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遙控LED廣告牌

    作者:雷開卓 童 琦 張立杰 黃建國
    發(fā)布日期:2008-04-03         
閱讀:71     
 
 

摘要:提出了通過手持發(fā)射機遙控LED廣告牌的新方案,討論了高穩(wěn)定性無線數(shù)字通信的系統(tǒng)方案,分析了圖像點陣抽取和移動算法、信源編碼譯碼、高頻發(fā)射接收、單片機控制及饋電系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù),給出了硬件結(jié)構(gòu)框圖和軟件流程圖。實驗結(jié)果表明,整機性能可靠,使用方便,性價比高。

關(guān)鍵詞:LED廣告牌;無線遙控;編碼譯碼;抽取和移動算法;碼分多址

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。

本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

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

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浴?/P>

本系統(tǒng)中要傳輸?shù)男盘柺菆D像的點陣數(shù)據(jù),其特點是數(shù)據(jù)量大。傳輸和接收數(shù)據(jù)的好壞,直接關(guān)系到顯示終端上顯示信息的正確與否。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(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。

上位機的任務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

上位機直接選用通用PC機,這主要是考慮到PC機處理指令能力很強,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(wǎng)絡(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)絡化管理。

上位機系統(tǒng)的組成如圖2所示。

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。

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。它 的功能是接收單片機的數(shù)據(jù),按設定的格式進行編碼,再串行輸出到發(fā)射器。經(jīng)過比較,我們選用了碼分多址串行編碼專用芯片。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。

接收器將接收到的高頻信號經(jīng)放大整形后解調(diào)出數(shù)字編碼信 號。我們選用了與發(fā)射模塊相對應的接收解調(diào)一體化模塊。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。

譯碼器將數(shù)字編碼信號譯碼,再并行輸出給單片機。我們選用的是與編碼相對應的碼分多址串行解碼專用芯片。

單片機負責接收數(shù)據(jù)的識別、保存、顯示方式轉(zhuǎn)換。單片機選用了ATMEL公司的89S52,通用性好,性價比高。

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)動板,自帶顯示緩沖區(qū),并以動態(tài)掃描方式驅(qū)動LED顯示屏,具有功耗低、亮度大等特點。

接收顯示系統(tǒng)的供電電源沒有特殊要求,但要留有相當裕量并注意通風散熱,因為,很多LED廣告牌引起的火災都是由于供電系統(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,即上位機主控程序、發(fā)射機主控程序和接收機主控程序。

3.1 上位機主控程序

上位機主控程序?qū)嶋H上包括顯示信息生成程序、顯示點陣轉(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、編輯及動畫 效果設計。該程序首先采用DOS平臺下的主控程序與底層通信軟件結(jié)合,通過串行及并行通信口完成用戶對源文件、INTERNET接口及其他輸入設備的多參 數(shù)錄入。在此基礎上用VisualC++語言設計了主控軟件,生成動畫,并通過界面和對話框的形式實現(xiàn)了對整個上位機系統(tǒng)的可視化控制。

顯示點陣轉(zhuǎn)換程序就是將生成的顯示信息通過點陣抽取和移 動算法將顯示信息轉(zhuǎn)換為LED顯示屏對應的點陣數(shù)據(jù)。對于彩色顯示屏,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、順序轉(zhuǎn)發(fā);對于連續(xù)的動畫 圖像,要按幀分別計算偏移量,關(guān)鍵是背景圖像與動畫文字要同步。該部分的軟件是在TURBOC3.0的環(huán)境下編寫的。

串口通信程序則較為簡單,附屬于點陣轉(zhuǎn)換程序中。

限于篇幅和技術(shù)原因,這里僅以PC機漢字抽取發(fā)送程序為例,敘述其原理和結(jié)構(gòu)。

設終端顯示屏所顯示的是16×16的漢字點陣。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陣數(shù)據(jù)傳到終端上。在TURBOC3.0中,將漢字賦值給一個變量時,實際上是將該漢字的區(qū)位碼賦 值給這個變量。通過用UltraEdit-32以二進制的形式,觀察DOS的漢字庫文件chs16.fon,發(fā)現(xiàn)漢字是以點陣的形式存儲的。每個漢字都是 16×16的點陣,筆劃經(jīng)過的地方為“1”,其余為“0”。這樣,按從上到下,從左到右的順序,一個漢字由256個點組成,也就是32個字節(jié)。漢字按區(qū)位 碼的順序排列在漢字字庫中,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 陣,經(jīng)由PC機的串行口送入到發(fā)射機中。其流程如圖5所示。

3.2 發(fā)射機主控程序

發(fā)射機主控軟件的功能是通過串行口接收上位PC機發(fā)送來的圖像點陣,讀取鍵盤命令,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)境下編寫的,它可以將C語言直接翻譯成匯編語言,生成二進制碼寫入單片機,這樣編寫效率高一些。

程序是依靠中斷方式來工作的,開機后等待串行口和 INT0的觸發(fā)。當串行口觸發(fā),則表明PC機有圖像點陣數(shù)據(jù)傳來,單片機立即接收點陣數(shù)據(jù)存于RAM中;當INT0觸發(fā),表明鍵盤有動作,立即接收鍵值判 斷命令的類別,并向接收機發(fā)送圖像點陣數(shù)據(jù)或者操作命令。其功能流程如圖6所示。

3.3 接收機主控程序

該部分軟件的功能是完成對接收數(shù)據(jù)的識別、存儲、變換和 顯示驅(qū)動,并可實現(xiàn)本地本機的自檢,顯示固化圖像。當接收裝置的譯碼芯片有輸出時,單片機就中斷當前的顯示,接收標志字,然后判斷此標志字的內(nèi)容,確定將 接收的是圖像點陣,還是操作控制命令。若是點陣數(shù)據(jù),就將其連續(xù)接收存放到一個顯示緩沖數(shù)據(jù)庫中,按當前的方式顯示。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、右移動的實時實現(xiàn)。具體實現(xiàn)方法如下:

1)圖像的上下移動將一圖像點陣中的上一行數(shù)據(jù)賦給BUF[16][4]中對應的下一行,直到一個圖像的移完為止;再移下一個圖像的點陣。上移的過程類似。

2)圖像的左右移動將一圖像的每一行數(shù)據(jù)向左移位(使用C語言的移位指令),將移位后的點陣存放于BUF之中,即可顯示。右移的過程類似。

接收機主控程序的功能流程如圖7所示。

4 性能測試

系統(tǒng)功能及參數(shù)測試結(jié)果如下:

1)圖像錄入功能掃描儀、攝像頭、數(shù)碼相機、圖像源文件;2)文字錄入功能鍵盤、WORD/TEXT源文件;

3)動畫設計功能文字或圖形相對于背景移動、縮放;

4)發(fā)射機設置功能接收機序列號、圖像移動命令、自檢命令、發(fā)射命令;

5)接收機自檢功能顯示藍草坪背景和“歡迎光臨”移動字符;

6)發(fā)射機待機時間≥120h;

7)發(fā)射機遙控距離≥250m;

8)發(fā)射機緩存空間8MByte;

9)LED顯示屏320×640DIP;

10)接收顯示系統(tǒng)功耗≤4kW。

5 結(jié)語

整機性能測試及鑒定結(jié)論如下:

1)通過手持發(fā)射機遙控LED廣告牌,方案新穎,實用性強,具有較高的市場推廣價值;

2)硬件配置科學,性能穩(wěn)定,性價比高;

3)軟件結(jié)構(gòu)合理,功能強大,使用方便。

 

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