LED電子顯示屏近場通信技術的嵌入式研究

周杰 楊帆 李均濤

摘 要： LED電子顯示屏的顯示系統通過計算機來控制顯示屏的工作，其操作便捷性、及時性和靈活性都比較差。故把NFC技術嵌入在LED電子顯示屏中，將以往由計算機設備控制LED電子顯示屏的顯示轉向由NFC設備來控制，并通過運用單片機、NFC芯片、手機APP等相關技術來實現此方案。結果表明，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、不及時的問題。

關鍵詞： NFC技術； LED電子顯示屏； 嵌入式技術； 單片機； 手機APP； 數據通信

中圖分類號： TN014?34； TP211+.5； TP39 文獻標識碼： A 文章編號： 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

物聯網技術帶動了無線通信技術的發展，涌現出大量的創新技術，NFC無線技術作為近距離通信的代表技術，持有的優點突出。NFC近場通信技術是由RFID（非接觸式射頻技術）及通信技術演變而來，在多種工作模式的支持下，能在短距離內與相匹配的設備進行數據的傳輸，也是本文需要應用到的重要功能。通過配備NFC芯片的NFC設備來與LED電子顯示屏進行數據的傳輸。同時，NFC技術的發展前景不可限量，在多方面得到體現：首先，NFC可以應用在多種場景之中來傳輸文件，如用于支付、文件的傳輸、門禁等，即使NFC設備無電狀態下，也可以用作卡片使用；其次，NFC芯片的價格已經趨于下降，也為NFC功能的廣泛應用帶去支撐；最后，NFC技術的日漸成熟促使了其與企業巨頭的合作，多家領域巨頭與之合作，如華為、小米、谷歌等，原因在于NFC和傳統的近場通信技術相比而言，其具有很高的自身安全性，以及設備之間連接的快速性，這也使得NFC設備與LED電子顯示屏之間能夠快速進行數據傳輸以提高工作效率，并提高了LED電子顯示屏的市場價值。

LED電子顯示屏是一種平板顯示器，是由多個小的LED模塊化面板組合而成。LED電子顯示屏一般用來顯示各種信息，小型LED電子顯示屏多用來顯示文字信息，而大型的則用來顯示視頻、聲音等信息。LED電子顯示屏是通過控制電路，并連接計算機，由計算機上LED電子顯示屏的顯示系統來管理LED電子顯示屏上的信息，系統界面包括文字信息的字體、大小、顯示格式等多方面內容的設置。這種由計算機設計的系統，并由計算機來控制顯示屏的工作，操作便捷性、及時性、靈活性比較差?；诖耍痉桨覆捎米钚碌臒o線技術，即NFC技術，用基于此技術的NFC設備（擁有NFC功能的手機），開發出的LED顯示控制APP來管理電子顯示屏（LED單片機嵌入NFC芯片）。此方案中NFC設備能通過近距離通信來快速傳輸數據，從而很好地解決了便捷性、及時性、靈活性不足等缺點，讓LED電子顯示屏發揮更大的市場作用。

1 相關技術

1.1 NFC技術

NFC技術（Near Field Communication）是一種短距離通信（射頻）技術，主要由NFC芯片和NFC天線兩部分組成。NFC天線主要采用近場磁場耦合方式工作，而NFC芯片具有相互通信、計算、加密解密等功能。在嵌入有NFC芯片的設備之間進行低功耗無線通信，通過簡單的接觸或在非常接近的距離之間進行信息的傳輸。同時，NFC采用的是一種近距離連接協議，提供各種設備間數據傳輸的能力和速率并輕松、安全、迅速而自動的通信[1]。

NFC處理速度很快，從NFC移動設備前期的偵測，身份的核實到數據處理存儲只需要約0.1 s的時間。與無線世界中的WiFi，ZigBee，藍牙等無線技術相比，NFC技術很好地結合了其他無線技術的優點，也是近距離通信領域下，很好的私密通信方式。

NFC工作模式：NFC無線技術常用的工作模式有卡模式和點對點模式。其中，卡模式（Card Emulation）其實相當于一張嵌入了RFID技術的IC卡，從而可以替換掉IC卡（包括信用卡）場合，如公交卡、門禁卡、各種票單等，在卡模式下，即使NFC設備無電狀態下依然可以進行工作，這樣可以充分發揮NFC設備的功能。點對點模式（P2P Mode）和先前技術紅外線具有相似之處，可用于數據的交換，也就是信息的通信，只是采用點對點模式時，要求的傳輸距離比較短，但是傳輸過程中創建的速度較快，傳輸的速度也快，功耗低。當然，在點對點模式下，具有一個非常明顯的特點，擁有兩種基礎模式，即主動模式和被動模式，兩種模式也可以進行相互配合，模式的相互轉換。在本方案中，發生在主動模式下的是配備了NFC芯片的LED電子顯示屏將會主動識別和讀取有效范圍內的信息，也就是來自大家的手機（具有NFC功能）；發生在被動模式下的情況是，手機（具有NFC功能）能被有效范圍內的其他NFC設備識別和讀取，即被LED電子顯示屏所讀取。簡而言之，就是當手機（具有NFC功能）觸碰或最短距離內識別電子顯示屏（NFC設備）時，手機采用被動模式，為被動設備；LED電子顯示屏采用主動模式，為主動設備。以此模式互換來實現本方案的目的。

1.2 LED電子顯示屏

LED即為發光二極管，能夠將電能轉換為光能，是半導體二極管的一種。LED電子顯示屏是由發光二極管矩陣組成，具有實用性強等多種優點。因為此優點，其被廣泛應用在很多的場合中，比如超市、電梯、廣場、車間、車站、公交車等場合。

LED電子顯示屏目前主要是通過計算機控制其顯示，擁有獨立的控制系統，可以在系統界面進行相關內容的更改等操作。但是，這種由計算機控制的操作畢竟體現不出靈活性、便捷性、及時性的特點，本方案在此采用新型無線技術NFC來替代計算機。將由嵌入了NFC芯片的NFC設備來代替計算機，并開發出相應的APP系統，由APP代替計算機上的系統界面，使得在操作中更改內容更加的方便，并且能夠及時地傳輸到LED電子顯示屏中。

LED電子顯示屏系統組成：本方案采用AT89C52單片機及其他部件，主要包括電源電路，復位電路，時鐘電路，BYTECLK，LINECLK，RAM，EPROM，地址鎖存器，串行通信模塊，驅動模塊等部分，如圖1所示。

LED電子顯示屏是由多個LED矩陣塊組成，顯示面積可根據不同的場景進行相應的增加、減少。電子顯示屏在通電后首先進行初始化，與此同時電子顯示屏處于等待狀態。

當計算機發出指令后，主控電路接收指令，開始工作，通過單片機控制驅動器以及進行相應的操作，由行驅動模塊和列驅動模塊對顯示模塊進行控制，之后通過串口進行通信，將計算機輸入的指令（需要顯示的內容）顯示在電子顯示屏上。電子顯示屏利用移位驅動器控制文字的顯示，頻率可設定。

2 實施方案

2.1 方案總體概括

當下的LED電子顯示屏是由計算機通過通信電纜進行控制，或者通過閃存盤傳輸所需要的信息。為了彌補這種數據傳輸的便捷性、靈活性、及時性的不足，本文提出運用NFC設備代替計算機對LED電子顯示屏進行控制，系統組成原理圖及系統連接圖如圖2和圖3所示。

2.2 系統硬件構成

系統硬件示意圖如圖4所示。由圖4可看出，LED電子顯示屏主要由手機，也就是NFC設備的控制，這將改變以往由計算機控制的弊端。其主要由一個主控制電路、單片機，以及與單片機相連接的存儲器、移位寄存器、地址鎖存器、鎖存器、串行接口驅動器等組成。其中，存儲器可存儲地址，待顯示的數據等，移位寄存器將控制電子顯示屏內容的顯示方式，鎖存器可鎖存特定的數據信號，串行接口驅動器可以接收手機以及主控電路所傳輸的控制信號以及數據信息。

NFC芯片與單片機串行連接。當單片機接收到主控電路的操作指令時，單片機相應接口發送命令，通過接口激活NFC芯片，提供射頻場，并配合NFC天線（磁場耦合），接收或者發送數據給另1臺NFC設備。

2.3 系統軟件設計

LED電子顯示屏APP的前期開發，將決定了整個系統中的數據，數據信號的來源。因為顯示控制電路是通過APP的界面來導向的，并且顯示的內容也是通過APP界面管理的。

在數據的傳輸過程中，單片機處于接收與處理同時進行的狀態，并進行實時比較，若出現錯誤，將向主控制電路發出重發的反饋信號，主控制電路反饋給NFC設備。將接收到的數據進行譯碼并執行命令，分配給相應的處理程序，執行命令，顯示在LED電子顯示屏上。若出現多次錯誤，將發出“警報”信號[2]。軟件流程圖如圖5所示。

3 結 論

本文中LED電子顯示屏主要是由多個不同的電路組成，每個部分都發揮了重要的作用，且涉及了無線技術和電子技術。將NFC近場通信技術嵌入在LED電子顯示屏中，使得LED電子顯示屏的應用范圍再次擴大，有助于促進電子顯示屏的市場地位，也提高電子顯示屏的市場價值，有效地解決了目前LED電子顯示屏存在的不靈活、不方便、不及時的問題。同時，也將推動NFC技術、物聯網技術的發展，使得無線技術走向更高的領域。因此，該方案具有較好的發展前景和較好的使用價值以及市場價值，值得推廣。

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