怎样去设计一种无线LED显示屏控制系统？

　　引言
　　随着LED 技术的发展与提高，大型LED 显示屏已广泛应用于各类公共场所，用于显示文字、图形、视频图像等多媒体信息。在城市信息现代化建设中，LED 显示屏成为现代信息传播的重要媒体之一。随着户外LED 屏数量的剧增和使用范围的扩大，对LED 显示屏的管理与控制提出了新的要求。
　　1 系统工作原理
　　本系统主要由上位机和下位机组成。上位机为安装有LED 屏管理软件而且能连接Internet 或GPRS 网络的设备，例如PC、移动设备等。下位机为以AVR 单片机控制模块为主的LED 屏无线控制器。系统拓扑结构如图1 所示。
　　
　　系统主要利用GPRS 模块作为无线Modem， 实现了LED 显示屏无线控制器（作为客户端）拨号上网，与Internet 网络上的上位机（作为服务端）进行TCP 无线通信，实现数据传输，完成对LED 屏的无线数据更新。
　　2 下位机硬件设计
　　如图2 所示，LED 屏无线控制器主要由四部分组成： 电源模块、GPRS 模块、AVR 单片机控制模块、LED显示屏。
　　
　　2.1 AVR 单片机控制模块
　　为了保证通信数据的实时性和效率， 又能兼顾驱动LED 显示屏， 所以本模块采用的MCU 是拥有双串口的ATMEL 公司的ATmega 162.它是一款基于AVRRISC 的低功耗CMOS 的8 位单片机，其稳定性、可靠性非常高， 能适应各种环境， 适用于各种不同的无线LED 显示屏使用环境。
　　本模块主要处理GPRS 模块接收到的信息， 并将接收到的屏显信息传送给LED 屏，同时通过串口发出AT 指令监视GPRS 模块是否有新消息。一旦有，立刻进入串口中断，对数据进行处理。在TCP/IP 协议下，数据采用十六进制的方式传输，不需要进行汉字解码，大大简化了系统外围电路的设计。
　　2.2 GPRS 模块电路
　　GPRS 模块采用了SIMCOM 公司的SIM300.该模块体积小巧，性能突出，可广泛应用于无线语音传输、车载系统、远程抄表、安全监控、遥控遥测、手持设备等领域。
　　SIM300 模块具有功能完备的系统接口，在内部集成了TCP/IP 协议栈，扩展了TCP/IP AT 指令，可以通过串口对其提供的AT 指令进行交互操作。这样可以降低开发难度，易于实现数据传输，而且成本较低，系统的可扩展性好。
　　SIM300 需要外接SIM 卡卡座，其串口与单片机的串口相连，将GPRS 模块接收到的信息传送给单片机，然后进行数据处理。而AVR 单片机则控制SIM300 模块的开关，AVR 单片机与SIM300 模块的连接示意图如图3 所示。
　　
　　2.3 LED 屏驱动电路
　　本系统的LED 条屏采用比较经典的74HC595 作为点阵输出的列驱动，采用ULN2803 作为行驱动。此方案的驱动电路设计软硬件设计简单，而且功耗低、驱动能力强、占用的I/O 口线较少，是一种造价低廉、应用灵活的设计方案。
　　3 通信协议设计
　　由于本系统采用了GPRS 网络的通信模式， 所以上位机设置一个LED 控制器管理平台来管理所有的LED 控制器。这个LED 控制器管理平台（即“上位机软件”）通过TCP/IP 协议与LED 屏无线控制器进行通信，而且可以同时控制多台。上位机软件与LED 屏无线控制器之间采用GPRS 方式进行连接， 它们之间的连接关系如图4 所示。
　　
　　LED 屏无线控制器是客户端， 其数据的收发通过上位机软件控制。当LED 屏控制器上电运行后，会主动向上位机软件建立连接并握手，登录成功后，上位机软件与LED 控制器才能进行数据传输。
　　上位机软件与各LED 屏无线控制器之间通信协议是以TCP 协议为基础协议， 并自定义了一个STCP协议层用于封装PDU（数据单元）数据层协议。STCP 协议层只为PDU 的承载框架， 提供安全可靠的传输过程。通信网络层结构图如图5 所示。
　　
　　图5 通信网络层结构图
　　在自定义的STCP 通信协议中，制定了一系列管理无线LED 显示屏控制器的通信指令，主要为上位机软件的编程提供具体的通信结构和规范。通信包格式如表1所示：
　　表1 通信包格式
　　
　　注：
　　完整数据长度： 整型字节（4 个字节长度），整个通信包的长度;
　　命令字： 根据无线LED 显示屏控制器通信指令表，见表2;
　　显式控制字： 0-无;1-上移;2-下移;3-左移;4-右移;5-静止;6-闪烁;7-删除;
　　数据内容：需要显示信息内容;
　　校验和： 全部数据累加校验和;
　　根据无线LED 显示屏控制器实际运用需要，制定了发送、删除、显示、连接、断开指令等。这些指令的代码和主要作用如表2 所示。
　　表2 通信指令表
　　
　　上位机软件通过Internet 网络将数据发送到无线LED 显示屏控制器后，LED 显示屏控制器需要对收到的数据进行处理。根据指令的不同，可以控制LED 显示屏的显示内容及显示模式（例如上移、下移、左移、右移、静止、闪烁、删除等）。
　　4 软件设计
　　本系统的软件设计包括两部分： 上位机软件和AVR 单片机的控制程序。上位机软件完成与GPRS 模块的通信， 控制LED 显示屏上显示的数据信息;AVR单片机的控制软件主要完成系统初始化，GPRS 网络连接，接收上位机发送的信息，分析接收信息内容，完成指令， 并按需将发布信息转换为点阵信息， 送到LED显示屏进行显示。
　　4.1 AVR 单片机的控制程序
　　AVR 单片机的控制程序主要完成以下功能：连接GPRS 网络、数据传输、控制LED 屏显示。
　　（1）初始化系统及SIM300 模块，连接GPRS 网络;（2）依照显示屏控制器与上位机的通信协议，与上位机通信握手，接收指令，解析指令，并将显示数据等信息存储与处理;（3）通过串口驱动LED 屏，进行信息的显示等。
　　下面简单介绍SIM300 模块与上位机实现TCP/IP无线通信流程。
　　AT+CGDCONT=1，“IP”，“CMNET” --注册中国移动网络
　　OK
　　AT+CGCLASS？ --显示GPRS 信息移动的类型
　　+CGCLASS： “B”
　　OK
　　AT+CGATT？ --GPRS 服务附加/分离
　　+CGATT： 1
　　OK
　　AT+CGACT=1，1 --环境激活
　　OK
　　AT +CIPSTART = “TCP”，“202.196.87.7”，“2020” -- 启动
　　TCP 连接（上位机IP 地址及端口号）
　　OK
　　CONNECT OK --连接成功
　　AT+CIPSEND --通过TCP 发送数据
　　》 HELLO
　　SEND OK --发送成功
　　4.2 上位机软件
　　本系统的上位机软件主要采用VC 设计一个通信界面，实现与LED 远程控制器通信。用户界面部分采用MFC 框架基于Dialog 实现。在利用Visual C++进行通过TCP/IP 协议网络传输数据开发时， 采用IOCP 框架来实现Windows Socket 的完成端口模型。
　　IOCP 即I/O 完成端口（I/O Completion Port），是一个异步I/O 的API，它可以高效地将I/O 事件通知给应用程序。一个套接字在被创建后，与一个完成端口进行关联。当一个事件发生的时候，此完成端口就将***作系统加入一个队列中， 然后应用程序可以对核心层进行查询以得到此完成端口。当某项I/O 操作一旦完成， 某个可以对该操作结果进行处理的工作线程就会收到一则通知。在此应用程序中创建一定数量的工作线程来处理重叠I/O 请求的通知。
　　IOCP 框架的启动流程如图6 所示。
　　
　　IOCP 框架的实现步骤如下：
　　（1）初始化Winsock 工作环境，并创建完成端口，创建完成端口线程，建立一个监听套接字，使套接字与完成端口关联起来;
　　（2）监听套接字开始工作，当监听套接字接收到客户端TCP 的连接请求时，IOCP 会获取并处理该消息，创建对应的Socket 对象进行接收处理，完成连接工作;
　　（3）当客户端完成TCP 连接后，可以开始数据通信，由I/O 线程来负责分发I/O 请求，通过线程池来分配逻辑处理环境;
　　（4）在接收数据后，将微软提供的一个I/O 数据结构（WSAOVERLAPPED）进行扩展，完成协议解析和数据处理。
　　此外，这里的线程池只是一个管理队列，用于处理线程资源的管理， 用最少的线程完成最大业务逻辑的处理。真正执行的线程函数也不完成详细的业务处理，仅仅完成对I/O 请求的再调用，而由虚函数实现I/O 请求的再处理。
　　为了提高软件的友好性， 框架采用Windows 的消息机制，与UI 进行交互，通过窗口消息将框架的相关信息传递给UI 窗口。因此在框架中保留了一个指针成员， 并在需要的时候通过该指针调用消息响应函数向窗口发送消息，UI 根据消息反映框架的运行信息。
　　5 结语
　　根据近年来GSM/GPRS 数据通信技术等发展的趋势，本文提出了基于GPRS 网络的、使用低成本SIM300模块的无线LED 屏控制器的设计方案， 该系统利用TCP/IP 协议实现了基于GPRS 网络的无线数据的传送。上位机将文字或图片信息数据通过GPRS 网络传输到远程LED 屏终端， 也可以接收客户端发送的数据，再根据数据的内容相应地完成各种命令，控制LED屏显示相应的信息。该系统设计经测试取得了良好的效果。