基于視覺暫留的動態掃描LED旋轉屏
2012-04-12 00:00:00胡陽
現代電子技術 2012年5期
摘 要：為了研究并控制基于視覺暫留的發光二極管旋轉顯示屏，在系統仿真研究的基礎上，設計并改善了紅外驅動電路、磁電傳感器電路以及單片機控制系統，在Keil-匯編語言環境下編寫了單片機控制程序，制作出PCB電路板并進行了軟硬件調試。實驗結果表明，設計的基于視覺暫留的發光二極管旋轉顯示屏具有良好的可控制性和實用性，實現了非矩形及高速旋轉場合下的應用。
關鍵詞：視覺暫留; 磁電傳感器; 紅外傳感器; 動態掃描; LED旋轉屏; 單片機
中圖分類號：
TN873-34
文獻標識碼：A
文章編號：1004-373X(2012)05
-0186
-03
Dynamic scanning of LED rotation display based on POV
HU Yang
(Anhui University of Science Technology， Huainan 232001， China)
Abstract：
In order to study and control the persistence of vision-based light-emitting diode rotation display， and on the basis of system simulation， the infrared driver circuit， magnetic sensor circuit and microcomputer control system were designed and improved. Under Keil environment， a MCU control program was compiled， a PCB circuit board was produced and its hardware and software debugging was completed. The result shows that the design of POV-based LED rotation display has good control performance and practicability， which can be successfully used in non-rectangular and high-speed rotation occasions.
Keywords： persistence of vision; magnetic sensor; infrared sensor; dynamic scanning; LED rotation display; signal chip microcomputer
收稿日期：2011-09-08
0 引 言
LED顯示屏(Light Emitting Diode Display)又稱電子顯示屏［1］，由LED點陣組成，通過控制發光二極管亮滅來顯示文字、圖片、動畫、視頻等信息，可以由有線或者無線通信的方法隨時更換內容，室內外均適用。其具有高亮度、低工作電壓、小功耗、易小型化、長壽命、性能穩定等投影儀、電視墻、液晶屏無法比擬的優點［2］。LED的發展前景極為廣闊，目前正朝著更高亮度、更高耐氣候性、更高的發光密度、更高的發光均勻性、可靠性、全彩化方向發展［3］。本文利用STC89C51RC單片機及其外圍接口電路實現一種小型化可由紅外信號控制的，利用人眼視覺暫留，動態掃描出信息的新型LED電子顯示屏。該種器件與LED點陣電子屏比較有如下優點：
(1) 顯示分辨率為R×R的漢字，需要發光二極管僅R個，器件成本低，易于維護。
(2) 可應用于圓面、柱面、球面等非矩形場合下。
(3) 可應用于旋轉物體表面，如風扇扇葉，汽車車輪等。
1 POV LED顯示原理
1.1 視覺暫留與POV LED成像分析
所謂視覺，實際上是在人眼晶狀體成像后由感光細胞將光信號轉換為神經電流，傳回大腦形成的。感光所依賴的感光色素的形成需要一定時間，光對視網膜所產生的視覺在光停止作用后，仍會保留一段時間，這稱為視覺暫留［4］。本文中的POV LED顯示屏(Persistence of Vision Light Emitting Diode Display)由16顆發光二極管組成，它們構成y軸，旋轉時每顆發光二極管均會產生位移，該位移構成x軸，x軸位移量值受到半徑R及轉速V的精確控制，當PCB板旋轉時，一個刷新周期TI內，可以通過控制屬于TI的每一個Y0～Y16的亮滅來實現圖片、信息及動畫的顯示。
1.2 字模的獲取與顯示
如圖1所示，將“電”字轉換成分辨率為16×16的點陣，其中白色區域代表二極管滅，由數字量1表示；黑色區域代表二極管亮，由數字量0表示。對基于視覺暫留的LED，一個刷新周期TI內的各個時間區域(以下簡稱時區，該段延時時間大小的計算方法將在后文中介紹)依次送如下數據：
I=1=2時區，Y0～Y16 =11111111 11111111；
I=3時區，Y0～Y16 =11100000 00001111；
I=4時區，Y0～Y16 =11101101 11011111；
…
I=16時區，Y0～Y16 =11111111 11111111。
完成一個分辨率為16×16的漢字的讀取后，數組指針I自加1，讀新時區數據，……，重復上述步驟直到TI=TMAX=T255，此時完成一輪動態刷新。
圖1 16×16分辨率點陣圖
與傳統點陣LED顯示屏類似，它們二者顯示數據信息都需要動態刷新，但是不同之處在于，前者是為了減少芯片管腳數量的使用，并使物理連線更加簡潔；而POV LED顯示屏的動態刷新實質上是PCB板繞旋轉軸在空間中的位移。
2 POV LED 硬件設計
2.1 硬件框圖
控制系統是以STC公司的STC89C51RC單片機為控制計算核心，POV LED 硬件結構如圖2所示。紅外傳感器接收紅外信號，包括控制系統的控制信號及時鐘芯片的數據信號，時鐘芯片由主電源與備用電源雙供電，主電源掉電時仍可保證數據安全。磁電傳感器接收定位信號，該信號用于定位并開始一輪新的動態刷新，從而使信息穩定顯示。單片機綜合處理以上數據，將需要顯示信息的二進制編碼以高低電平形式傳送至發光二極管。
圖2 POV LED硬件框圖
2.2 顯示定位與磁電傳感器
與點陣LED不同，POV LED每副畫面刷新結束后，需要重新顯示I=1及以后一系列時刻的圖像，這些圖像沒有固定的坐標，若旋轉轉速不恒定，則畫面將會發生抖動，無法穩定顯示信息。如果人為在某點處放置一粒小磁鋼，將該點作為刷新零點或物理零點，則磁電傳感器在圓周運動時必將經過該點，由硬件產生一個中斷信號，此時單片機認定運行至零點，指針自加并顯示新信息直到完成該圈的圖像刷新。
顯示定位所用磁電傳感器AH3144E是由電壓調整器、霍爾電壓發生器、差分放大器、史密特觸發器和集電極開路的輸出級組成的磁敏傳感電路，其輸入為磁感應強度，輸出是一個數字電壓信號，是單磁極工作的磁敏電路，適合于矩形或者柱形磁體下工作［5］。
磁電傳感器靠近物理零點時，磁通量密度B不斷增加，當大于BOP極限時，輸出端Vout是低電平，硬件產生一個中斷信號。當磁電傳感器經過物理零點并遠離時，相應的磁通量密度B向BRP 端移動。當B＞BRP 時，輸出端管腳是閂鎖低電平；當B＜BRP 時，輸出端Vout輸出進入高電平［6］，如圖3所示。
2.3 紅外解碼
紅外遙控器與電器之間的通信存在一個通信協議，一般是單向的通信協議。這個單向的通信協議稱為紅外遙控編碼協議［7］。本文使用NEC紅外編碼協議，當發射器按鍵按下后，即有遙控碼發出，所按的鍵不同遙控編碼也不同。這種遙控碼具有以下特征：
采用脈寬調制的串行碼，以脈寬為0.565 ms，間隔為0.56 ms，周期為1.125 ms的組合表示邏輯“0”；以脈寬為0.565 ms，間隔1.685 ms，周期為 2.25 ms的組合表示邏輯“1”，波形如圖4所示。
上述邏輯“0”和邏輯“1”組成的32位二進制碼由38 kHz的載頻進行二次調制以提高發射效率，達到降低電源功耗的目的，然后再通過紅外發射二極管產生紅外線向空間發射［8］。
置于POV LED上的紅外傳感器接收空間紅外信號并對之解碼，所得到的信息用于控制電子屏顯示畫面的更換，如字幕與數字時鐘切換；讀取時鐘芯片數據并顯示；設置新數據并寫入時鐘芯片等。
3 POV LED 軟件設計
3.1 程序流程圖
51常用的編程語言有匯編語言和C語言。匯編語言的機器代碼生成效率很高，雖然可讀性不強，但在深刻了解硬件結構上，有著C語言無法比擬的優勢［9］。本文的軟件編寫即是通過匯編語言實現，編程流程如圖5所示。整個軟件系統包括系統初始化程序、磁電檢測程序、紅外檢測程序、紅外解碼程序、外部中斷程序、SPI總線通信程序、時鐘程序等模塊組成。
SPI總線［10］的基本信號線為3根傳輸線，即SI，SO，SCK。傳輸的速率由時鐘信號SCK決定，SI為數據輸入、SO為數據輸出，該種串行I/O 口方式可以減少管腳的使用。
以上模塊中，磁電檢測模塊、SPI通信模塊及紅外解碼模塊是POV LED工作的核心。
3.2 延時程序的計算
基于視覺暫留的電子屏讀取數據并顯示，這個過程需要持續一段時間，這段時間即是上文所提及的“時間區域”概念。在該段時間內，數據禁止被更新。超時之后，讀取新一組數據，延時并保留一段時間，整個過程即為動態刷新顯示。延時時間的長短，在轉速穩定之后反映為字符的寬度，即延時時間越長，顯示的信息在空間的位移越大，一個完整的字符就越寬，反之越窄。
本文使用規格為50 mil×80 mil(1 mil=0.025 4 mm)，封裝型號為0805的貼片二極管，相鄰兩個二極管之間間距與自身寬度相當。環形顯示區寬度為16×2×0.025 4×50≈40.6 mm；由于顯示區近軸點外側與圓心距離為40 mm，故顯示區遠軸點外側與圓心距離為80.6 mm，取60 mm處進行計算，環形顯示區長度為2π×60≈377 mm。可以顯示正方形漢字個數為377÷40.6≈9.29，向下取整即為9個漢字。故一個刷新周期由9×16=144個延時區間構成，在2 200 r/min的恒定轉速下，1 s旋轉圈數為2 200÷60≈36.67，旋轉一圈所需時間為1÷36.67≈27.27 ms，可以計算出延時區間長度為 27.27÷96≈189 μs，如圖6所示。
實驗表明：延時區間的長度設定在189 μs可以獲得良好的實驗結果，顯示效果美觀，理論計算正確。
4 結 論
(1) 實現了基于視覺暫留現象的文字信息顯示，磁電傳感信號與旋轉PCB板物理零點精確同步，信息顯示穩定，無閃爍、抖動現象。
(2) 采用STC單片機作為整個系統控制核心，軟硬件系統結構緊湊、響應快、控制方便、抗干擾能力強，進一步改進后是一種集通信、顯示、控制為一體的新型顯示屏。
(3) 實驗表明，該種顯示屏可以方便地應用于環形、圓形、柱面、球面等非矩形旋轉場合，只需要更換LED硬件顯示部分的外形，就可以在以上四種形狀中互相轉換，成本低、可靠性高，應用前景良好。
參 考 文 獻
［1］邱寄帆.LED電子顯示屏原理與實現［J］.成都航空職業技術學院學報，2001(1):47-51.
［2］張頌澄.一種電子顯示屏:中國，CN2558034［P］.2003-06-25.
(下轉第194頁)
