引言

隨著LED技術的發展與提高，大型LED顯示屏已廣泛應用于各類公共場所，用于顯示文字、圖形、視頻圖像等多媒體信息。在城市信息現代化建設中，LED顯示屏成為現代信息傳播的重要媒體之一。隨著戶外LED屏數量的劇增和使用范圍的擴大，對LED顯示屏的管理與控制提出了新的要求。

1 、系統工作原理

本系統主要由上位機和下位機組成。上位機為安裝有LED屏管理軟件而且能連接Internet 或GPRS網絡的設備，例如PC、移動設備等。下位機為以AVR單片機控制模塊為主的LED屏無線控制器。系統拓撲結構如圖1 所示。

系統主要利用GPRS模塊作為無線Modem， 實現了LED顯示屏無線控制器（作為客戶端）撥號上網，與Internet 網絡上的上位機（作為服務端）進行TCP 無線通信，實現數據傳輸，完成對LED 屏的無線數據更新。

2 、下位機硬件設計

如圖2 所示，LED屏無線控制器主要由四部分組成： 電源模塊、GPRS模塊、AVR單片機控制模塊、LED顯示屏。

2.1 AVR 單片機控制模塊

為了保證通信數據的實時性和效率， 又能兼顧驅動LED 顯示屏， 所以本模塊采用的MCU 是擁有雙串口的ATMEL 公司的ATmega 162.它是一款基于AVRRISC 的低功耗CMOS 的8 位單片機，其穩定性、可靠性非常高， 能適應各種環境， 適用于各種不同的無線LED 顯示屏使用環境。

本模塊主要處理GPRS 模塊接收到的信息， 并將接收到的屏顯信息傳送給LED 屏，同時通過串口發出AT 指令監視GPRS 模塊是否有新消息。一旦有，立刻進入串口中斷，對數據進行處理。在TCP/IP 協議下，數據采用十六進制的方式傳輸，不需要進行漢字解碼，大大簡化了系統外圍電路的設計。

2.2 GPRS 模塊電路

GPRS 模塊采用了SIMCOM 公司的SIM300.該模塊體積小巧，性能突出，可廣泛應用于無線語音傳輸、車載系統、遠程抄表、安全監控、遙控遙測、手持設備等領域。

SIM300 模塊具有功能完備的系統接口，在內部集成了TCP/IP 協議棧，擴展了TCP/IP AT 指令，可以通過串口對其提供的AT 指令進行交互操作。這樣可以降低開發難度，易于實現數據傳輸，而且成本較低，系統的可擴展性好。

SIM300 需要外接SIM 卡卡座，其串口與單片機的串口相連，將GPRS 模塊接收到的信息傳送給單片機，然后進行數據處理。而AVR 單片機則控制SIM300 模塊的開關，AVR 單片機與SIM300 模塊的連接示意圖如圖3 所示。

2.3 LED 屏驅動電路

本系統的LED 條屏采用比較經典的74HC595 作為點陣輸出的列驅動，采用ULN2803 作為行驅動。此方案的驅動電路設計軟硬件設計簡單，而且功耗低、驅動能力強、占用的I/O 口線較少，是一種造價低廉、應用靈活的設計方案。

3、 通信協議設計

由于本系統采用了GPRS 網絡的通信模式， 所以上位機設置一個LED 控制器管理平臺來管理所有的LED 控制器。這個LED 控制器管理平臺（即“上位機軟件”）通過TCP/IP 協議與LED 屏無線控制器進行通信，而且可以同時控制多臺。上位機軟件與LED 屏無線控制器之間采用GPRS 方式進行連接， 它們之間的連接關系如圖4 所示。

LED 屏無線控制器是客戶端， 其數據的收發通過上位機軟件控制。當LED 屏控制器上電運行后，會主動向上位機軟件建立連接并握手，登錄成功后，上位機軟件與LED 控制器才能進行數據傳輸。

上位機軟件與各LED 屏無線控制器之間通信協議是以TCP 協議為基礎協議， 并自定義了一個STCP協議層用于封裝PDU（數據單元）數據層協議。STCP 協議層只為PDU 的承載框架， 提供安全可靠的傳輸過程。通信網絡層結構圖如圖5 所示。

圖5 通信網絡層結構圖

在自定義的STCP 通信協議中，制定了一系列管理無線LED 顯示屏控制器的通信指令，主要為上位機軟件的編程提供具體的通信結構和規范。通信包格式如表1所示：

表1 通信包格式

注：

完整數據長度： 整型字節（4 個字節長度），整個通信包的長度；

命令字： 根據無線LED 顯示屏控制器通信指令表，見表2;

顯式控制字： 0-無；1-上移；2-下移；3-左移；4-右移；5-靜止；6-閃爍；7-刪除；

數據內容：需要顯示信息內容；

校驗和： 全部數據累加校驗和；

根據無線LED 顯示屏控制器實際運用需要，制定了發送、刪除、顯示、連接、斷開指令等。這些指令的代碼和主要作用如表2 所示。

表2 通信指令表

上位機軟件通過Internet 網絡將數據發送到無線LED 顯示屏控制器后，LED 顯示屏控制器需要對收到的數據進行處理。根據指令的不同，可以控制LED 顯示屏的顯示內容及顯示模式（例如上移、下移、左移、右移、靜止、閃爍、刪除等）。

4 、軟件設計

本系統的軟件設計包括兩部分： 上位機軟件和AVR 單片機的控制程序。上位機軟件完成與GPRS 模塊的通信， 控制LED 顯示屏上顯示的數據信息；AVR單片機的控制軟件主要完成系統初始化，GPRS 網絡連接，接收上位機發送的信息，分析接收信息內容，完成指令， 并按需將發布信息轉換為點陣信息， 送到LED顯示屏進行顯示。

4.1 AVR 單片機的控制程序

AVR 單片機的控制程序主要完成以下功能：連接GPRS 網絡、數據傳輸、控制LED 屏顯示。

（1）初始化系統及SIM300 模塊，連接GPRS 網絡；（2）依照顯示屏控制器與上位機的通信協議，與上位機通信握手，接收指令，解析指令，并將顯示數據等信息存儲與處理；（3）通過串口驅動LED 屏，進行信息的顯示等。

下面簡單介紹SIM300 模塊與上位機實現TCP/IP無線通信流程。

AT+CGDCONT=1，“IP”，“CMNET” --注冊中國移動網絡

OK

AT+CGCLASS？ --顯示GPRS 信息移動的類型

+CGCLASS： “B”

OK

AT+CGATT？ --GPRS 服務附加/分離

+CGATT： 1

OK

AT+CGACT=1，1 --環境激活

OK

AT +CIPSTART = “TCP”，“202.196.87.7”，“2020” -- 啟動

TCP 連接（上位機IP 地址及端口號）

OK

CONNECT OK --連接成功

AT+CIPSEND --通過TCP 發送數據

》 HELLO

SEND OK --發送成功

4.2 上位機軟件

本系統的上位機軟件主要采用VC 設計一個通信界面，實現與LED 遠程控制器通信。用戶界面部分采用MFC 框架基于Dialog 實現。在利用Visual C++進行通過TCP/IP 協議網絡傳輸數據開發時， 采用IOCP 框架來實現Windows Socket 的完成端口模型。

IOCP 即I/O 完成端口（I/O Completion Port），是一個異步I/O 的API，它可以高效地將I/O 事件通知給應用程序。一個套接字在被創建后，與一個完成端口進行關聯。當一個事件發生的時候，此完成端口就將被操作系統加入一個隊列中， 然后應用程序可以對核心層進行查詢以得到此完成端口。當某項I/O 操作一旦完成， 某個可以對該操作結果進行處理的工作線程就會收到一則通知。在此應用程序中創建一定數量的工作線程來處理重疊I/O 請求的通知。

IOCP 框架的啟動流程如圖6 所示。

IOCP 框架的實現步驟如下：

（1）初始化Winsock 工作環境，并創建完成端口，創建完成端口線程，建立一個監聽套接字，使套接字與完成端口關聯起來；

（2）監聽套接字開始工作，當監聽套接字接收到客戶端TCP 的連接請求時，IOCP 會獲取并處理該消息，創建對應的Socket 對象進行接收處理，完成連接工作；

（3）當客戶端完成TCP 連接后，可以開始數據通信，由I/O 線程來負責分發I/O 請求，通過線程池來分配邏輯處理環境；

（4）在接收數據后，將微軟提供的一個I/O 數據結構（WSAOVERLAPPED）進行擴展，完成協議解析和數據處理。

此外，這里的線程池只是一個管理隊列，用于處理線程資源的管理， 用最少的線程完成最大業務邏輯的處理。真正執行的線程函數也不完成詳細的業務處理，僅僅完成對I/O 請求的再調用，而由虛函數實現I/O 請求的再處理。

為了提高軟件的友好性， 框架采用Windows 的消息機制，與UI 進行交互，通過窗口消息將框架的相關信息傳遞給UI 窗口。因此在框架中保留了一個指針成員， 并在需要的時候通過該指針調用消息響應函數向窗口發送消息，UI 根據消息反映框架的運行信息。

5 、結語

根據近年來GSM/GPRS 數據通信技術等發展的趨勢，本文提出了基于GPRS 網絡的、使用低成本SIM300模塊的無線LED 屏控制器的設計方案， 該系統利用TCP/IP 協議實現了基于GPRS 網絡的無線數據的傳送。上位機將文字或圖片信息數據通過GPRS 網絡傳輸到遠程LED 屏終端， 也可以接收客戶端發送的數據，再根據數據的內容相應地完成各種命令，控制LED屏顯示相應的信息。該系統設計經測試取得了良好的效果。
責任編輯；zl