Устройства и способы оптической передачи данных в светодиодном экране
DEVICES AND METHODS OF OPTICAL DATA TRANSMISSION IN LED SCREEN

Группа изобретений относится к области устройств для представления меняющегося информационного материала, а также к области устройств или схем для управления индикаторными устройствами и может быть использована для создания устройств демонстрации наружной видеорекламы.
Уровень техники
Из существующего уровня техники известен "Метод и устройство электрооптического соединения модулей видеостен" (ЕР 0604719 А1, G06F 3/14, G09F 9/35, H04N 9/12, 28.12.1992). Устройство видеостены характеризуется тем, что каждый видеомодуль имеет в своем составе два оптических приемопередатчика. Данные передаются от центрального контроллера через видеомодули последовательно. Видеомодули осуществляют функцию ретрансляторов, передавая сигнал по цепочке. Оптический сигнал поступает в оптический приемник видеомодуля, преобразуется в электрический сигнал, затем опять преобразуется в оптический сигнал и передается через оптический передатчик следующему видеомодулю. Недостатки 1: на каждый видеомодуль устанавливается два приемопередатчика, что повышает стоимость и снижает надежность; данные передаются через цепочку видеомодулей, что снижает надежность видеостены: при выходе из строя одного видеомодуля перестают работать все видеомодули, которые идут за ним в цепочке; двойное преобразование оптического сигнала в электрический и обратно в каждом видеомодуле снижает надежность и скорость передачи информации; нарастание временной задержки распространения сигнала после каждого видеомодуля в цепочки снижает общую пропускную способность линии связи; из-за внешнего расположения канала передачи данных приходится бороться с внешними оптическими помехами; из-за внешнего расположения канала передачи данных приходится бороться с загрязнением оптических приемопередатчиков.
Недостатки существующих решений
Современные светодиодные экраны состоят из светодиодных модулей, которые соединяются в линии светодиодных модулей последовательно с помощью плоских кабелей. Сигнал от видеоконтроллера проходит через линии светодиодных модулей, соединенных кабелями. Из-за большой длины соединительных линий и высоких частот возможны проявления различных искажений в транслируемом сигнале; эти же искажения появляются и в изображении, транслируемом экраном. Также существует проблема надежности работы светодиодного экрана при последовательном соединении светодиодных модулей. При выходе из строя одного из светодиодных модулей вся цепочка светодиодных модулей, расположенная за ним, тоже перестает работать. Светодиодные экраны из-за большого количества внешних кабельных соединений требуют множества ручных сборочных операций, это мешает организовать массовое автоматизированное производство. При оптической передаче данных от видеоконтроллера к конечному светодиодному модулю возникает проблема определения позиции светодиодного модуля внутри светодиодного экрана. Для формирования правильного изображения на поверхности светодиодного экрана видеоконтроллер должен обладать информацией о расположении светодиодных модулей внутри светодиодного экрана.
Задачами, на решение которых направлено данное изобретение, являются:
упрощение сборки светодиодных экранов; повышение надежности передачи данных светодиодным модулям; снижение влияния электромагнитных помех на передаваемый сигнал; определение позиции светодиодных модулей внутри светодиодного экрана при оптической передаче данных светодиодным модулям.
Поставленные задачи решаются следующим образом
Светодиодный экран с оптической передачей данных по световодам, состоит из одного или более сегментов. Каждый сегмент светодиодного экрана содержит по крайней мере один видеоконтроллер (1) и несколько светодиодных модулей (3). Светодиодные модули (3) и видеоконтроллеры (1) содержат оптические приемопередатчики (2). Оптическая передача данных между видеоконтроллерами (1) и светодиодными модулями (3) осуществляется через оптические приемопередатчики (2), которые объединяются с помощью световодов (6). Видеоконтроллер (1) передает оптический сигнал каждому светодиодному модулю (3) напрямую без ретрансляции через другие светодиодные модули (3). Оптические приемопередатчики (2) содержат светоизлучатель с модулятором оптического сигнала и светоприемник с демодулятором оптического сигнала. Оптические приемопередатчики (2) могут выполняются в виде съемных модулей, которые подключаются к видеоконтроллеру (1) и светодиодным модулями (3) или в виде интегрированных в печатные платы (9) светодиодных модулей (3) и видеоконтроллеров (1) электронных блоков. Световоды (6) могут иметь различную форму и исполнение: световод (6) может представлять собой трубу со светоотражающими стенками, содержащую отверстия для размещения оптических приемопередатчиков (2); световод (6) может представлять собой стержень сложной формы изготовленный из светопрозрачного материала с большим коэффициентом преломления; световод (6) может представлять собой швеллер со светоотражающими стенками, с открытой стороны которого размещаются оптические приемопередатчики (2) светодиодных модулей (3); световод (6) может представляет собой лист из светопрозрачного материала с большим коэффициентом преломления.
Для светодиодных экранов с оптической передачей данных по световодам (6) позиции светодиодных модулей (3) на протяжении световодов (6) могут определяться следующим способом. Способ основан на ослаблении интенсивности светового потока с ростом расстояния до источника, светодиодные модули (3) размещаются вдоль световода (6), видеоконтроллер (1) размещается с одного из концов световода (6). Видеоконтроллер (1) с помощью встроенного оптического приемопередатчика (2) последовательно измеряет интенсивность светового потока от приемопередатчиков (2) каждого светодиодного модуля (3), результаты замеров сравниваются, и производится сортировка в соответствии с интенсивностью: меньшая интенсивность соответствует наиболее удаленному светодиодному модулю (3). Замер интенсивности может производиться различными способами: в момент замера интенсивности, светоизлучатель оптического приемопередачика (2) не передает данные; замер производится одновременно с передачей цифрового сигнала от светодиодного модуля (3) к видеоконтроллеру (1). Для управления последовательностью измерения интенсивности оптического сигнала также могут использоваться различные способы: контроллер (1) через оптический приемопередатчик (2) отправляет команду одному из известных ему светодиодных модулей (3) в ответ на которую светодиодный модуль (3) выдает тестовый сигнал; последовательность измерения интенсивности оптического сигнала светодиодных модулей (3) реализуется с помощью занятия светодиодными модулями (3) оптического канала, без управления из видеоконтроллера (1), в этом случае в световом потоке излучаемого сигнала кодируется номер светодиодного модуля (3).
Светодиодный экран с оптической передачей данных внутри корпуса сегмента состоит из одного или более сегментов, каждый сегмент содержит видеоконтроллер (7) и несколько светодиодных модулей (3). Светодиодные модули (3) и видеоконтроллеры (7) содержат оптические приемопередатчики (2). Оптические приемопередатчики (2) видеоконтроллера (7) и светодиодных модулей (3) располагаются внутри корпуса сегмента (5), который выполняет функции световода и защитного экрана от внешних источников света. Оптическая передача данных осуществляется внутри корпуса сегмента (5) между оптическими приемопередатчиками (2) видеоконтроллера (7) и оптическими приемопередатчиками (2) светодиодных модулей (3). Корпус сегмента (5) изготавливается из светонепроницаемого материала, что не позволяет внешним оптическим помехам влиять на передачу данных. Оптические приемопередатчики (2) светодиодных модулей (3) и видеоконтроллера (7) располагаются таким образом, что имеют прямую оптическую связь друг с другом. Видеоконтроллер (7) может иметь встроенную видеокамеру, с помощью которой он может определять расположение светодиодных модулей (3) внутри корпуса сегмента (5). Оптические приемопередатчики (2) светодиодных модулей (3) и видеоконтроллера (7) могут не иметь прямой оптической связи друг с другом, оптический сигнал в этом случае передается через отражение от стенок корпуса сегмента (5), а внутренняя поверхность корпуса сегмента (5) может быть покрыта светоотражающим покрытием для более эффективного отражения оптического сигнала и улучшения передачи данных.
Для светодиодных экранов с оптической передачей сигнала внутри корпуса сегмента (5) определение позиции светодиодного модуля (3) внутри корпуса сегмента (5) может осуществляться с помощью видеокамеры. Видеоконтроллер (7) размещается внутри корпуса сегмента (5), напротив задней поверхности светодиодных модулей (3), на которых размещены оптические приемопередатчики (2). Видеоконтроллер (7) через встроенный приемопередатчик (2) посылает каждому светодиодному модулю (3) команду, которая изменяет интенсивность излучения света приемопередатчика (2) этого светодиодного модуля (3). В видеоконтроллер встроена (7) видеокамера, которая фотографирует заднюю поверхность светодиодных модулей (3), затем в процессе обработки фотографии происходит определение позиции текущего светодиодного модуля (3) исходя из отличающейся интенсивности свечения его оптического приемопередатчика (2) от интенсивности свечения оптических приемопередатчиков (2) остальных светодиодных модулей (3). В момент излучения света приемопередатчиком (2) выбранного светодиодного модуля (3) приемопередатчики (2) остальных светодиодных модулей (3) могут быть выключены или могут излучать слабый свет, это позволит облегчить распознавание позиции светодиодных модулей (3) с помощью программных средств.
Существует также способ определения позиции светодиодного модуля (3) внутри сегмента с использование базы данных. При сборке сегментов, позиции светодиодных модулей (3) с уникальными идентификаторами светодиодных модулей заносятся в центральную базу данных. При включении видеоконтроллер (1, 7) запрашивает у светодиодных модулей (3) сегмента их уникальные идентификаторы, если позиций светодиодных модулей (3) с такими уникальными идентификаторами нет в памяти видеоконтроллера (1, 7), эти позиции запрашиваются из центральной базы данных и сохраняются в памяти видеоконтроллера (1, 7). При замене светодиодного модуля (3) внутри сегмента видеоконтроллер (1, 7) сверяет список уникальных идентификаторов светодиодных модулей (3) из памяти и список уникальных идентификаторов, полученный от светодиодных модулей (3) сегмента. Если один из светодиодный модулей (3) изменил свой уникальный идентификатор, то уникальный идентификатор нового светодиодного модуля (3) сопоставляется с позицией уникального идентификатора отсутствующего светодиодного модуля (3). Подключение к центральной базе данных может осуществляться через Интернет. Запрос к центральной базе данных может производиться непосредственно из видеоконтроллера (1, 7) сегмента или через контроллер экрана.
Краткое описание чертежей
На фигурах 1-2 изображено устройство светодиодного модуля (3). Светодиодный модуль (3) состоит из печатной платы (9), с передней стороны которой напаяны светодиоды (4), с задней стороны которой размещен оптический приемопередатчик (2). На фигурах 3-5 изображено устройство светодиодного экрана с оптической передачей данных по световодам. Экран состоит из нескольких световодов (6). На световоды установлены светодиодные модули (3) таким образом, что оптические приемопередатчики (2) располагаются внутри световодов (6). Внизу экрана расположен видеоконтроллер (1) с несколькими оптическими приемопередатчиками (2) и процессором (10), который управляет процессом передачи данных. Оптические приемопередатчики видеоконтроллера (1) размещаются по одному в каждом световоде (6). Таким образом в каждом световоде (6) формируется изолированный канал оптической передачи данных. В процессе работы светодиодного экрана видеоконтроллер (1) обменивается данными со светодиодными модулями (3) с помощью световых импульсов, проходящих через световоды (6) от оптических приемопередатчиков (2) видеоконтроллера (1) к оптическим приемопередатчикам (2) светодиодных модулей (3). На фигурах 6-9 изображено устройство светодиодного экрана с оптической передачей данных внутри корпуса сегмента. Экран состоит из корпуса сегмента (5), светодиодных модулей (3), расположенных на передней поверхности корпуса сегмента (5), и крышки сегмента (8), на которой расположен видеоконтроллер (7). Видеоконтроллер (7) включает в себя оптический приемопередатчик (2) и процессор (10), который управляет процессом передачи данных. Оптические приемопередатчики (2) светодиодных модулей (3) размещаются внутри корпуса сегмента (5), напротив них расположен оптический приемопередатчик (2) видеоконтроллера (7). В процессе работы светодиодного экрана видеоконтроллер (7) обменивается данными со светодиодными модулями (3) с помощью световых импульсов, распространяющихся внутри корпуса сегмента (5) от оптических приемопередатчиков (2) видеоконтроллера (7) к оптическим приемопередатчикам (2) светодиодных модулей (3).
Список фигур
1. Светодиодный модуль, вид спереди.
2. Светодиодный модуль, вид сзади.
3. Видеоконтроллер светодиодного экрана, с несколькими оптическими приемопередатчиками.
4. Светодиодный экран с оптической передачей данных по световодам, вид спереди.
5. Светодиодный экран с оптической передачей данных по световодам, вид сверху.
6. Светодиодный экран с оптической передачей данных внутри корпуса сегмента, вид спереди.
7. Светодиодный экран с оптической передачей данных внутри корпуса сегмента, вид сзади со снятой крышкой.
8. Крышка корпуса сегмента с видеоконтроллером.
9. Устройство светодиодного экрана с оптической передачей данных внутри корпуса сегмента.
10. Линия светодиодных модулей со световодом в виде швеллера со светоотражающими стенками.
11. Сегмент экрана со световодом в виде листа из светопрозрачного материала с большим коэффициентом преломления.
12. Линия светодиодных модулей со световодом в виде трубы со светоотражающими стенками и с отверстиями для размещения оптических приемопередатчиков.
13. Сегмент экрана со световодом в виде стержня сложной формы из светопрозрачного материала с большим коэффициентом преломления.
Список элементов, изображенных на фигурах
1. Видеоконтроллер с несколькими оптическими приемопередатчиками.
2. Оптический приемопередатчик.
3. Светодиодный модуль.
4. Светодиод.
5. Корпус сегмента светодиодного экрана.
6. Световод для оптической передачи данных.
7. Видеоконтроллер с оптическим приемопередатчиком.
8. Крышка сегмента светодиодного сегмента.
9. Печатная плата светодиодного модуля.
10. Процессор.
Устройство
Светодиодный экран с оптической передачей данных по световодам, состоит из одного или более сегментов. Каждый сегмент светодиодного экрана содержит по крайней мере один видеоконтроллер (1) и несколько светодиодных модулей (3). Светодиодные модули (3) и видеоконтроллеры (1) содержат оптические приемопередатчики (2). Оптическая передача данных между видеоконтроллерами (1) и светодиодными модулями (3) осуществляется через оптические приемопередатчики (2), которые объединяются с помощью световодов (6). Видеоконтроллер (1) передает оптический сигнал каждому светодиодному модулю (3) напрямую без ретрансляции через другие светодиодные модули (3). Оптические приемопередатчики (2) содержат светоизлучатель с модулятором оптического сигнала и светоприемник с демодулятором оптического сигнала. Оптические приемопередатчики (2) могут выполняются в виде съемных модулей, которые подключаются к видеоконтроллеру (1) и светодиодным модулями (3) или в виде интегрированных в печатные платы (9) светодиодных модулей (3) и видеоконтроллеров (1) электронных блоков. Световоды (6) могут иметь различную форму и исполнение: световод (6) может представлять собой трубу со светоотражающими стенками, содержащую отверстия для размещения оптических приемопередатчиков (2); световод (6) может представлять собой стержень сложной формы изготовленный из светопрозрачного материала с большим коэффициентом преломления; световод (6) может представлять собой швеллер со светоотражающими стенками, с открытой стороны которого размещаются оптические приемопередатчики (2) светодиодных модулей (3); световод (6) может представляет собой лист из светопрозрачного материала с большим коэффициентом преломления.
Светодиодный экран с оптической передачей данных внутри корпуса сегмента состоит из одного или более сегментов, каждый сегмент содержит видеоконтроллер (7) и несколько светодиодных модулей (3). Светодиодные модули (3) и видеоконтроллеры (7) содержат оптические приемопередатчики (2). Оптические приемопередатчики (2) видеоконтроллера (7) и светодиодных модулей (3) располагаются внутри корпуса сегмента (5), который выполняет функции световода и защитного экрана от внешних источников света. Оптическая передача данных осуществляется внутри корпуса сегмента (5) между оптическими приемопередатчиками (2) видеоконтроллера (7) и оптическими приемопередатчиками (2) светодиодных модулей (3). Корпус сегмента (5) изготавливается из светонепроницаемого материала, что не позволяет внешним оптическим помехам влиять на передачу данных. Оптические приемопередатчики (2) светодиодных модулей (3) и видеоконтроллера (7) располагаются таким образом, что имеют прямую оптическую связь друг с другом. Видеоконтроллер (7) может иметь встроенную видеокамеру, с помощью которой он может определять расположение светодиодных модулей (3) внутри корпуса сегмента (5). Оптические приемопередатчики (2) светодиодных модулей (3) и видеоконтроллера (7) могут не иметь прямой оптической связи друг с другом, оптический сигнал в этом случае передается через отражение от стенок корпуса сегмента (5), а внутренняя поверхность корпуса сегмента (5) может быть покрыта светоотражающим покрытием для более эффективного отражения оптического сигнала и улучшения передачи данных.
Устройство изготавливается следующим образом:
Светодиодный экран с оптической передачей данных по световодам (фиг. 4) состоит из сегментов. Сегмент экрана представляет собой раму с размещенными на ее поверхности световодами (6), светодиодными модулями (3) и видеоконтроллерами (7). Рама может быть изготовлена с помощью стандартных промышленных методов обработки тонколистового металла (гибка, координатная пробивка, лазерная резка). Рама может быть напечатана на 3D-принтере. Рама также может быть изготовлена из пластика (литье пластика) или композитных материалов. Длинные световоды (6) в виде трубы (фиг. 12) или швеллера (фиг. 10) могут изготавливаться методом экструзии алюминия или пластика, при необходимости после экструзии может производиться фрезеровка для формирования монтажных отверстий и отверстий для размещения оптических приемопередатчиков (2). На световоды (6) может наноситься светоотражающее покрытие. Световоды (6) из светопрозрачного пластика с большим коэффициентом преломления могут иметь различную форму и разные методы изготовления. Световод (6) в виде светопрозрачного листа (фиг. 11) может изготавливаться из цельного листа методом лазерной резки пластика. Световод (6) в виде светопрозрачного стержня сложной формы (фиг. 13) может изготавливаться с помощью литья пластика или вырезаться из цельного светопрозрачного листа методом лазерной резки.
Светодиодный экран с оптической передачей данных внутри корпуса сегмента (фиг. 6) состоит из сегментов. Каждый сегмент имеет корпус (5), на передней поверхности которого размещены светодиодные модули (3), внутри корпуса сегмента (5) размещается видеоконтроллер (7). Сзади корпус сегмента закрывается крышкой (8). Корпус сегмента (5) и крышка сегмента (8) могут быть изготовлены с помощью стандартных промышленных методов обработки тонколистового металла (гибка, координатная пробивка, лазерная резка). Корпус сегмента (5) может быть напечатан на 3D-принтере. Корпус сегмента (5) также может быть изготовлен из пластика с помощью литья под давлением.
Светодиодные модули (3) представляют собой печатные платы (9) с напаянными спереди светодиодами (4) и другими электронными элементами, припаянными сзади. Светодиодные модули (3) изготавливаются с помощью стандартных промышленных методов сборки электроники. Светодиодные модули (3) могут покрываться компаундом для защиты от влаги и закрываться с передней стороны перфорированными пластиковыми крышками для защиты светодиодных модулей от повреждений. Видеоконтроллеры (7) представляют собой электронные платы, которые изготавливаются с помощью стандартных промышленных методом сборки электроники.
Работа устройства осуществляется следующим образом:
Для светодиодных экранов с оптической передачей данных по световодам (6) позиции светодиодных модулей (3) на протяжении световодов (6) могут определяться следующим способом. Способ основан на ослаблении интенсивности светового потока с ростом расстояния до источника, светодиодные модули (3) размещаются вдоль световода (6), видеоконтроллер (1) размещается с одного из концов световода (6). Видеоконтроллер (1) с помощью встроенного оптического приемопередатчика (2) последовательно измеряет интенсивность светового потока от приемопередатчиков (2) каждого светодиодного модуля (3), результаты замеров сравниваются, и производится сортировка в соответствии с интенсивностью: меньшая интенсивность соответствует наиболее удаленному светодиодному модулю (3). Замер интенсивности может производиться различными способами: в момент замера интенсивности, светоизлучатель оптического приемопередачика (2) не передает данные; замер производится одновременно с передачей цифрового сигнала от светодиодного модуля (3) к видеоконтроллеру (1). Для управления последовательностью измерения интенсивности оптического сигнала также могут использоваться различные способы: контроллер (1) через оптический приемопередатчик (2) отправляет команду одному из известных ему светодиодных модулей (3) в ответ на которую светодиодный модуль (3) выдает тестовый сигнал; последовательность измерения интенсивности оптического сигнала светодиодных модулей (3) реализуется с помощью занятия светодиодными модулями (3) оптического канала, без управления из видеоконтроллера (1), в этом случае в световом потоке излучаемого сигнала кодируется номер светодиодного модуля (3).
Для светодиодных экранов с оптической передачей сигнала внутри корпуса сегмента (5) определение позиции светодиодного модуля (3) внутри корпуса сегмента (5) может осуществляться с помощью видеокамеры. Видеоконтроллер (7) размещается внутри корпуса сегмента (5), напротив задней поверхности светодиодных модулей (3), на которых размещены оптические приемопередатчики (2). Видеоконтроллер (7) через встроенный приемопередатчик (2) посылает каждому светодиодному модулю (3) команду, которая изменяет интенсивность излучения света приемопередатчика (2) этого светодиодного модуля (3). В видеоконтроллер встроена (7) видеокамера, которая фотографирует заднюю поверхность светодиодных модулей (3), затем в процессе обработки фотографии происходит определение позиции текущего светодиодного модуля (3) исходя из отличающейся интенсивности свечения его оптического приемопередатчика (2) от интенсивности свечения оптических приемопередатчиков (2) остальных светодиодных модулей (3). В момент излучения света приемопередатчиком (2) выбранного светодиодного модуля (3) приемопередатчики (2) остальных светодиодных модулей (3) могут быть выключены или могут излучать слабый свет, это позволит облегчить распознавание позиции светодиодных модулей (3) с помощью программных средств.
Существует также способ определения позиции светодиодного модуля (3) внутри сегмента с использование базы данных. При сборке сегментов, позиции светодиодных модулей (3) с уникальными идентификаторами светодиодных модулей заносятся в центральную базу данных. При включении видеоконтроллер (1, 7) запрашивает у светодиодных модулей (3) сегмента их уникальные идентификаторы, если позиций светодиодных модулей (3) с такими уникальными идентификаторами нет в памяти видеоконтроллера (1, 7), эти позиции запрашиваются из центральной базы данных и сохраняются в памяти видеоконтроллера (1, 7). При замене светодиодного модуля (3) внутри сегмента видеоконтроллер (1, 7) сверяет список уникальных идентификаторов светодиодных модулей (3) из памяти и список уникальных идентификаторов, полученный от светодиодных модулей (3) сегмента. Если один из светодиодный модулей (3) изменил свой уникальный идентификатор, то уникальный идентификатор нового светодиодного модуля (3) сопоставляется с позицией уникального идентификатора отсутствующего светодиодного модуля (3). Подключение к центральной базе данных может осуществляться через Интернет. Запрос к центральной базе данных может производиться непосредственно из видеоконтроллера (1, 7) сегмента или через контроллер экрана.