址，也不用修改PC 机的IP 就可实现PC 机与LED 显示屏网络通信，让用户更方便地调试LED 显示屏。通过市场调研，有些软件声称实现了LED 显示屏网络直连的方式，但在具体实现上并不能令人满意，例如稳定性、可靠性和时效性等方面并不如意。经过研究，本文提出一种新的网络直连的方法，可以很好地解决这些问题，让用户方便、可靠、高效地调试显示屏。

　　1 主要功能需求分析和模型构建

　　对于网络直连，硬件如图1 所示，用网络直连线将PC 机和显示屏连接起来，然后手动设置它们的IP 地址在同一个网段，即可进行通信了。

　　但采用这种方式，如果事先不知道显示屏的IP地址，将很难进行通信。为了达到不知道显示屏IP地址也能实现PC 机与显示屏直连通信的目的，可借助DHCP 服务原理来解决：即设置LED 显示屏为某固定IP 地址的DHCP 服务器，设置PC 机网卡为自动获取IP 地址的方式，通过DHCP 服务功能，自动配置PC 机的网卡IP 地址，这样网络连接通道就建立了。有些开发商就采用这种方式实现了网络直连，但这种方法存在一些问题：其一，由于UDP 通信为不连接通信，其通信可靠性要差一些，容易失败；其二，只能通过操作系统自带的系统完成，没有干预，用户不能设置超时，有时等待时间太长，最长为60 秒；其三，DHCP 为固定IP 方式，在实际应用中显然不太好；其四，退出系统时，不能恢复PC 机原有的网卡配置信息。

　　基于此，经过研究，本文提出一种新的网络直连方法，可以实现网络直连、自动获取IP 地址以及实现PC 机网卡配置信息保存和恢复等功能，克服当前实现方法的不足，提高可靠性、稳定性和时效性等各方面性能，其系统模型如图2 所示，主要功能和工作流程如下：

　　（1）启动系统时，检索、访问PC 机的所有网卡，并保存其网卡配置信息，供退出系统时恢复；（2）启动网络直连进程；（3）广播IP 地址请求数据包；（4）返回IP 地址数据包；（5）解包，获取PC 机和LED 显示屏的IP 地址，设置PC 机的IP 地址；（6）返回LED 显示屏的IP 地址，关闭网络直连，完成通信通道的建立；（7）建立PC 机和LED 显示屏的通信通道后，即可对显示屏进行读/ 写参数、发送节目、开关屏等通信控制操作；（8）退出系统时，根据（1）保存的网卡配置信息，恢复PC 机网卡的原始状态。

　　在以上流程中，（2）～（6） 是核心过程，它模拟DHCP 服务，实现PC 机广播请求IP 地址，获取PC机IP 地址并设置，上传LED 显示屏IP 地址，完成网络直连通道的建立，是进行网络直连操作时必做的步骤；（1）和（8）是启动和退出系统时所做的保存PC机网卡配置信息和恢复网卡配置信息操作；（7）是在完成网络直连通道后进行的显示屏控制的一般操作。本文重点介绍前两者。

　　2 关键功能的设计和实现

　　2.1 保存PC 机网卡配置信息

　　用来调试显示屏的PC 机，一般是一机多用，在调试显示屏的同时，还用来办公、上网，其网卡IP 地址可能是固定的或自动获取的。在做网络直连时，可能会改变其IP 地址，为了不影响用户的工作，退出时需要自动恢复其IP 地址。而要做到这一点，可在启动LED 控制软件时，读取当前网卡配置信息，如IP 地址、网卡名、MAC 地址、网卡类型、是否是自动配置IP 地址等等，将这些信息放入一个链表中保存，同时设置一个标识，记录用户在调试显示屏的过程中，是否使用过网络直连操作，待退出系统时使用。

　　在Windows 操作系统中，可使用IP Helper 接口来读取网卡信息，它是一套用于管理本地网络设置的API，通过它使用IP_ADAPTER_INFO 结构，可以方便地提取上述网卡配置信息，保存到链表中。

　　2.2 借鉴DHCP 服务原理，构建网络直连通道

　　要实现PC 机和LED 显示屏网络直连通信，必须解决两个关键问题：其一，让PC 机和LED 显示屏在同一个网段；其二，知道LED 显示屏的IP 地址。

　　除此之外，还要解决多网卡、无线网卡对网络直连的干扰等现象。借鉴DHCP 原理，主要解决思路如下：

　　（1）在PC 机端设计一个网络直连控制进程；（2） 需要网络直连时， 启动该进程， 通过Windows 相关网络API 函数和注册表信息，确定与LED 显示屏连接的非无线网卡，将其MAC 地址放入构建请求IP 地址的UDP 数据包中，然后广播出去，同时启动内部UDP 包捕获子进程；（3）LED 显示屏收到请求IP 地址的UDP 包后，根据本身IP 地址，构造一个PC 机的IP 地址，将其广播出去，为了不引起混乱，这里构建的是伪DHCP 包，正常的Windows 客户端收到该UDP 包时，并不会自动改变其IP 地址；（4）网络直连控制进程的UDP 包捕获子进程接收到分配的IP 地址的UDP 包后，解包得到PC机的IP 地址和LED 显示屏的IP 地址；（5）设置PC 机网卡IP 地址，上传LED 显示屏的IP 地址给控制软件，成功后，关闭网络直连控制进程，完成网络直连通道的建立。

　　这个网络直连的过程涉及三个系统：（1）网络直连控制进程，它构建请求IP 地址UDP 数据包并广播出去，同时监控目标网卡的68 端口，捕获返回的UDP 数据包，解析出PC 机的IP 地址和LED 显示屏的IP 地址，然后设置PC 机的IP 地址，将LED显示屏的IP 地址提交给主进程，完成网络直连的任务；（2）LED 显示屏DHCP 服务子进程，它接收PC机的IP 地址请求，构建并设置自身IP 地址，并返回PC 机的IP 地址的伪DHCP 包；（3）LED 控制软件，当用户选择网络直连方式时，启动网络直连控制子进程，实现网络直接通道的建立，完成后，关闭该进程。

　　2.3 恢复PC 机网卡的配置信息

　　退出系统时，根据2.1 保存的是否使用过网络直连的标识进行判断，如果没有使用过网络直连方式，则无需执行网络IP 恢复功能；否则将执行恢复功能，还原2.1 保存的网卡配置，恢复网卡IP 地址可使用netsh interface ip set 命令。同时，为了加快处理速度并提高成功率，可按禁用网卡、设置网卡IP地址、再启用网卡的步骤实施：

　　（1）使用Windows 的SetupAPI 相关接口API函数禁用目标网卡；（2）恢复目标网卡IP 设置，根据静态IP 地址和动态IP 地址，分别用不同的命令：

　　a. 恢复静态IP 地址命令。

　　a. 恢复静态IP 地址命令

　　netsh interface ip set address name=“本地连接”

　　source=STatic addr=192.168.1.19 mask=255.

　　255.255.0 gateway=nONe

　　b. 恢复动态IP 地址命令。

　　netsh interface ip set address“本地连接”dhcp

　　（3）使用SetupAPI 相关接口API 函数启用目标网卡，这样就完成了网卡配置信息的恢复。

　　3 结论

　　本文针对LED 显示屏调试过程中对网络直连的需求，提出一种网络直连的方法，系统在启动时自动保存网卡配置信息，使用网络直连进程构建网络直连通道，退出系统时自动恢复网卡配置信息，使用户无需知道LED 显示屏的IP 地址，也不用修改PC机的IP 地址，便可实现PC 机与LED 显示屏的网络通信。该方法在LED 导航者软件中使用，其可靠性、稳定性和时效性得到了用户的认可，取得了良好的效果。实践证明，该方法可为类似的应用提供一种可供借鉴的解决方案。