無(wú)線傳輸LED十字屏集群控制系統(tǒng)

謝琦明+李強(qiáng)++富金龍，+付亮

摘 要： 針對(duì)傳統(tǒng)LED屏信息發(fā)布不靈活、不及時(shí)、無(wú)法顯示動(dòng)畫(huà)、布線復(fù)雜、成本高等問(wèn)題，提出采用無(wú)線傳輸?shù)氖制良汗芾斫鉀Q方案。PC端的監(jiān)控系統(tǒng)能編輯文本信息和3D動(dòng)畫(huà)，通過(guò)無(wú)線通訊模塊實(shí)時(shí)發(fā)布或定時(shí)發(fā)送到十字屏集群，并能夠?qū)收线M(jìn)行監(jiān)控；十字屏集群能夠采用主/從模式進(jìn)行信息交互，十字屏控制系統(tǒng)能夠通過(guò)溫度、亮度傳感器感知外部環(huán)境并自動(dòng)調(diào)整顯示屏的亮度。通過(guò)實(shí)際應(yīng)用證明了其具有較好的適應(yīng)性和應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞： 無(wú)線傳輸； LED十字屏； 集群控制

中圖分類(lèi)號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-8228（2016）12-24-04

Abstract： Aiming at the problem that the traditional LED screen is inflexible and not timely information publishing， unable to display animation， wiring complexity， high cost and so on， this paper puts forward a cross screen cluster management solution using wireless transmission technology. The control system on PC can edit textual and 3D information， and send them out to the LED cross screen cluster in real-time by the wireless communication module， and can monitor the fault of LED cross screen. Cross screen cluster can use master/slave mode to exchange information， so the control system can sense the external environment by temperature and brightness sensors and automatically adjusts the brightness of the display. Practical application shows that it has better adaptability and application value.

Key words： wireless transmission； LED cross screen； cluster control

0 引言

目前LED電子顯示屏已經(jīng)在金融市場(chǎng)、商場(chǎng)、交通港口、體育場(chǎng)館等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[1-2]，但大多數(shù)顯示屏內(nèi)容固定，傳統(tǒng)模式下用戶只能通過(guò)電腦直接對(duì)LED電子顯示屏進(jìn)行管理。這種模式存在很大局限性，比如通信方式單一導(dǎo)致環(huán)境適應(yīng)性差，布線復(fù)雜成本高，無(wú)法滿足醫(yī)藥或其他領(lǐng)域?qū)Χ囡@示屏集中實(shí)施統(tǒng)一管理，不能隨時(shí)隨地控制LED電子顯示屏，無(wú)法對(duì)芯片內(nèi)程序進(jìn)行遠(yuǎn)程更新升級(jí)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)畫(huà)的動(dòng)態(tài)添加和刪除，產(chǎn)品質(zhì)量不能得到有效控制。

目前對(duì)LED顯示屏的控制有多種有線或無(wú)線方式。有線方式[3]布線復(fù)雜，成本高昂；USB[4]和串口傳輸方式[5]都需要工作人員攜帶筆記本或者U盤(pán)到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的更新。文獻(xiàn)5采用GSM、GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)LED屏信息進(jìn)行更新，這種方式信息傳輸費(fèi)用高，不適合藥店等小型商店使用。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文采用無(wú)線傳輸?shù)姆绞浇鉀Q了上述問(wèn)題，能對(duì)多個(gè)LED顯示屏集群控制、3D動(dòng)畫(huà)傳輸，具有安裝管理方便、成本低、功能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、無(wú)線收發(fā)模塊、LED十字屏系統(tǒng)三部分組成。

待發(fā)送信息由上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)USB發(fā)送給無(wú)線收發(fā)模塊，并由SI4432芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)制后通過(guò)天線將數(shù)據(jù)發(fā)出。因?yàn)闊o(wú)線信號(hào)是以廣播的形式發(fā)送，所有的LED十字屏可通過(guò)無(wú)線模塊獲取信號(hào)，所以可以連接任意多個(gè)LED十字屏。當(dāng)LED十字屏控制器接收到信息后，通過(guò)單片機(jī)將數(shù)據(jù)解調(diào)，并根據(jù)ID判斷是否發(fā)送給自己的信息或者是廣播信息，如果是則顯示到十字屏上。

上位機(jī)和十字屏之間有兩種通訊模式。第一種模式是廣播模式上位機(jī)直接與多個(gè)十字屏通訊；第二種模式是主從模式，上位機(jī)指定一個(gè)十字屏作為主機(jī)，上位機(jī)只與指定主機(jī)通信，其他的十字屏（從）與指定的十字屏（主）進(jìn)行通信。第一種通訊模式的缺點(diǎn)是無(wú)法滿足遠(yuǎn)距離十字屏與上位機(jī)通訊，并且多個(gè)十字屏之間分布較廣時(shí)上位機(jī)發(fā)送的無(wú)線信號(hào)無(wú)法覆蓋到所有的十字屏，但它具有信息同步快、更新及時(shí)等優(yōu)點(diǎn)。第二種通訊模式的優(yōu)點(diǎn)是上位機(jī)可以對(duì)大范圍遠(yuǎn)距離的十字屏進(jìn)行管理，通過(guò)指定特定的十字屏作為主機(jī)與其他下位機(jī)進(jìn)行通訊，但其缺點(diǎn)是多個(gè)十字屏信息更新需要較長(zhǎng)的時(shí)間。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 無(wú)線通訊模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中采用了兩種無(wú)線模塊使用方式。第一種是把無(wú)線模塊作為一個(gè)獨(dú)立模塊。第二種是把無(wú)線模塊集成的十字屏控制系統(tǒng)中，相比于第一種模式，模式二少了電源模塊和USB轉(zhuǎn)串口通訊模塊，但其主要功能和設(shè)計(jì)是一致的。下面以獨(dú)立無(wú)線模塊為例來(lái)介紹無(wú)線通訊模塊設(shè)計(jì)。

2.1 無(wú)線通訊模塊硬件設(shè)計(jì)

無(wú)線通訊模塊由USB轉(zhuǎn)串口通訊模塊、STC11L02單片機(jī)、SI4432無(wú)線芯片、天線開(kāi)關(guān)芯片、電源模塊組成，其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

無(wú)線發(fā)射模塊選用STC11L02單片機(jī)作為控制核心，通過(guò)USB轉(zhuǎn)串口芯片接收上位機(jī)管理軟件傳來(lái)的數(shù)據(jù)，然后通將數(shù)據(jù)傳給SI4432收發(fā)芯片，SI4432芯片采用GFSK調(diào)制編碼后將數(shù)據(jù)通過(guò)天線發(fā)出。

SI4432芯片是由Silabs公司出品的工作于低于1GHz頻段的無(wú)線數(shù)傳芯片。SI4432輸出功率可達(dá)+20dBm，接收靈敏度達(dá)到-121dBm。它的高靈敏度天線分集技術(shù)（雙天線）和+20dBm（100mWIEEE802.11和國(guó)家無(wú)委會(huì)規(guī)定的最大發(fā)射功率）的功率放大器（它是目前惟一集成此功放的RF芯片）BJ，使得它有“距離之王，穿墻之王”之稱(chēng)（空曠距離可至2000m，可穿透十道墻）[6-7]，能夠滿足藥店等多方向多屏分布的需求。

無(wú)線通訊模塊硬件電路如圖3所示。

2.2 無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議

無(wú)線通訊中數(shù)據(jù)采用完整傳輸機(jī)制。數(shù)據(jù)包分為幀頭、數(shù)據(jù)段、幀尾三部分。

幀頭包括起始標(biāo)記、幀長(zhǎng)度、序列號(hào)、數(shù)據(jù)段長(zhǎng)度，起始標(biāo)記用0xFF 0xFF 0x4A 0x0x4B 0xAF來(lái)表示；幀長(zhǎng)度2個(gè)字節(jié)，表示整個(gè)幀的字節(jié)數(shù)；序列號(hào)10個(gè)字節(jié)，用于標(biāo)識(shí)不同的十字屏；數(shù)據(jù)段長(zhǎng)度2個(gè)字節(jié)，表示發(fā)送數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)。

數(shù)據(jù)段即為實(shí)際要發(fā)送的信息。

幀尾包括校驗(yàn)部分和幀結(jié)束標(biāo)記。校驗(yàn)碼占5個(gè)字節(jié)，采用CRC校驗(yàn)方式；幀結(jié)束標(biāo)記用0xFA 0xF0 0xF0 0x00 0x00來(lái)表示。協(xié)議幀格式如表1所示。

3 十字屏系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

十字屏控制系統(tǒng)由Cortex-M4、LED顯示屏、溫度傳感器、亮度傳感器以及無(wú)線模塊等組成[8-10]。其中溫度和亮度傳感器則是為了采集環(huán)境溫度和亮度，來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)整LED十字屏的色彩和亮度。因?yàn)樵揕ED十字屏播放3D動(dòng)畫(huà)所占的存儲(chǔ)空間比較大，所以在Cortex-M4的基礎(chǔ)上擴(kuò)展了Flash。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

系統(tǒng)硬件電路如圖5所示。

十字屏驅(qū)動(dòng)電路由5塊16*32的點(diǎn)陣模塊組成，采用1/4掃。使用單元板便于擴(kuò)充顯示單元，控制靈活，軟件設(shè)計(jì)相對(duì)也較為簡(jiǎn)單。

十字屏采用8塊74HC595芯片驅(qū)動(dòng)，使用動(dòng)態(tài)掃描的方式各組發(fā)光燈依次點(diǎn)亮，只要掃描頻率高于臨界閃爍頻率，給人的感覺(jué)就是一個(gè)靜態(tài)的效果[11-13]。每一行LED亮、滅取決于74HC595中所鎖存的信號(hào)。在第一行LED點(diǎn)亮的同時(shí)，在74HC595中移入第二行需要顯示的數(shù)據(jù)，隨后將其鎖存，并同時(shí)由行掃描控制電路將第一行掃描管關(guān)閉而接通第二行，使第二行LED點(diǎn)亮，以此類(lèi)推，最后一行掃描過(guò)后再回到第一行，只要掃描速度足夠高，就可形成完整的圖像。單片機(jī)將要顯示的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成相對(duì)應(yīng)的LED屏顯示驅(qū)動(dòng)信號(hào)，再加入相應(yīng)的動(dòng)態(tài)顯示效果控制程序后，通過(guò)SPI口分別輸出給行、列驅(qū)動(dòng)電路。十字屏驅(qū)動(dòng)芯片電路如下圖6所示。

3.2 十字屏控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

十字屏下位機(jī)系統(tǒng)采用Keil MDK4作為開(kāi)發(fā)工具，采用C語(yǔ)言編程。系統(tǒng)主要有播放節(jié)目模塊、主從設(shè)置模塊、十字屏參數(shù)設(shè)置模塊、無(wú)線收發(fā)模塊、中斷處理模塊等。當(dāng)無(wú)數(shù)據(jù)接收時(shí)，程序讀取節(jié)目列表并播放，有無(wú)線數(shù)據(jù)接收時(shí)，產(chǎn)生軟中斷負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收和保存，數(shù)據(jù)接收完后繼續(xù)播放動(dòng)畫(huà)。

4 上位機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)監(jiān)控軟件采用Delphi XE開(kāi)發(fā)工具，編程語(yǔ)言使用的是Delphi。該軟件按功能劃分為三大模塊，十字屏管理模塊、媒體信息管理、通訊管理模塊，其模塊結(jié)構(gòu)如圖7所示。

[LED十字屏上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)][十字屏管理模塊][十字屏注冊(cè)管理][十字屏配置管理] [媒體信息管理][十字屏仿真][節(jié)目管理] [通訊管理模塊][十字屏IAP升級(jí)][十字屏動(dòng)畫(huà)下載][通訊參數(shù)設(shè)置]

十字屏管理模塊有十字屏注冊(cè)管理、十字屏配置管理功能等。十字屏注冊(cè)管理：十字屏要與上位機(jī)之間通訊首先要在上位機(jī)注冊(cè)序列號(hào)，注冊(cè)后上位機(jī)發(fā)送廣播信息，十字屏收到廣播后響應(yīng)，向上位機(jī)發(fā)送確認(rèn)信息，當(dāng)上位機(jī)收到十字屏發(fā)出的響應(yīng)信息后完成注冊(cè)；十字屏配置管理，設(shè)定LED十字屏控制參數(shù)，例如，將指定LED十字屏作為主機(jī)或從機(jī)、LED十字屏定時(shí)設(shè)置等。

媒體信息管理模塊有十字屏3D動(dòng)畫(huà)仿真、節(jié)目管理功能等。用戶可以根據(jù)實(shí)際需求添加自定義動(dòng)畫(huà)、文本信息或者刪除動(dòng)畫(huà)，而且用戶可以針對(duì)特定的節(jié)日制定特殊動(dòng)畫(huà)、定時(shí)播放等，并可通過(guò)3D動(dòng)畫(huà)仿真預(yù)覽實(shí)際效果。

通信管理模塊有十字屏IAP升級(jí)、動(dòng)畫(huà)下載、通信參數(shù)設(shè)置等。

5 系統(tǒng)應(yīng)用

目前大多數(shù)藥店或者醫(yī)院都是采用傳統(tǒng)的燈具來(lái)表示十字，這種方法只能簡(jiǎn)單提示人們這是藥店或者醫(yī)院，但不能給客戶或者病人提供實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的信息以及顯示3D動(dòng)畫(huà)等。在國(guó)外LED十字屏已經(jīng)的到廣泛的應(yīng)用，但目前在國(guó)內(nèi)還缺乏這方面的應(yīng)用，所以LED十字屏在國(guó)內(nèi)將有很好的應(yīng)用前景。該LED十字屏在國(guó)外藥店已經(jīng)得到實(shí)際應(yīng)用。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文實(shí)現(xiàn)了基于無(wú)線的LED十字屏集群管理，十字屏與上位機(jī)采用了兩種通訊方式，其一是上位機(jī)直接和所有的十字屏監(jiān)控，二是上位機(jī)指定一個(gè)十字屏為主機(jī)且只與之通信，其他十字屏則與該十字屏進(jìn)行信息交互。上位機(jī)可以隨時(shí)編輯顯示文本或3D動(dòng)畫(huà)。并且，該系統(tǒng)管理方便、成本低、維護(hù)簡(jiǎn)單，在實(shí)際中的到了很好的應(yīng)用。

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