LED电子显示屏近场通信技术的嵌入式研究

0 引 言

物联网技术带动了无线通信技术的发展，涌现出大量的创新技术，NFC无线技术作为近距离通信的代表技术，持有的优点突出。NFC近场通信技术是由RFID（非接触式射频技术）及通信技术演变而来，在多种工作模式的支持下，能在短距离内与相匹配的设备进行数据的传输，也是本文需要应用到的重要功能。通过配备NFC芯片的NFC设备来与LED电子显示屏进行数据的传输。同时，NFC技术的发展前景不可限量，在多方面得到体现：首先，NFC可以应用在多种场景之中来传输文件，如用于支付、文件的传输、门禁等，即使NFC设备无电状态下，也可以用作卡片使用；其次，NFC芯片的价格已经趋于下降，也为NFC功能的广泛应用带去支撑；最后，NFC技术的日渐成熟促使了其与企业巨头的合作，多家领域巨头与之合作，如华为、小米、谷歌等，原因在于NFC和传统的近场通信技术相比而言，其具有很高的自身安全性，以及设备之间连接的快速性，这也使得NFC设备与LED电子显示屏之间能够快速进行数据传输以提高工作效率，并提高了LED电子显示屏的市场价值。

LED电子显示屏是一种平板显示器，是由多个小的LED模块化面板组合而成。LED电子显示屏一般用来显示各种信息，小型LED电子显示屏多用来显示文字信息，而大型的则用来显示视频、声音等信息。LED电子显示屏是通过控制电路，并连接计算机，由计算机上LED电子显示屏的显示系统来管理LED电子显示屏上的信息，系统界面包括文字信息的字体、大小、显示格式等多方面内容的设置。这种由计算机设计的系统，并由计算机来控制显示屏的工作，操作便捷性、及时性、灵活性比较差。基于此，本方案采用最新的无线技术，即NFC技术，用基于此技术的NFC设备（拥有NFC功能的手机），开发出的LED显示控制APP来管理电子显示屏（LED单片机嵌入NFC芯片）。此方案中NFC设备能通过近距离通信来快速传输数据，从而很好地解决了便捷性、及时性、灵活性不足等缺点，让LED电子显示屏发挥更大的市场作用。

1 相关技术

1.1 NFC技术

NFC技术（Near Field Communication）是一种短距离通信（射频）技术，主要由NFC芯片和NFC天线两部分组成。NFC天线主要采用近场磁场耦合方式工作，而NFC芯片具有相互通信、计算、加密解密等功能。在嵌入有NFC芯片的设备之间进行低功耗无线通信，通过简单的接触或在非常接近的距离之间进行信息的传输。同时，NFC采用的是一种近距离连接协议，提供各种设备间数据传输的能力和速率并轻松、安全、迅速而自动的通信[1]。

NFC处理速度很快，从NFC移动设备前期的侦测，身份的核实到数据处理存储只需要约0.1 s的时间。与无线世界中的WiFi，ZigBee，蓝牙等无线技术相比，NFC技术很好地结合了其他无线技术的优点，也是近距离通信领域下，很好的私密通信方式。

NFC工作模式：NFC无线技术常用的工作模式有卡模式和点对点模式。其中，卡模式（Card Emulation）其实相当于一张嵌入了RFID技术的IC卡，从而可以替换掉IC卡（包括信用卡）场合，如公交卡、门禁卡、各种票单等，在卡模式下，即使NFC设备无电状态下依然可以进行工作，这样可以充分发挥NFC设备的功能。点对点模式（P2P Mode）和先前技术红外线具有相似之处，可用于数据的交换，也就是信息的通信，只是采用点对点模式时，要求的传输距离比较短，但是传输过程中创建的速度较快，传输的速度也快，功耗低。当然，在点对点模式下，具有一个非常明显的特点，拥有两种基础模式，即主动模式和被动模式，两种模式也可以进行相互配合，模式的相互转换。在本方案中，发生在主动模式下的是配备了NFC芯片的LED电子显示屏将会主动识别和读取有效范围内的信息，也就是来自大家的手机（具有NFC功能）；发生在被动模式下的情况是，手机（具有NFC功能）能被有效范围内的其他NFC设备识别和读取，即被LED电子显示屏所读取。简而言之，就是当手机（具有NFC功能）触碰或最短距离内识别电子显示屏（NFC设备）时，手机采用被动模式，为被动设备；LED电子显示屏采用主动模式，为主动设备。以此模式互换来实现本方案的目的。

1.2 LED电子显示屏

LED即为发光二极管，能够将电能转换为光能，是半导体二极管的一种。LED电子显示屏是由发光二极管矩阵组成，具有实用性强等多种优点。因为此优点，其被广泛应用在很多的场合中，比如超市、电梯、广场、车间、车站、公交车等场合。

LED电子显示屏目前主要是通过计算机控制其显示，拥有独立的控制系统，可以在系统界面进行相关内容的更改等操作。但是，这种由计算机控制的操作毕竟体现不出灵活性、便捷性、及时性的特点，本方案在此采用新型无线技术NFC来替代计算机。将由嵌入了NFC芯片的NFC设备来代替计算机，并开发出相应的APP系统，由APP代替计算机上的系统界面，使得在操作中更改内容更加的方便，并且能够及时地传输到LED电子显示屏中。

LED电子显示屏系统组成：本方案采用AT89C52单片机及其他部件，主要包括电源电路，复位电路，时钟电路，BYTECLK，LINECLK，RAM，EPROM，地址锁存器，串行通信模块，驱动模块等部分，如图1所示。

图1 LED电子显示屏结构图
Fig.1 Structure of LED electronic display screen

LED电子显示屏是由多个LED矩阵块组成，显示面积可根据不同的场景进行相应的增加、减少。电子显示屏在通电后首先进行初始化，与此同时电子显示屏处于等待状态。

当计算机发出指令后，主控电路接收指令，开始工作，通过单片机控制驱动器以及进行相应的操作，由行驱动模块和列驱动模块对显示模块进行控制，之后通过串口进行通信，将计算机输入的指令（需要显示的内容）显示在电子显示屏上。电子显示屏利用移位驱动器控制文字的显示，频率可设定。

2 实施方案

2.1 方案总体概括

当下的LED电子显示屏是由计算机通过通信电缆进行控制，或者通过闪存盘传输所需要的信息。为了弥补这种数据传输的便捷性、灵活性、及时性的不足，本文提出运用NFC设备代替计算机对LED电子显示屏进行控制，系统组成原理图及系统连接图如图2和图3所示。

图2 系统组成原理图
Fig.2 Schematic diagram of system composition

图3 系统连接图
Fig.3 Diagram of system connection

2.2 系统硬件构成

系统硬件示意图如图4所示。由图4可看出，LED电子显示屏主要由手机，也就是NFC设备的控制，这将改变以往由计算机控制的弊端。其主要由一个主控制电路、单片机，以及与单片机相连接的存储器、移位寄存器、地址锁存器、锁存器、串行接口驱动器等组成。其中，存储器可存储地址，待显示的数据等，移位寄存器将控制电子显示屏内容的显示方式，锁存器可锁存特定的数据信号，串行接口驱动器可以接收手机以及主控电路所传输的控制信号以及数据信息。

NFC芯片与单片机串行连接。当单片机接收到主控电路的操作指令时，单片机相应接口发送命令，通过接口激活NFC芯片，提供射频场，并配合NFC天线（磁场耦合），接收或者发送数据给另1台NFC设备。

图4 系统硬件示意图
Fig.4 Schematic diagram for hardware of system

2.3 系统软件设计

LED电子显示屏APP的前期开发，将决定了整个系统中的数据，数据信号的来源。因为显示控制电路是通过APP的界面来导向的，并且显示的内容也是通过APP界面管理的。

在数据的传输过程中，单片机处于接收与处理同时进行的状态，并进行实时比较，若出现错误，将向主控制电路发出重发的反馈信号，主控制电路反馈给NFC设备。将接收到的数据进行译码并执行命令，分配给相应的处理程序，执行命令，显示在LED电子显示屏上。若出现多次错误，将发出“警报”信号[2]。软件流程图如图5所示。

图5 软件流程图
Fig.5 Flow chart of software

3 结 论

本文中LED电子显示屏主要是由多个不同的电路组成，每个部分都发挥了重要的作用，且涉及了无线技术和电子技术。将NFC近场通信技术嵌入在LED电子显示屏中，使得LED电子显示屏的应用范围再次扩大，有助于促进电子显示屏的市场地位，也提高电子显示屏的市场价值，有效地解决了目前LED电子显示屏存在的不灵活、不方便、不及时的问题。同时，也将推动NFC技术、物联网技术的发展，使得无线技术走向更高的领域。因此，该方案具有较好的发展前景和较好的使用价值以及市场价值，值得推广。