LED電子顯示屏近場(chǎng)通信技術(shù)的嵌入式研究

周杰 楊帆 李均濤

摘 要： LED電子顯示屏的顯示系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)控制顯示屏的工作，其操作便捷性、及時(shí)性和靈活性都比較差。故把NFC技術(shù)嵌入在LED電子顯示屏中，將以往由計(jì)算機(jī)設(shè)備控制LED電子顯示屏的顯示轉(zhuǎn)向由NFC設(shè)備來(lái)控制，并通過(guò)運(yùn)用單片機(jī)、NFC芯片、手機(jī)APP等相關(guān)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)此方案。結(jié)果表明，該方案有效地解決了目前LED電子顯示屏存在的不靈活、不方便、不及時(shí)的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞： NFC技術(shù)； LED電子顯示屏； 嵌入式技術(shù)； 單片機(jī)； 手機(jī)APP； 數(shù)據(jù)通信

中圖分類號(hào)： TN014?34； TP211+.5； TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）16?0039?04

Abstract： The display system of the LED electronic display screen controls the working of the screen by means of the computer， which has poor convenience， timeliness and flexibility. Therefore， the near?field communication （NFC） technology is embedded in the LED electronic display screen， so as to make the display of the LED electronic display screen controlled by the computer equipment in the past turn to be controlled by the NFC equipment. The related technologies such as single chip microcomputer， NFC chip and mobile phone APP are used to realize the scheme. The result indicates that the scheme can effectively resolve the problems of inflexibility， inconvenience and tardiness existing in the current LED electronic display screen.

Keywords： NFC technology； LED electronic display screen； embedded technology； single chip microcomputer； mobile phone APP； data communication

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)帶動(dòng)了無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，涌現(xiàn)出大量的創(chuàng)新技術(shù)，NFC無(wú)線技術(shù)作為近距離通信的代表技術(shù)，持有的優(yōu)點(diǎn)突出。NFC近場(chǎng)通信技術(shù)是由RFID（非接觸式射頻技術(shù)）及通信技術(shù)演變而來(lái)，在多種工作模式的支持下，能在短距離內(nèi)與相匹配的設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，也是本文需要應(yīng)用到的重要功能。通過(guò)配備NFC芯片的NFC設(shè)備來(lái)與LED電子顯示屏進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。同時(shí)，NFC技術(shù)的發(fā)展前景不可限量，在多方面得到體現(xiàn)：首先，NFC可以應(yīng)用在多種場(chǎng)景之中來(lái)傳輸文件，如用于支付、文件的傳輸、門禁等，即使NFC設(shè)備無(wú)電狀態(tài)下，也可以用作卡片使用；其次，NFC芯片的價(jià)格已經(jīng)趨于下降，也為NFC功能的廣泛應(yīng)用帶去支撐；最后，NFC技術(shù)的日漸成熟促使了其與企業(yè)巨頭的合作，多家領(lǐng)域巨頭與之合作，如華為、小米、谷歌等，原因在于NFC和傳統(tǒng)的近場(chǎng)通信技術(shù)相比而言，其具有很高的自身安全性，以及設(shè)備之間連接的快速性，這也使得NFC設(shè)備與LED電子顯示屏之間能夠快速進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以提高工作效率，并提高了LED電子顯示屏的市場(chǎng)價(jià)值。

LED電子顯示屏是一種平板顯示器，是由多個(gè)小的LED模塊化面板組合而成。LED電子顯示屏一般用來(lái)顯示各種信息，小型LED電子顯示屏多用來(lái)顯示文字信息，而大型的則用來(lái)顯示視頻、聲音等信息。LED電子顯示屏是通過(guò)控制電路，并連接計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)上LED電子顯示屏的顯示系統(tǒng)來(lái)管理LED電子顯示屏上的信息，系統(tǒng)界面包括文字信息的字體、大小、顯示格式等多方面內(nèi)容的設(shè)置。這種由計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，并由計(jì)算機(jī)來(lái)控制顯示屏的工作，操作便捷性、及時(shí)性、靈活性比較差?；诖?，本方案采用最新的無(wú)線技術(shù)，即NFC技術(shù)，用基于此技術(shù)的NFC設(shè)備（擁有NFC功能的手機(jī)），開發(fā)出的LED顯示控制APP來(lái)管理電子顯示屏（LED單片機(jī)嵌入NFC芯片）。此方案中NFC設(shè)備能通過(guò)近距離通信來(lái)快速傳輸數(shù)據(jù)，從而很好地解決了便捷性、及時(shí)性、靈活性不足等缺點(diǎn)，讓LED電子顯示屏發(fā)揮更大的市場(chǎng)作用。

1 相關(guān)技術(shù)

1.1 NFC技術(shù)

NFC技術(shù)（Near Field Communication）是一種短距離通信（射頻）技術(shù)，主要由NFC芯片和NFC天線兩部分組成。NFC天線主要采用近場(chǎng)磁場(chǎng)耦合方式工作，而NFC芯片具有相互通信、計(jì)算、加密解密等功能。在嵌入有NFC芯片的設(shè)備之間進(jìn)行低功耗無(wú)線通信，通過(guò)簡(jiǎn)單的接觸或在非常接近的距離之間進(jìn)行信息的傳輸。同時(shí)，NFC采用的是一種近距離連接協(xié)議，提供各種設(shè)備間數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰退俾什⑤p松、安全、迅速而自動(dòng)的通信[1]。

NFC處理速度很快，從NFC移動(dòng)設(shè)備前期的偵測(cè)，身份的核實(shí)到數(shù)據(jù)處理存儲(chǔ)只需要約0.1 s的時(shí)間。與無(wú)線世界中的WiFi，ZigBee，藍(lán)牙等無(wú)線技術(shù)相比，NFC技術(shù)很好地結(jié)合了其他無(wú)線技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，也是近距離通信領(lǐng)域下，很好的私密通信方式。

NFC工作模式：NFC無(wú)線技術(shù)常用的工作模式有卡模式和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式。其中，卡模式（Card Emulation）其實(shí)相當(dāng)于一張嵌入了RFID技術(shù)的IC卡，從而可以替換掉IC卡（包括信用卡）場(chǎng)合，如公交卡、門禁卡、各種票單等，在卡模式下，即使NFC設(shè)備無(wú)電狀態(tài)下依然可以進(jìn)行工作，這樣可以充分發(fā)揮NFC設(shè)備的功能。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式（P2P Mode）和先前技術(shù)紅外線具有相似之處，可用于數(shù)據(jù)的交換，也就是信息的通信，只是采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式時(shí)，要求的傳輸距離比較短，但是傳輸過(guò)程中創(chuàng)建的速度較快，傳輸?shù)乃俣纫部?，功耗低。?dāng)然，在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式下，具有一個(gè)非常明顯的特點(diǎn)，擁有兩種基礎(chǔ)模式，即主動(dòng)模式和被動(dòng)模式，兩種模式也可以進(jìn)行相互配合，模式的相互轉(zhuǎn)換。在本方案中，發(fā)生在主動(dòng)模式下的是配備了NFC芯片的LED電子顯示屏將會(huì)主動(dòng)識(shí)別和讀取有效范圍內(nèi)的信息，也就是來(lái)自大家的手機(jī)（具有NFC功能）；發(fā)生在被動(dòng)模式下的情況是，手機(jī)（具有NFC功能）能被有效范圍內(nèi)的其他NFC設(shè)備識(shí)別和讀取，即被LED電子顯示屏所讀取。簡(jiǎn)而言之，就是當(dāng)手機(jī)（具有NFC功能）觸碰或最短距離內(nèi)識(shí)別電子顯示屏（NFC設(shè)備）時(shí)，手機(jī)采用被動(dòng)模式，為被動(dòng)設(shè)備；LED電子顯示屏采用主動(dòng)模式，為主動(dòng)設(shè)備。以此模式互換來(lái)實(shí)現(xiàn)本方案的目的。

1.2 LED電子顯示屏

LED即為發(fā)光二極管，能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)換為光能，是半導(dǎo)體二極管的一種。LED電子顯示屏是由發(fā)光二極管矩陣組成，具有實(shí)用性強(qiáng)等多種優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)榇藘?yōu)點(diǎn)，其被廣泛應(yīng)用在很多的場(chǎng)合中，比如超市、電梯、廣場(chǎng)、車間、車站、公交車等場(chǎng)合。

LED電子顯示屏目前主要是通過(guò)計(jì)算機(jī)控制其顯示，擁有獨(dú)立的控制系統(tǒng)，可以在系統(tǒng)界面進(jìn)行相關(guān)內(nèi)容的更改等操作。但是，這種由計(jì)算機(jī)控制的操作畢竟體現(xiàn)不出靈活性、便捷性、及時(shí)性的特點(diǎn)，本方案在此采用新型無(wú)線技術(shù)NFC來(lái)替代計(jì)算機(jī)。將由嵌入了NFC芯片的NFC設(shè)備來(lái)代替計(jì)算機(jī)，并開發(fā)出相應(yīng)的APP系統(tǒng)，由APP代替計(jì)算機(jī)上的系統(tǒng)界面，使得在操作中更改內(nèi)容更加的方便，并且能夠及時(shí)地傳輸?shù)絃ED電子顯示屏中。

LED電子顯示屏系統(tǒng)組成：本方案采用AT89C52單片機(jī)及其他部件，主要包括電源電路，復(fù)位電路，時(shí)鐘電路，BYTECLK，LINECLK，RAM，EPROM，地址鎖存器，串行通信模塊，驅(qū)動(dòng)模塊等部分，如圖1所示。

LED電子顯示屏是由多個(gè)LED矩陣塊組成，顯示面積可根據(jù)不同的場(chǎng)景進(jìn)行相應(yīng)的增加、減少。電子顯示屏在通電后首先進(jìn)行初始化，與此同時(shí)電子顯示屏處于等待狀態(tài)。

當(dāng)計(jì)算機(jī)發(fā)出指令后，主控電路接收指令，開始工作，通過(guò)單片機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器以及進(jìn)行相應(yīng)的操作，由行驅(qū)動(dòng)模塊和列驅(qū)動(dòng)模塊對(duì)顯示模塊進(jìn)行控制，之后通過(guò)串口進(jìn)行通信，將計(jì)算機(jī)輸入的指令（需要顯示的內(nèi)容）顯示在電子顯示屏上。電子顯示屏利用移位驅(qū)動(dòng)器控制文字的顯示，頻率可設(shè)定。

2 實(shí)施方案

2.1 方案總體概括

當(dāng)下的LED電子顯示屏是由計(jì)算機(jī)通過(guò)通信電纜進(jìn)行控制，或者通過(guò)閃存盤傳輸所需要的信息。為了彌補(bǔ)這種數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋憬菪?、靈活性、及時(shí)性的不足，本文提出運(yùn)用NFC設(shè)備代替計(jì)算機(jī)對(duì)LED電子顯示屏進(jìn)行控制，系統(tǒng)組成原理圖及系統(tǒng)連接圖如圖2和圖3所示。

2.2 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

系統(tǒng)硬件示意圖如圖4所示。由圖4可看出，LED電子顯示屏主要由手機(jī)，也就是NFC設(shè)備的控制，這將改變以往由計(jì)算機(jī)控制的弊端。其主要由一個(gè)主控制電路、單片機(jī)，以及與單片機(jī)相連接的存儲(chǔ)器、移位寄存器、地址鎖存器、鎖存器、串行接口驅(qū)動(dòng)器等組成。其中，存儲(chǔ)器可存儲(chǔ)地址，待顯示的數(shù)據(jù)等，移位寄存器將控制電子顯示屏內(nèi)容的顯示方式，鎖存器可鎖存特定的數(shù)據(jù)信號(hào)，串行接口驅(qū)動(dòng)器可以接收手機(jī)以及主控電路所傳輸?shù)目刂菩盘?hào)以及數(shù)據(jù)信息。

NFC芯片與單片機(jī)串行連接。當(dāng)單片機(jī)接收到主控電路的操作指令時(shí)，單片機(jī)相應(yīng)接口發(fā)送命令，通過(guò)接口激活NFC芯片，提供射頻場(chǎng)，并配合NFC天線（磁場(chǎng)耦合），接收或者發(fā)送數(shù)據(jù)給另1臺(tái)NFC設(shè)備。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

LED電子顯示屏APP的前期開發(fā)，將決定了整個(gè)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)信號(hào)的來(lái)源。因?yàn)轱@示控制電路是通過(guò)APP的界面來(lái)導(dǎo)向的，并且顯示的內(nèi)容也是通過(guò)APP界面管理的。

在數(shù)據(jù)的傳輸過(guò)程中，單片機(jī)處于接收與處理同時(shí)進(jìn)行的狀態(tài)，并進(jìn)行實(shí)時(shí)比較，若出現(xiàn)錯(cuò)誤，將向主控制電路發(fā)出重發(fā)的反饋信號(hào)，主控制電路反饋給NFC設(shè)備。將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼并執(zhí)行命令，分配給相應(yīng)的處理程序，執(zhí)行命令，顯示在LED電子顯示屏上。若出現(xiàn)多次錯(cuò)誤，將發(fā)出“警報(bào)”信號(hào)[2]。軟件流程圖如圖5所示。

3 結(jié) 論

本文中LED電子顯示屏主要是由多個(gè)不同的電路組成，每個(gè)部分都發(fā)揮了重要的作用，且涉及了無(wú)線技術(shù)和電子技術(shù)。將NFC近場(chǎng)通信技術(shù)嵌入在LED電子顯示屏中，使得LED電子顯示屏的應(yīng)用范圍再次擴(kuò)大，有助于促進(jìn)電子顯示屏的市場(chǎng)地位，也提高電子顯示屏的市場(chǎng)價(jià)值，有效地解決了目前LED電子顯示屏存在的不靈活、不方便、不及時(shí)的問(wèn)題。同時(shí)，也將推動(dòng)NFC技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，使得無(wú)線技術(shù)走向更高的領(lǐng)域。因此，該方案具有較好的發(fā)展前景和較好的使用價(jià)值以及市場(chǎng)價(jià)值，值得推廣。

參考文獻(xiàn)

[1] ABDEL?GABER D， ABDEL?ALEEM A. Near?field communication technology and its impact in smart university and digital library： comprehensive study [J]. Journal of library and information sciences， 2015， 3（2）： 43?77.

[2] 李萬(wàn)山.LED電子顯示屏的軟件設(shè)計(jì)[J].指揮技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，1998，9（1）：103?107.

LI Wanshan. Software design of LED electronic display screen [J]. Journal of Institute of Command and Technology， 1998， 9（1）： 103?107.

[3] 邱寄帆.LED電子顯示屏原理與實(shí)現(xiàn)[J].成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2001，17（1）：47?51.

QIU Jifan. Principle and realization of LED electronic display screen [J]. Journal of Chengdu Aeronautic Polytechnic， 2001， 17（1）： 47?51.

[4] 趙娟，高正明，李艷麗.點(diǎn)陣式漢字電子顯示屏的設(shè)計(jì)制作[J].沙洋師范高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2006，7（5）：23?25.

ZHAO Juan， GAO Zhengming， LI Yanli. Design and manufacture of the lattice?Chinese?character electrical display screen [J]. Journal of Shayang Teachers College， 2006， 7（5）： 23?25.

[5] 任燕舞.LED電子顯示屏的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2011，11（4）：20?22.

REN Yanwu. Data storage and processing of LED electronic display monitor [J]. Microcontroller & embedded systems， 2011， 11（4）： 20?22.

[6] 趙飛龍，楊慰民.基于NFC技術(shù)的移動(dòng)應(yīng)用[J].中國(guó)新通信，2008，10（1）：22?25.

ZHAO Feilong， YANG Weimin. Mobile application based on NFC technology [J]. China new telecommunications， 2008， 10（1）： 22?25.

[7] 劉淑萍.NFC技術(shù)與圖書館服務(wù)創(chuàng)新[J].圖書情報(bào)工作，2014（16）：91?95.

LIU Shuping. Innovative research of library services based on NFC technology [J]. Library and information service， 2014（16）： 91?95.

[8] 張倩.NFC技術(shù)在高校檔案信息智能化管理中的應(yīng)用研究[J].檔案與建設(shè)，2015（5）：25?29.

ZHANG Qian. Research of the application of NFC in intelligence management of university archives [J]. Archives & construction， 2015（5）： 25?29.

[9] GOLDSMITH M U D， FONSECA A J. Proactive marketing for the new and experienced library director [M]. Amsterdam： Elsevier， 2014： 17?27.

[10] ONG I， GOH C， CHUA L， et al. Empowering the library patron： the public libraries of Singapore′s experience with transactional services delivered through a mobile application [C/OL]. [2014?06?06]. http：//library.ifla.org/906/1/210?ong?en.pdf.