智能LED广告牌设计

0    引言

LED广告牌是一种面向公众的信息显示终端，有着非常广泛的民用和商用价值。而现在大多数LED广告牌显示的信息都是事先固化在系统中的，这失去了信息的实时性，特别不方便用户更换显示内容；少数LED广告牌采用与微机直接相连，用微机来传送信息，这种系统解决了信息刷新问题，但由于有线连接，制约了系统放置的随意性，特别是对于面向多地区多客户的广告公司来说，给系统的实时更新和维护带来了许多不便。文提出了通过手持发射机遥控LED广告牌的新方案，实现了对广告牌内容及显示方式的灵活改变，使用非常方便。该方案以PC机为上位机，发射机和接收机均以单片机为核心，具有较高的性能价格比。

1    系统方案

1.1    无线遥控方式

无线遥控是指实现对被控目标的非接触遥远控制，在工业控制、航空航天、家电领域应用广泛。无线遥控和无线传输系统与有线和红外设备相比提高了移动自由度。由此使无线遥控装置和无线传输系统在工业领域的应用越来越多。相对电缆连线的优点在于安装成本低（无需布线、不用地下工程、没有电缆槽），提高了灵活性并降低了维护成本。

要想达到遥控的目的，就必须通过无线传输将需要显示的信息和控制命令传送到显示终端LED屏上。常用的无线传输方式有：声波（超声波），光波（红外线）和电波。考虑到电波传输具有以下优点：

1）传输距离比另两者远得多；

2）可用的元器件种类丰富，性能也很好，价格便宜；

3）技术更为成熟。

因此，本系统采用电波传输。即信息在手持发射机和接收机之间，靠无线电波传送。

高频无线发射及接收模块的性能直接影响到遥控距离与通信质量，经过多方调查论证，本系统采用一体化发射、接收模块。它的主要优点是频率一致性好，免调试。

1.2    数据编码方式

数据编码是指把需要加工处理的数据库信息，用特写的数字来表示的一种技术，是根据一定数据结构和目标的定性特征，将数据转换为代码或编码字符，在数据传输中表示数据组成，并作为传送、接受和处理的一组规则和约定。由于计算机要处理的数据信息十分庞杂，有些数据库所代表的含义又使人难以记忆。为了便于使用，容易记忆，常常要对加工处理的对象进行编码，用一个编码符合代表一条信息或一串数据。对数据进行编码在计算机的管理中非常重要，可以方便地进行信息分类、校核、合计、检索等操作。因此，数据编码就成为计算机处理的关键。即不同的信息记录应当采用不同的编码，一个码点可以代表一条信息记录。人们可以利用编码来识别每一个记录，区别处理方法，进行分类和校核，从而克服项目参差不齐的缺点，节省存储空间，提高处理速度。

信源的编码和译码在无线通信中是至关重要的，它可以提高信号传输的可靠性和有效性。广告牌是置于户外的，其干扰源很多。所以，在本系统的设计中，编码、解码的可靠性和抗干扰性是设计成败的关键。

本系统从无线通信理论入手，对编码解码技术及其对系统的影响做了深入的研究，经反复比较，最后选用适合本系统的编码解码专用芯片。该模块还利用码分多址技术进行数据编码解码，最多可提供531441（312）个地址码，可以彻底消除任何码址冲突和非授权编码数据的干扰。

1.3    图像点阵抽取和移动算法

图像点阵的抽取是利用算法计算出在图像源数据库中的偏移地址，从而取出相应的点阵数据，生成新的显示数据。抽取算法的正确与否直接关系到显示图像的正确性。

而图像移动则是利用算法计算出下一帧数据在显示点阵数据库中应叠加的偏移地址。移动算法的正确与否直接关系到动态图像或者文字与背景的同步性和现场效果，特别是对于彩色显示屏尤为重要。

1.4    系统框图

整个系统由三个相对独立的子系统组成，即上位机、手持发射机、接收机和显示屏系统。其结构框图如图1所示。

上位机的任务是完成显示信息的录入和编辑，再经过点阵抽取和移动算法将显示信息转换为LED显示屏对应的点阵数据，并通过PC机的串行口将点阵数据转存到手持发射机中。

手持发射机的作用是将上位机传来的点阵数据和面板键盘上接收到的命令经编码、调制后，以码分多址通信方式转发给户外的用户群，并可现场设置和调试显示屏的显示格式。

接收机将接收到的高频信号经放大整形、解调译码后，再并行输出给单片机，由单片机对接收数据进行识别、转存，实时改变显示方式和显示内容，并驱动LED显示屏。

2    硬件配置

系统硬件主要有三大部分，即上位机、手持发射机、接收机和显示模块。

2.1    上位机

上位机是指人可以直接发出操控命令的计算机，一般是PC,屏幕上显示各种信号变化（液压，水位，温度等）。下位机是直接控制设备获取设备状况的计算机，一般是PLC/单片机之类的。上位机发出的命令首先给下位机，下位机再根据此命令解释成相应时序信号直接控制相应设备。标准应用软件丰富，接口有很强的通用性，基于PC机的程序有很强的兼容性和可移植性，性价比高。

由于上位机系统要完成显示信息（图像和文字）的录入、编辑及动画效果设计，因此，除了中心PC机外还必须配备相应的输入外设，例如扫描仪、摄像头、键盘等。网络（INTERNET）接口也是必不可少的，这样可以实现信息的远程下载和广告系统的网络化管理。

上位机系统的组成如图2所示。

图2    上位机系统配置框图

2.2    手持发射机

发射机由单片机、键盘、编码器、发射器、串行通信接口和UPS供电系统组成，其结构框图如图3所示。
 

图3    发射机结构框图

单片机的作用是将PC机传来的图像点阵或自身EPROM中的图像点阵暂存在发射缓冲区RAM中，再根据键盘的命令串行发送至编码器。

单片机选用的是ATMEL公司的89S52,该芯片运算速度较快，性能稳定，且价格便宜。

键盘用于设定图像移动速度、显示模式和发射的通信协议。

编码器是本系统的关键部件之一，决定了通信的可靠性。该芯片的主要特点有CMOS技术，低功耗，非常高的噪声免疫性（多帧同步），最多12位3态地址引脚（最多可提供312个地址码），最多6位数据引脚，大范围的工作电压，单电阻振荡器，输出形式可设为锁存或瞬态。

发射器的作用是将编码后的数字信号调制到高频载波上，再经功率放大后发射出去，它决定了手持发射机的无线遥控距离。本系统选用了调制、驱动和发射一体化模块。该模块采用声表谐振器稳频，SMT树脂封装，频率一致性较好，免调试，特别适合多发多收无线遥控及数据传输系统。而一般的LC振荡器频率稳定度及一致性较差，即使采用高品质微调电容，温差变化及振动也很难保证已调好的频点不会发生偏移。

采用UPS供电是为了保证手持发射机在户外工作时，发射缓冲区RAM中的数据不丢失。因为，发射缓冲区需要暂存的图像点阵数据量很大，若采用超大容量的非易失性存储器，如E2PROM,FLASH及FRAM等，不仅成本高，而且采购困难，所以系统选用了普通RAM作为缓冲寄存器。

2.3    接收机和显示模块

接收机是一个具有如下组成的电路系统：天线，滤波器，放大器，A/D转换器。GPS卫星发送的导航定位信号，是一种可供无数用户共享的信息资源。对于陆地、 海洋和空间的广大用户，只要用户拥有能够接收、跟踪、变换和测量GPS信号的接收设备， 即GPS信号接收机，就可以在任何时候用GPS信号进行导航定位测量。

接收机和显示模块由接收器、译码器、单片机、显示驱动、LED屏及供电系统组成，其结构框图如图4所示。 

　图4    接收机结构框图

接收器将接收到的高频信号经放大整形后解调出数字编码信号。我们选用了与发射模块相对应的接收解调一体化模块。单频接收机。单频接收机只能接收L1载波信号，测定载波相位观测值进行定位。由于不能有效消除电离层延迟影响，单频接收机只适用于短基线（<15km）的精密定位。2、双频接收机。双频接收机可以同时接收L1,L2载波信号。利用双频对电离层延迟的不一样，可以消除电离层对电磁波信号的延迟的影响，因此双频接收机可用于长达几千公里的精密定位。该系列模块采用超外差、二次变频技术，并将所有的射频接收、混频、滤波、数据解调、放大整形电路全部集成在模块内，功能高度集成化，免去射频频率调试及超再生接收电路的不稳定性，具有可靠性高、频率稳定、接收频率免调试等特点。

译码器将数字编码信号译码，再并行输出给单片机。我们选用的是与编码相对应的码分多址串行解码专用芯片。

单片机负责接收数据的识别、保存、显示方式转换。单片机选用了ATMEL公司的89S52,通用性好，性价比高。

显示模块用于显示广告信息。该模块包括LED显示屏和显示驱动板，自带显示缓冲区，并以动态扫描方式驱动LED显示屏，具有功耗低、亮度大等特点。

接收显示系统的供电电源没有特殊要求，但要留有相当裕量并注意通风散热，因为，很多LED广告牌引起的火灾都是由于供电系统造成的。

3    软件结构

本系统的软件主要由三大模块组成，即上位机主控程序、发射机主控程序和接收机主控程序。

3.1    上位机主控程序

上位机主控程序实际上包括显示信息生成程序、显示点阵转换程序和串口通信程序，是三大主控程序中结构最复杂的一部分。

显示信息生成程序完成显示图像和文字的录入、编辑及动画效果设计。该程序首先采用DOS平台下的主控程序与底层通信软件结合，通过串行及并行通信口完成用户对源文件、INTERNET接口及其他输入设备的多参数录入。

显示点阵转换程序就是将生成的显示信息通过点阵抽取和移动算法将显示信息转换为LED显示屏对应的点阵数据。对于彩色显示屏，需要将图像信息的RGB三基色数据分别抽样，并分块存储、顺序转发；对于连续的动画图像，要按帧分别计算偏移量，关键是背景图像与动画文字要同步。该部分的软件是在TURBOC3.0的环境下编写的。

串口通信程序则较为简单，附属于点阵转换程序中。

限于篇幅和技术原因，这里仅以PC机汉字抽取发送程序为例，叙述其原理和结构。

设终端显示屏所显示的是16×16的汉字点阵。所以，要想在终端上显示广告信息，必须将该信息所包含的汉字的点阵数据传到终端上。在TURBOC3.0中，将汉字赋值给一个变量时，实际上是将该汉字的区位码赋值给这个变量。每个汉字都是16×16的点阵，笔划经过的地方为"1",其余为"0".这样，按从上到下，从左到右的顺序，一个汉字由256个点组成，也就是32个字节。汉字按区位码的顺序排列在汉字字库中，区码为行，位码为列，一区有94位。这样，某汉字在汉字库中的偏移地址为（区码×94+位码）×32.取出后的32字节汉字点阵，经由PC机的串行口送入到发射机中。其流程如图5所示。

图5    PC机软件流程图

3.2    发射机主控程序

发射机主控软件的功能是通过串行口接收上位PC机发送来的图像点阵，读取键盘命令，并向编码器串行发送操作命令或显示数据。

该部分的软件是在KeilC51环境下编写的，它可以将C语言直接翻译成汇编语言，生成二进制码写入单片机，这样编写效率高一些。串行口触发，则表明PC机有图像点阵数据传来，单片机立即接收点阵数据存于RAM中；当INT0触发，表明键盘有动作，立即接收键值判断命令的类别，并向接收机发送图像点阵数据或者操作命令。其功能流程如图6所示。

图6    发射机主控程序流程

3.3    接收机主控程序

该部分软件的功能是完成对接收数据的识别、存储、变换和显示驱动，并可实现本地本机的自检，显示固化图像。当接收装置的译码芯片有输出时，单片机就中断当前的显示，接收标志字，然后判断此标志字的内容，确定将接收的是图像点阵，还是操作控制命令。若是点阵数据，就将其连续接收存放到一个显示缓冲数据库中，按当前的方式显示。若是命令，则立刻改变显示方式。

其中，关键的是图像上、下、左、右移动的实时实现。具体实现方法如下：

1）图像的上下移动 ，直到一个图像的移完为止；再移下一个图像的点阵。上移的过程类似。

2）图像的左右移动    将一图像的每一行数据向左移位（使用C语言的移位指令），将移位后的点阵存放于BUF之中，即可显示。右移的过程类似。

接收机主控程序的功能流程如图7所示。
 

图7    接收机主控程序流程

4    性能测试

系统功能及参数测试结果如下：

1）图像录入功能    扫描仪、摄像头、数码相机、图像源文件；

2）文字录入功能    键盘、WORD/TEXT源文件；

3）动画设计功能    文字或图形相对于背景移动、缩放；

4）发射机设置功能    接收机序列号、图像移动命令、自检命令、发射命令；

5）接收机自检功能    显示蓝草坪背景和"欢迎光临"移动字符；

6）发射机待机时间    ≥120h;

7）发射机遥控距离    ≥250m;

8）发射机缓存空间    8MByte;

9）LED显示屏        320×640DIP;

10）接收显示系统功耗    ≤4kW.

5    结语

整机性能测试及鉴定结论如下：

1）通过手持发射机遥控LED广告牌，方案新颖，实用性强，具有较高的市场推广价值；

2）硬件配置科学，性能稳定，性价比高；

3）软件结构合理，功能强大，使用方便。