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(jià)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(shí)時(shí)性,，特別不方便用戶(hù)更換顯示內(nèi)容,；少數(shù)LED廣告牌采用與微機(jī)直接相連，用微機(jī)來(lái)傳送信息,，這種系統(tǒng)解決了信息刷新問(wèn)題,，但由于有線(xiàn)連接，制約了系統(tǒng)放置的隨意性,，特別是對(duì)于面向多地區(qū)多客戶(hù)的廣告公司來(lái)說(shuō),，給系統(tǒng)的實(shí)時(shí)更新和維護(hù)帶來(lái)了許多不便。文提出了通過(guò)手持發(fā)射機(jī)遙控LED廣告牌的新方案,，實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(jī)為上位機(jī),，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)均以單片機(jī)為核心,，具有較高的性能價(jià)格比。
1 ,、系統(tǒng)方案
1.1 無(wú)線(xiàn)遙控方式
無(wú)線(xiàn)遙控是指實(shí)現(xiàn)對(duì)被控目標(biāo)的非接觸遙遠(yuǎn)控制,，在工業(yè)控制、航空航天,、家電領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,。無(wú)線(xiàn)遙控和無(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)與有線(xiàn)和紅外設(shè)備相比提高了移動(dòng)自由度。由此使無(wú)線(xiàn)遙控裝置和無(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越多,。相對(duì)電纜連線(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)在于安裝成本低（無(wú)需布線(xiàn),、不用地下工程,、沒(méi)有電纜槽），提高了靈活性并降低了維護(hù)成本,。
要想達(dá)到遙控的目的,，就必須通過(guò)無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)傳輸方式有：聲波（超聲波）,，光波（紅外線(xiàn)）和電波,。考慮到電波傳輸具有以下優(yōu)點(diǎn)：
1）傳輸距離比另兩者遠(yuǎn)得多,；
2）可用的元器件種類(lèi)豐富,，性能也很好，價(jià)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(jī)和接收機(jī)之間，靠無(wú)線(xiàn)電波傳送,。
高頻無(wú)線(xiàn)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(guò)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(diǎn)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(kù)信息,，用特寫(xiě)的數(shù)字來(lái)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(biāo)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(jì)算機(jī)要處理的數(shù)據(jù)信息十分龐雜，有些數(shù)據(jù)庫(kù)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(duì)加工處理的對(duì)象進(jìn)行編碼,，用一個(gè)編碼符合代表一條信息或一串?dāng)?shù)據(jù),。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼在計(jì)算機(jī)的管理中非常重要，可以方便地進(jìn)行信息分類(lèi),、校核,、合計(jì),、檢索等操作。因此,，數(shù)據(jù)編碼就成為計(jì)算機(jī)處理的關(guān)鍵,。即不同的信息記錄應(yīng)當(dāng)采用不同的編碼，一個(gè)碼點(diǎn)可以代表一條信息記錄,。人們可以利用編碼來(lái)識(shí)別每一個(gè)記錄,，區(qū)別處理方法，進(jìn)行分類(lèi)和校核,，從而克服項(xiàng)目參差不齊的缺點(diǎn),，節(jié)省存儲(chǔ)空間，提高處理速度,。
信源的編碼和譯碼在無(wú)線(xiàn)通信中是至關(guān)重要的,，它可以提高信號(hào)傳輸?shù)目煽啃院陀行浴V告牌是置于戶(hù)外的,，其干擾源很多,。所以，在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,，編碼,、解碼的可靠性和抗干擾性是設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵。
本系統(tǒng)從無(wú)線(xiàn)通信理論入手,，對(duì)編碼解碼技術(shù)及其對(duì)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(zhuān)用芯片,。該模塊還利用碼分多址技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)編碼解碼,，最多可提供531441（312）個(gè)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(diǎn)陣抽取和移動(dòng)算法
圖像點(diǎn)陣的抽取是利用算法計(jì)算出在圖像源數(shù)據(jù)庫(kù)中的偏移地址,，從而取出相應(yīng)的點(diǎn)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(dòng)則是利用算法計(jì)算出下一幀數(shù)據(jù)在顯示點(diǎn)陣數(shù)據(jù)庫(kù)中應(yīng)疊加的偏移地址。移動(dòng)算法的正確與否直接關(guān)系到動(dòng)態(tài)圖像或者文字與背景的同步性和現(xiàn)場(chǎng)效果,，特別是對(duì)于彩色顯示屏尤為重要,。
1.4 系統(tǒng)框圖
整個(gè)系統(tǒng)由三個(gè)相對(duì)獨(dú)立的子系統(tǒng)組成，即上位機(jī),、手持發(fā)射機(jī),、接收機(jī)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(jī)的任務(wù)是完成顯示信息的錄入和編輯,，再經(jīng)過(guò)點(diǎn)陣抽取和移動(dòng)算法將顯示信息轉(zhuǎn)換為LED顯示屏對(duì)應(yīng)的點(diǎn)陣數(shù)據(jù),，并通過(guò)PC機(jī)的串行口將點(diǎn)陣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到手持發(fā)射機(jī)中。
手持發(fā)射機(jī)的作用是將上位機(jī)傳來(lái)的點(diǎn)陣數(shù)據(jù)和面板鍵盤(pán)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(hù)外的用戶(hù)群，并可現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置和調(diào)試顯示屏的顯示格式,。
接收機(jī)將接收到的高頻信號(hào)經(jīng)放大整形,、解調(diào)譯碼后，再并行輸出給單片機(jī),，由單片機(jī)對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別,、轉(zhuǎn)存，實(shí)時(shí)改變顯示方式和顯示內(nèi)容,，并驅(qū)動(dòng)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(jī),、手持發(fā)射機(jī)、接收機(jī)和顯示模塊,。
2.1上位機(jī)
上位機(jī)是指人可以直接發(fā)出操控命令的計(jì)算機(jī),，一般是PC，屏幕上顯示各種信號(hào)變化（液壓,，水位,，溫度等）,。下位機(jī)是直接控制設(shè)備獲取設(shè)備狀況的計(jì)算機(jī),，一般是PLC/單片機(jī)之類(lèi)的。上位機(jī)發(fā)出的命令首先給下位機(jī),，下位機(jī)再根據(jù)此命令解釋成相應(yīng)時(shí)序信號(hào)直接控制相應(yīng)設(shè)備,。標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用軟件豐富，接口有很強(qiáng)的通用性,，基于PC機(jī)的程序有很強(qiáng)的兼容性和可移植性,，性?xún)r(jià)比高。
由于上位機(jī)系統(tǒng)要完成顯示信息（圖像和文字）的錄入,、編輯及動(dòng)畫(huà)效果設(shè)計(jì),，因此，除了中心PC機(jī)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(pán)等,。網(wǎng)絡(luò)（INTERNET）接口也是必不可少的,，這樣可以實(shí)現(xiàn)信息的遠(yuǎn)程下載和廣告系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化管理,。
上位機(jī)系統(tǒng)的組成如圖2所示。
圖2 上位機(jī)系統(tǒng)配置框圖
2.2 手持發(fā)射機(jī)
發(fā)射機(jī)由單片機(jī),、鍵盤(pán),、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(jī)結(jié)構(gòu)框圖
單片機(jī)的作用是將PC機(jī)傳來(lái)的圖像點(diǎn)陣或自身EPROM中的圖像點(diǎn)陣暫存在發(fā)射緩沖區(qū)RAM中,，再根據(jù)鍵盤(pán)的命令串行發(fā)送至編碼器,。
單片機(jī)選用的是ATMEL公司的89S52，該芯片運(yùn)算速度較快,，性能穩(wěn)定,，且價(jià)格便宜。
鍵盤(pán)用于設(shè)定圖像移動(dòng)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(diǎn)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(gè)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(hào)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(jī)的無(wú)線(xiàn)遙控距離。本系統(tǒng)選用了調(diào)制,、驅(qū)動(dòng)和發(fā)射一體化模塊,。該模塊采用聲表諧振器穩(wěn)頻，SMT樹(shù)脂封裝,，頻率一致性較好,，免調(diào)試，特別適合多發(fā)多收無(wú)線(xiàn)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(dòng)也很難保證已調(diào)好的頻點(diǎn)不會(huì)發(fā)生偏移,。
采用UPS供電是為了保證手持發(fā)射機(jī)在戶(hù)外工作時(shí),，發(fā)射緩沖區(qū)RAM中的數(shù)據(jù)不丟失,。因?yàn)椋l(fā)射緩沖區(qū)需要暫存的圖像點(diǎn)陣數(shù)據(jù)量很大,，若采用超大容量的非易失性存儲(chǔ)器,，如E2PROM，F(xiàn)LASH及FRAM等,，不僅成本高,，而且采購(gòu)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(jī)和顯示模塊
接收機(jī)是一個(gè)具有如下組成的電路系統(tǒng)：天線(xiàn),，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(hào)，是一種可供無(wú)數(shù)用戶(hù)共享的信息資源,。對(duì)于陸地,、 海洋和空間的廣大用戶(hù)，只要用戶(hù)擁有能夠接收,、跟蹤,、變換和測(cè)量GPS信號(hào)的接收設(shè)備， 即GPS信號(hào)接收機(jī),，就可以在任何時(shí)候用GPS信號(hào)進(jìn)行導(dǎo)航定位測(cè)量,。
接收機(jī)和顯示模塊由接收器、譯碼器,、單片機(jī),、顯示驅(qū)動(dòng)、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(jī)結(jié)構(gòu)框圖
接收器將接收到的高頻信號(hào)經(jīng)放大整形后解調(diào)出數(shù)字編碼信號(hào),。我們選用了與發(fā)射模塊相對(duì)應(yīng)的接收解調(diào)一體化模塊,。單頻接收機(jī)。單頻接收機(jī)只能接收L1載波信號(hào),，測(cè)定載波相位觀測(cè)值進(jìn)行定位,。由于不能有效消除電離層延遲影響，單頻接收機(jī)只適用于短基線(xiàn)（《15km）的精密定位,。2,、雙頻接收機(jī)。雙頻接收機(jī)可以同時(shí)接收L1,，L2載波信號(hào),。利用雙頻對(duì)電離層延遲的不一樣,，可以消除電離層對(duì)電磁波信號(hào)的延遲的影響，因此雙頻接收機(jī)可用于長(zhǎng)達(dá)幾千公里的精密定位,。該系列模塊采用超外差,、二次變頻技術(shù)，并將所有的射頻接收,、混頻,、濾波、數(shù)據(jù)解調(diào),、放大整形電路全部集成在模塊內(nèi),，功能高度集成化，免去射頻頻率調(diào)試及超再生接收電路的不穩(wěn)定性,，具有可靠性高,、頻率穩(wěn)定、接收頻率免調(diào)試等特點(diǎn),。
譯碼器將數(shù)字編碼信號(hào)譯碼,，再并行輸出給單片機(jī)。我們選用的是與編碼相對(duì)應(yīng)的碼分多址串行解碼專(zhuān)用芯片,。
單片機(jī)負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)的識(shí)別,、保存、顯示方式轉(zhuǎn)換,。單片機(jī)選用了ATMEL公司的89S52,，通用性好，性?xún)r(jià)比高,。
顯示模塊用于顯示廣告信息,。該模塊包括LED顯示屏和顯示驅(qū)動(dòng)板，自帶顯示緩沖區(qū),，并以動(dòng)態(tài)掃描方式驅(qū)動(dòng)LED顯示屏,，具有功耗低、亮度大等特點(diǎn),。
接收顯示系統(tǒng)的供電電源沒(méi)有特殊要求,，但要留有相當(dāng)裕量并注意通風(fēng)散熱，因?yàn)?，很多LED廣告牌引起的火災(zāi)都是由于供電系統(tǒng)造成的,。
3、軟件結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)的軟件主要由三大模塊組成,，即上位機(jī)主控程序,、發(fā)射機(jī)主控程序和接收機(jī)主控程序。
3.1 上位機(jī)主控程序
上位機(jī)主控程序?qū)嶋H上包括顯示信息生成程序、顯示點(diǎn)陣轉(zhuǎn)換程序和串口通信程序,，是三大主控程序中結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的一部分,。
顯示信息生成程序完成顯示圖像和文字的錄入、編輯及動(dòng)畫(huà)效果設(shè)計(jì),。該程序首先采用DOS平臺(tái)下的主控程序與底層通信軟件結(jié)合,，通過(guò)串行及并行通信口完成用戶(hù)對(duì)源文件、INTERNET接口及其他輸入設(shè)備的多參數(shù)錄入,。
顯示點(diǎn)陣轉(zhuǎn)換程序就是將生成的顯示信息通過(guò)點(diǎn)陣抽取和移動(dòng)算法將顯示信息轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)ED顯示屏對(duì)應(yīng)的點(diǎn)陣數(shù)據(jù),。對(duì)于彩色顯示屏，需要將圖像信息的RGB三基色數(shù)據(jù)分別抽樣,，并分塊存儲(chǔ),、順序轉(zhuǎn)發(fā)；對(duì)于連續(xù)的動(dòng)畫(huà)圖像,，要按幀分別計(jì)算偏移量,，關(guān)鍵是背景圖像與動(dòng)畫(huà)文字要同步。該部分的軟件是在TURBOC3.0的環(huán)境下編寫(xiě)的,。
串口通信程序則較為簡(jiǎn)單,，附屬于點(diǎn)陣轉(zhuǎn)換程序中。
限于篇幅和技術(shù)原因,，這里僅以PC機(jī)漢字抽取發(fā)送程序?yàn)槔?，敘述其原理和結(jié)構(gòu)。
設(shè)終端顯示屏所顯示的是16×16的漢字點(diǎn)陣,。所以,，要想在終端上顯示廣告信息，必須將該信息所包含的漢字的點(diǎn)陣數(shù)據(jù)傳到終端上,。在TURBOC3.0中,，將漢字賦值給一個(gè)變量時(shí)，實(shí)際上是將該漢字的區(qū)位碼賦值給這個(gè)變量,。每個(gè)漢字都是16×16的點(diǎn)陣,，筆劃經(jīng)過(guò)的地方為“1”，其余為“0”,。這樣,，按從上到下，從左到右的順序,，一個(gè)漢字由256個(gè)點(diǎn)組成,，也就是32個(gè)字節(jié),。漢字按區(qū)位碼的順序排列在漢字字庫(kù)中,，區(qū)碼為行，位碼為列,，一區(qū)有94位,。這樣,，某漢字在漢字庫(kù)中的偏移地址為（區(qū)碼×94+位碼）×32.取出后的32字節(jié)漢字點(diǎn)陣，經(jīng)由PC機(jī)的串行口送入到發(fā)射機(jī)中,。其流程如圖5所示,。
圖5 PC機(jī)軟件流程圖
3.2 發(fā)射機(jī)主控程序
發(fā)射機(jī)主控軟件的功能是通過(guò)串行口接收上位PC機(jī)發(fā)送來(lái)的圖像點(diǎn)陣，讀取鍵盤(pán)命令,，并向編碼器串行發(fā)送操作命令或顯示數(shù)據(jù),。
該部分的軟件是在KeilC51環(huán)境下編寫(xiě)的，它可以將C語(yǔ)言直接翻譯成匯編語(yǔ)言,，生成二進(jìn)制碼寫(xiě)入單片機(jī),，這樣編寫(xiě)效率高一些。串行口觸發(fā),，則表明PC機(jī)有圖像點(diǎn)陣數(shù)據(jù)傳來(lái),，單片機(jī)立即接收點(diǎn)陣數(shù)據(jù)存于RAM中；當(dāng)INT0觸發(fā),，表明鍵盤(pán)有動(dòng)作,，立即接收鍵值判斷命令的類(lèi)別，并向接收機(jī)發(fā)送圖像點(diǎn)陣數(shù)據(jù)或者操作命令,。其功能流程如圖6所示,。
圖6 發(fā)射機(jī)主控程序流程
3.3 接收機(jī)主控程序
該部分軟件的功能是完成對(duì)接收數(shù)據(jù)的識(shí)別、存儲(chǔ),、變換和顯示驅(qū)動(dòng),，并可實(shí)現(xiàn)本地本機(jī)的自檢，顯示固化圖像,。當(dāng)接收裝置的譯碼芯片有輸出時(shí),，單片機(jī)就中斷當(dāng)前的顯示，接收標(biāo)志字,，然后判斷此標(biāo)志字的內(nèi)容,，確定將接收的是圖像點(diǎn)陣，還是操作控制命令,。若是點(diǎn)陣數(shù)據(jù),，就將其連續(xù)接收存放到一個(gè)顯示緩沖數(shù)據(jù)庫(kù)中，按當(dāng)前的方式顯示,。若是命令,，則立刻改變顯示方式。
其中,，關(guān)鍵的是圖像上,、下、左、右移動(dòng)的實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn),。具體實(shí)現(xiàn)方法如下：
1）圖像的上下移動(dòng) ,，直到一個(gè)圖像的移完為止；再移下一個(gè)圖像的點(diǎn)陣,。上移的過(guò)程類(lèi)似,。
2）圖像的左右移動(dòng) 將一圖像的每一行數(shù)據(jù)向左移位（使用C語(yǔ)言的移位指令），將移位后的點(diǎn)陣存放于BUF之中,，即可顯示,。右移的過(guò)程類(lèi)似。
接收機(jī)主控程序的功能流程如圖7所示,。
圖7 接收機(jī)主控程序流程
4 ,、性能測(cè)試
系統(tǒng)功能及參數(shù)測(cè)試結(jié)果如下：
1）圖像錄入功能 掃描儀、攝像頭,、數(shù)碼相機(jī),、圖像源文件；
2）文字錄入功能 鍵盤(pán),、WORD/TEXT源文件,；
3）動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)功能 文字或圖形相對(duì)于背景移動(dòng)、縮放,；
4）發(fā)射機(jī)設(shè)置功能 接收機(jī)序列號(hào),、圖像移動(dòng)命令、自檢命令,、發(fā)射命令,；
5）接收機(jī)自檢功能 顯示藍(lán)草坪背景和“歡迎光臨”移動(dòng)字符；
6）發(fā)射機(jī)待機(jī)時(shí)間 ≥120h;
7）發(fā)射機(jī)遙控距離 ≥250m;
8）發(fā)射機(jī)緩存空間 8MByte;
9）LED顯示屏 320×640DIP;
10）接收顯示系統(tǒng)功耗 ≤4kW.
5,、 結(jié)語(yǔ)
整機(jī)性能測(cè)試及鑒定結(jié)論如下：
1）通過(guò)手持發(fā)射機(jī)遙控LED廣告牌,，方案新穎，實(shí)用性強(qiáng),，具有較高的市場(chǎng)推廣價(jià)值,；
2）硬件配置科學(xué)，性能穩(wěn)定,，性?xún)r(jià)比高,；
3）軟件結(jié)構(gòu)合理，功能強(qiáng)大,，使用方便,。