RGB POV在點(diǎn)陣旋轉(zhuǎn)屏中的應(yīng)用及其電源解決方案

胡陽 安徽理工大學(xué)，淮南 232001

RGB POV在點(diǎn)陣旋轉(zhuǎn)屏中的應(yīng)用及其電源解決方案

胡陽 安徽理工大學(xué)，淮南 232001

為了研究并優(yōu)化RGB發(fā)光二極管旋轉(zhuǎn)顯示屏及其電源解決方案，在系統(tǒng)仿真研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并改善了無線能量傳送電路、無線能量接收電路以及低電壓單片機(jī)控制系統(tǒng)，在Keil-匯編語言環(huán)境下編寫了單片機(jī)控制程序，制作出PCB電路板并進(jìn)行了軟硬件調(diào)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)的RGB發(fā)光二極管旋轉(zhuǎn)顯示屏具有良好實(shí)用性，其無線能量傳送的供電方案完美解決了電源問題，為產(chǎn)品化提供了有力支持。

RGB發(fā)光二極管；無線能量傳送；無線能量接收；低電壓；旋轉(zhuǎn)顯示屏；單片機(jī)

RGB LED；wireless power transmission；wireless power receiver；low voltage；rotating display；microcontroller

引言

POV LED單色顯示屏（Persistence Of Vision Light Emitting Diode Monochromatic Display）又稱基于視覺暫留的發(fā)光二極管旋轉(zhuǎn)顯示屏，由單列單色LED組成，通過旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生點(diǎn)陣[1]。利用控制點(diǎn)陣旋轉(zhuǎn)屏中發(fā)光二極管亮滅并結(jié)合動(dòng)態(tài)掃描以及視覺暫留現(xiàn)象來顯示文字、圖片、動(dòng)畫等信息[2]。POV LED的發(fā)展前景極為廣闊，可以進(jìn)行球面顯示、圓面顯示、圓柱面顯示[3]。本文利用STC89LE52RC低電壓單片機(jī)及無線能量傳送電路，在POV LED單色顯示屏的基礎(chǔ)上優(yōu)化、改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)一種小型化、易于控制的新型彩色2D電子顯示屏。該種器件與POV LED單色顯示屏比較有如下優(yōu)特點(diǎn)：

(1）使用RGB發(fā)光二極管，通過色彩組合可以實(shí)現(xiàn)彩色顯示，解決了POV LED顯示屏色調(diào)單一的問題、豐富了可顯示的內(nèi)容。

(2）初步探索并采用無線能量傳送技術(shù)，完美解決了電源問題。

(3）在完全不同的硬件結(jié)構(gòu)上采用數(shù)據(jù)壓縮，可以兼容使用單色顯示屏的字模庫數(shù)據(jù)。

1 電源解決方案分析

我們以單色POV LED為例，根據(jù)其物理特性，信息的顯示需要旋轉(zhuǎn)，對于高速旋轉(zhuǎn)的PCB電路板，通常采用下述供電方案。

1.1 紐扣電池供電

我們以型號為CR1220，電壓為3V的紐扣電池為例，其標(biāo)稱容量為40mAh。當(dāng)使用導(dǎo)通電流為10mA的LED時(shí)，16分辨率的LED屏幕同時(shí)點(diǎn)亮需要的電流為10×16=160mA，即Imax=160mA?？紤]到字模數(shù)據(jù)占的數(shù)據(jù)量為0位～16位，通常情況下可取4位～8位，即平均下來持續(xù)在亮的燈至少有4個(gè)至多有8個(gè)。首先取下限計(jì)算，所需最小平均電流為IAmin=4×10=40mA，2個(gè)CR1220電池并聯(lián)提供3V電源，在不考慮單片機(jī)系統(tǒng)及外圍電路的功耗下，僅可以維持(40mAh +40mAh）÷40mA=2h；再取上限計(jì)算，IAmax=8×10=80mA僅可以維持(40mAh +40mAh）÷80mA=1h。

即整個(gè)系統(tǒng)僅維持LED燈亮，不考慮其他功耗，僅僅可以工作1至2個(gè)小時(shí)。顯然，對于產(chǎn)品化，紐扣電池供電絕對不是經(jīng)濟(jì)的解決方案。

電子關(guān)封讀寫器通過RS232串口與PC機(jī)通信，串口參數(shù)為：波特率9 600，校驗(yàn)位NONE，數(shù)據(jù)位8，停止位1。命令格式：0xaa+控制命令字+0x00+0x00[+數(shù)據(jù)內(nèi)容]+0xab。

1.2 電機(jī)抽頭供電

由于RGB POV在旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，轉(zhuǎn)子相對PCB是靜止的，故可以從電機(jī)線圈中抽頭，經(jīng)過整流后供電。該方法突出缺點(diǎn)是不實(shí)用，成品電機(jī)線圈抽頭繁瑣且易損壞線圈。

1.3 無線供電

該方案利用變壓器耦合原理，由振蕩電路產(chǎn)生振蕩信號，通過初級線圈向空間傳送能量。次級線圈感應(yīng)到初級線圈的振蕩信號，在線圈中產(chǎn)生交變的電流，通過整流橋獲得直流，為單片機(jī)系統(tǒng)提供能量。該方法突出優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)品可以無限續(xù)航，且由于擺脫了電池，可以大大減小PCB的體積及重量，該方案將在下節(jié)重點(diǎn)闡述。

2 使用無線供電的RGB POV系統(tǒng)

2.1 電磁耦合

電磁耦合對電源工程師來說，再也熟悉不過了，變壓器就是利用這個(gè)原理來傳遞能量。如果把變壓器的兩個(gè)繞組分開，就是某種意義上的無線供電。電動(dòng)牙刷的充電就是個(gè)典型案例，但是用電磁耦合的方式有很大的缺點(diǎn)，沒有高磁導(dǎo)率的磁芯作為介質(zhì)，磁力線會(huì)嚴(yán)重發(fā)散到空氣中，導(dǎo)致傳遞效率下降，特別在兩個(gè)線圈遠(yuǎn)離的時(shí)候，下降的非常厲害，所以不適合大功率、遠(yuǎn)距離的無線供電[4]。

2.2 無線供電在旋轉(zhuǎn)屏中的應(yīng)用

2.3 對于提升無線供電傳送效率的探索

無線能量傳送電路采用RC振蕩電路，它適用于低頻振蕩，一般用于產(chǎn)生1Hz～1MHz的低頻信號。在本例中，發(fā)射電路R、C固定，發(fā)射頻率為10KHz，接收電路帶負(fù)載后電壓在2.2V左右，此時(shí)3V單片機(jī)系統(tǒng)處于不穩(wěn)定工作狀態(tài)。接收波形（上）和發(fā)射波形（下）如圖1所示。

圖1 無線供電接收與發(fā)射波形

由于RC振蕩電路頻率由下面公式確定：

通過在固定電阻Rs上并聯(lián)可變電阻Rh使得頻率f可以調(diào)節(jié)。Rh的減小使得R減小，從而振蕩頻率f提高。實(shí)驗(yàn)波形顯示，隨著R的減小，輸入電壓輕微上升，發(fā)射頻率顯著抬升。在120KHz的發(fā)射頻率下，接收的波形發(fā)生了變化，在帶負(fù)載情況下，電壓明顯提升，如圖2所示。

圖2 調(diào)整后的輸出與輸入波形

經(jīng)過上述分析，可以得知，無線能量的傳送，可以通過增加磁芯來提高傳輸效率，也可以在其它條件不變的情況下提高發(fā)射頻率，獲得較高的傳輸效率。通過提高發(fā)射頻率，最終帶負(fù)載電壓穩(wěn)定在2.8V，單片機(jī)系統(tǒng)可以正常工作。

3 RGB POV系統(tǒng)的硬件及軟件設(shè)計(jì)

3.1 硬件框圖分析

控制系統(tǒng)以S T C公司的STC89LE52RC低電壓低功耗3V單片機(jī)為控制計(jì)算核心，整個(gè)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 POV LED硬件框圖

由無線能量傳送電路發(fā)射低頻振蕩信號，接收電路感應(yīng)產(chǎn)生交變電流，經(jīng)過全橋整流形成脈動(dòng)直流信號，再由電容濾波、穩(wěn)壓之后驅(qū)動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)工作。單片機(jī)負(fù)責(zé)處理傳感器收集的信息，并利用軟件壓縮數(shù)據(jù)，輸出高低電平控制彩色發(fā)光二極管，顯示出需要的文字、圖片等信息。

3.2 單色POV系統(tǒng)與RGB POV系統(tǒng)數(shù)據(jù)量比較

彩色信息的顯示實(shí)際上是R、G、B三種信號疊加、組合形成的[5]。在單色系統(tǒng)中，1位信息即可控制1個(gè)LED亮滅，對于顯示一個(gè)16×16分辨率漢字，信息量為16×16×1÷8=32字節(jié)。

而對于彩色系統(tǒng)，3位信息控制1個(gè)RGB LED亮滅，同樣顯示一個(gè)16×16分辨率漢字，需要IO口16×3=48個(gè)，故在硬件設(shè)計(jì)上采用鎖存器芯片減少IO使用量。本例中使用8個(gè)IO口作為數(shù)據(jù)通道，協(xié)同8組74HC573八進(jìn)制3態(tài)非反轉(zhuǎn)透明鎖存器[6]，每組控制2個(gè)RGB LED。這樣6位數(shù)據(jù)占據(jù)了8位數(shù)據(jù)通道，犧牲了信息傳輸率，但是硬件上邏輯清晰。通過以上闡述，4位（3位有效數(shù)據(jù)，1位冗余數(shù)據(jù)）信息控制1個(gè)彩色LED亮滅，故所需信息量為16×16×4÷8=128字節(jié)，即顯示同樣的信息，彩色系統(tǒng)需要的信息量是單色系統(tǒng)的四倍。

3.3 軟件數(shù)據(jù)壓縮

所謂軟件數(shù)據(jù)壓縮，既使用單色系統(tǒng)的字庫數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)流，將彩色信息從數(shù)據(jù)流中剔除，作為信息流。故從單色字庫數(shù)據(jù)讀出的0或1，由信息流控制之后可翻譯為4位數(shù)據(jù)（冗余位數(shù)據(jù)任意態(tài)）實(shí)現(xiàn)彩色信息顯示。這樣128字節(jié)數(shù)據(jù)可由32字節(jié)數(shù)據(jù)翻譯得到，僅需要4位的信息流數(shù)據(jù)，即32字節(jié)數(shù)據(jù)流需要附加0.5字節(jié)信息流，數(shù)據(jù)量為未壓縮之前的2v5.39%，極大的提高了數(shù)據(jù)讀取效率及存儲空間利用率。

4 結(jié)論

4.1 實(shí)現(xiàn)了基于視覺暫留現(xiàn)象的彩色文字、圖片信息顯示，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，無閃爍、抖動(dòng)現(xiàn)象。

4.2 采用無線供電電源解決方案，配合STC低電壓單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)控制核心，采用數(shù)據(jù)壓縮，使得軟硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、響應(yīng)快、控制方便、抗干擾能力強(qiáng)，且可以完全兼容使用單色系統(tǒng)的字模數(shù)據(jù)庫。

4.3 實(shí)驗(yàn)表明，該種彩色顯示屏可以長時(shí)間、低噪聲、無故障運(yùn)轉(zhuǎn)，完美解決了電池供電續(xù)航短的缺點(diǎn)。

[1]胡陽. 基于視覺暫留的動(dòng)態(tài)掃描LED旋轉(zhuǎn)屏[J].現(xiàn)代電子技術(shù), 2012, (03）

[2]沈新創(chuàng),錢平. 基于視覺暫留原理的旋轉(zhuǎn)式線陣LED顯示屏開發(fā)[J]. 上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版）, 2007, (02）

[3]邱寄帆. LED電子顯示屏原理與實(shí)現(xiàn)[J]成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào), 2001, (01）

[4]馬文蔚.物理學(xué)(中冊）[M]. 北京:高等教育出版社,2001

[5]吳君欽，苗瑞瑞，李艷麗.彩色LED 屏驅(qū)動(dòng)掃描關(guān)鍵技術(shù)研究[J].液晶與顯示,2010,（4）:253～256

[6]郭速學(xué). 圖解單片機(jī)功能與應(yīng)用[M]. 北京:中國電力出版社,2007

RGB POV in the Application of Lattice Rotation Display and Power Solutions

Hu Yang Anhui University Of Science & Technology,232001,China

In order to study and optimize the RGB POV rotating display and power solutions, based on the system simulation, design and improved wireless power transmission circuits, wireless power receiver circuits and low voltage control system. Under Keil environment, written assembly language to control MCU, produce a PCB circuit board and finished hardware and software debugging. The results show that: the design of the RGB POV rotation display have good practicability, the energy supply solution of wireless transmission solve the power problem perfectly and providing a strong support for productize.

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.07.068

胡陽，安徽省績溪縣人，安徽理工大學(xué)在讀碩士研究生、研究方向：電路與系統(tǒng)。