旋轉(zhuǎn)彩色LED顯示屏設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

梁光勝，秦 菁，陳世宏，陳志勇

（華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206）

1 引 言

LED屏已得到廣泛應(yīng)用。現(xiàn)在隨處可見的LED屏多是由大量LED組成的顯示點(diǎn)陣平板，通常采用循環(huán)掃描方法，逐行點(diǎn)亮LED；人眼對(duì)動(dòng)態(tài)頻次分辨率為1／16～1／24s，由于視覺滯后效應(yīng)，所以屏幕上單行LED會(huì)連成一幅靜態(tài)畫面。但是這種顯示有一些不足，首先整屏LED數(shù)量巨大，成本高，而且極易壞掉，一定面積LED的非正常工作使得整屏顯示都受到影響，更換或者維修工作量較大；其次由于正常LED屏為平板，可視角度非常有限，再加上通常采用單色LED屏，能吸引注意卻無美感可言。

本文設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)彩色LED顯示屏，則能完美解決傳統(tǒng)LED顯示屏的各種問題。它以機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)方式代替逐行掃描，利用視覺暫留（POV：Persistence of vision）原理［1］，通過電機(jī)帶動(dòng)單列顯示器件旋轉(zhuǎn)，精確同步旋轉(zhuǎn)位置和LED亮滅，產(chǎn)生一系列運(yùn)動(dòng)軌跡的殘留影像。旋轉(zhuǎn)顯示屏是在支架上安裝了一列32個(gè)三色七彩LED，支架由電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，單片機(jī)控制這一列LED在不同位置的亮或滅，在合適的旋轉(zhuǎn)頻率下，就可以看到完整顯示的彩色文字或圖形。此系統(tǒng)不僅成本低廉，而且可視范圍擴(kuò)展到了360°，更重要的是，此系統(tǒng)根據(jù)色彩學(xué)原理，用RGB三色LED顯示七色彩圖，達(dá)到神奇夢(mèng)幻般效果。

2 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)

圖1為旋轉(zhuǎn)顯示的LED彩屏系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖。帶動(dòng)LED屏轉(zhuǎn)動(dòng)的為直流電機(jī)，并配置合適的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路；核心控制模塊選用凌陽SPCE061A單片機(jī)，采用電刷供電方式；光電傳感器用來感知系統(tǒng)運(yùn)行狀況；外部存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)圖片數(shù)據(jù)以方便后續(xù)擴(kuò)展。

圖1 硬件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖Fig.1 Design diagrams of hardware system

2.1 LED顯示組件設(shè)計(jì)

彩色LED顯示屏作為系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮諸多因素，如發(fā)光體的選擇、發(fā)光體運(yùn)動(dòng)方式、發(fā)光體引腳數(shù)量簡(jiǎn)化方式等。為了達(dá)到彩色顯示的目的，發(fā)光體選擇共陰RGB三色七彩直插封裝LED，這種LED高亮度、壽命長(zhǎng)、色彩豐富、耐沖擊、功耗小、驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單、工作電壓低。這種封裝的LED包含了紅（Red）、綠（Green）、藍(lán)（Blue）3個(gè)發(fā)光二極管，每個(gè)LED都可以單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，因此RGB三色可搭配出的顏色如表1所示。

表1 R、G、B三色產(chǎn)生的七彩配表Tab.1 Rainbow of colors created by R、G、B

對(duì)于七彩LED，內(nèi)部無控制電路，外部四引腳，配四線控制器，因此只能做出上表中的顏色變化。對(duì)于炫彩LED，外部十引腳，配專用十線控制器，內(nèi)部控制電路可以控制256級(jí)灰度變化，理論上可以搭配出上萬種顏色。

在LED顯示組件中，將發(fā)光體排成一列做柱面式旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。如果保持恒定的旋轉(zhuǎn)速度，則可以產(chǎn)生穩(wěn)定的圓柱面，使顯示效果更均勻，也使制作調(diào)試時(shí)振動(dòng)現(xiàn)象易于控制。由“視覺暫留”原理可知，人眼的暫留時(shí)間在0.05～0.2s之間，因此彩色LED屏必須保證至少0.2s轉(zhuǎn)一周。在合適的轉(zhuǎn)速下，利用單片機(jī)精確控制LED在固定位置上的亮滅，就可以看到穩(wěn)定顯示的整幅彩色圖片。旋轉(zhuǎn)顯示屏顯示原理示意圖如圖2所示，深色的一列代表LED屏在某個(gè)特定時(shí)刻的位置，而淺色表示在其他位置的影響殘留，轉(zhuǎn)速足夠快時(shí)，影像穩(wěn)定顯示，無閃爍或漂移等。

圖2 旋轉(zhuǎn)顯示屏顯示原理示意圖Fig.2 Diagram of rotating display

旋轉(zhuǎn)彩色顯示屏是由1列32［2］只RGB三色LED組成的矩形框。32個(gè)LED共計(jì)需要32×3＝96個(gè)引腳來控制其亮滅或者顏色，此三引腳主要用以RGB色彩輸入，而三色LED的第4個(gè)引腳統(tǒng)一連接到地。為了緩解單片機(jī)引腳的壓力，選用八進(jìn)制3態(tài)非反轉(zhuǎn)透明鎖存器74HC573來進(jìn)行擴(kuò)展，一個(gè)74HC573可控制8個(gè)單色LED，因此共需要12個(gè)74HC573芯片?？紤]到單片機(jī)引腳資源緊缺，與單片機(jī)的接口引線要盡量少，故選用一片4－16譯碼器CD4514作為片選信號(hào)的轉(zhuǎn)換。

LED顯示屏驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，其中前8個(gè)LED連接及其驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖4所示。32個(gè)LED被分為8個(gè)一組，每8個(gè)LED需要3片74HC573分別控制R、G、B端口，其接法均與圖4類似。12個(gè)74HC573芯片的LE1～LE12引腳接CD4514的譯碼輸出；而每個(gè)74HC573的D1～D8接單片機(jī)I／O口，單片機(jī)所給數(shù)據(jù)經(jīng)74HC573鎖存并輸出至彩色LED的RGB端口，從而控制RGB燈的亮滅。第1片74HC573的Q1～Q8引腳控制LED1～LED8的R端口，第2片74HC573的Q1～Q8引腳控制LED1～LED8的G端口，第3片74HC573的Q1～Q8引腳控制LED1～LED8的B端口，后面的情況以此類推。

圖3 LED顯示屏驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Diagram of LED Display driving circuit

圖4 8個(gè)LED及其驅(qū)動(dòng)電路原理圖Fig.4 Schematic of eight LED driving circuit

在設(shè)計(jì)時(shí)，為了使顯示屏在高速轉(zhuǎn)動(dòng)過程中不發(fā)生震動(dòng)，顯示屏PCB布局遵從嚴(yán)格對(duì)稱的原則［4］。

2.2 供電模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

在七彩旋轉(zhuǎn)LED顯示屏系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)有效控制并簡(jiǎn)化接線，一般都讓主控電路和發(fā)光體一起運(yùn)動(dòng)。如何給彩色LED顯示屏和主控電路供電，就成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的關(guān)鍵問題之一，有以下幾種供電方案可供參考。

1.電池供電。簡(jiǎn)單易攜，但不適合長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)動(dòng)，常見的搖搖棒就采用此方案。

2.柔性導(dǎo)線。常用于需要過度彎曲的頻繁移動(dòng)的場(chǎng)合，適用范圍單一，如搖擺式運(yùn)動(dòng)。由于LED顯示屏一直處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，使用柔性導(dǎo)線會(huì)纏繞顯示屏。

3.電刷送電。在底座的電機(jī)轉(zhuǎn)軸上安裝電刷，并通過電動(dòng)機(jī)軸上或主控顯示板上的金屬環(huán)傳輸電能，能夠提供較大電流強(qiáng)度的電能，保證系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。這種方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。

4.發(fā)電機(jī)供電。在中心軸上面放一個(gè)小型發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)的定子為磁鐵，固定在軸上，線圈為轉(zhuǎn)子，直接連接在電路上，高速旋轉(zhuǎn)時(shí)即可產(chǎn)生電流，對(duì)主電路進(jìn)行供電。這種方法可克服由電刷產(chǎn)生的干擾［3］。

通過比較，本系統(tǒng)采用電刷供電方式。電機(jī)的作用是帶動(dòng)電路部分進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，其關(guān)鍵在于電機(jī)的轉(zhuǎn)速要均勻，這樣才能保證圖像在水平方向不會(huì)被局部伸展或者壓縮，為此我們要使用勻速直流電機(jī)。因作品外形較大，故而選用較大的無刷直流電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路原理圖如圖5所示。由于人眼的暫留時(shí)間在0.05～0.2s之間，所以旋轉(zhuǎn)的LED至少0.2s轉(zhuǎn)一周，即每分鐘至少300轉(zhuǎn)。設(shè)計(jì)時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速為5r／s左右，可大大增強(qiáng)旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性和精確性，可保證清晰的顯示效果。

圖5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路原理圖Fig.5 Schematic of motor driving circuit

2.3 運(yùn)行狀態(tài)感知模塊設(shè)計(jì)

在彩色LED顯示屏高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，顯示內(nèi)容的穩(wěn)定與否取決于轉(zhuǎn)動(dòng)的角度和LED亮滅及色彩的配合，要使運(yùn)動(dòng)的發(fā)光體形成正常和穩(wěn)定的顯示效果，系統(tǒng)大多需要通過傳感器來感知發(fā)光體的運(yùn)動(dòng)位置或狀態(tài)，以確定顯示的起始位置，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正。本系統(tǒng)采用光電傳感器來確定第一列LED顯示位置，并與合適的計(jì)數(shù)器配合來控制列數(shù)據(jù)更新頻率，以合適的電機(jī)轉(zhuǎn)速來確保顯示內(nèi)容的完整性。與傳統(tǒng)顯示器相比，此處傳感器的作用類似于場(chǎng)同步信號(hào)發(fā)生器，保證旋轉(zhuǎn)彩色LED屏在固定位置產(chǎn)生同一內(nèi)容，確保圖像不會(huì)產(chǎn)生漂移。

2.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)

顯示一幅同樣大小的畫面，七彩圖案的數(shù)據(jù)量是普通單色圖案的3倍。另外考慮到單片機(jī)內(nèi)存非常有限，為了顯示功能的實(shí)用和擴(kuò)展，故圖案的數(shù)據(jù)采用外部存儲(chǔ)方式，存儲(chǔ)芯片選擇512k位紫外線擦除存儲(chǔ)器和OTP存儲(chǔ)器 M27C512［5］。以我們選取的圖片為例，其大致為32×150像素，一幅圖片大小為1.8KB，M27C512大致可存儲(chǔ)284張同大小的圖片數(shù)據(jù)，以傳統(tǒng)電影放映機(jī)每秒24幀的放映速度，視頻數(shù)據(jù)可持續(xù)11s。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 圖像數(shù)據(jù)提取

圖6 原始圖片與R、G、B三通道圖Fig.6 Original picture and RGB channel graph

本文設(shè)計(jì)的彩色LED顯示屏，有一項(xiàng)最重要的任務(wù)是提取出彩色圖片的顯示數(shù)據(jù)。首先要選取大小合適的圖片。因?yàn)樗O(shè)計(jì)的LED顯示屏只有32個(gè)LED，所以需要調(diào)整圖片的寬度為32像素。然后將彩色圖像分離出R、G、B三通道圖，存為.bmp格式，如圖6所示。

由于沒有現(xiàn)成的直接提取圖案數(shù)據(jù)的取模軟件，因此只能手工提取。利用凌陽“DM Tool字模提取工具”，分別對(duì)R、G、B三通道的圖像提取二進(jìn)制數(shù)據(jù)。圖7為提取R通道二進(jìn)制數(shù)據(jù)示例。

圖7 取模軟件對(duì)圖像的處理過程Fig.7 Processing of image by DM Tool

3.2 程序設(shè)計(jì)

圖8 主程序流程圖Fig.8 Main program flow diagram

為了保證顯示畫面的穩(wěn)定性，系統(tǒng)運(yùn)用了光電傳感器，在特定位置設(shè)置反光點(diǎn)，記為初始位置；光電傳感器隨著顯示屏一起轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)每次轉(zhuǎn)動(dòng)到初始位置時(shí)，傳感器將位置數(shù)據(jù)傳遞給單片機(jī)，單片機(jī)接收到外部中斷信號(hào)后，從內(nèi)存中讀取第一列應(yīng)該顯示的數(shù)據(jù)，并傳遞給LED控制電路；在轉(zhuǎn)動(dòng)當(dāng)圈的其他位置，采用定時(shí)器計(jì)時(shí)方式來決定在哪個(gè)位置顯示下一列數(shù)據(jù)。這樣的顯示方式能保證圖片無形變，但是定時(shí)器的計(jì)數(shù)初值需要與電機(jī)轉(zhuǎn)速嚴(yán)格匹配［6］。為了更精確地顯示或者滿足某些變速系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示的要求，可以引入速度傳感器來實(shí)時(shí)測(cè)定當(dāng)前轉(zhuǎn)速，根據(jù)特定算法得到當(dāng)前定時(shí)器的計(jì)數(shù)初值。

4 系統(tǒng)的實(shí)際測(cè)試

在硬件電路制作完成后，我們編寫C語言程序，經(jīng)過測(cè)試、調(diào)試程序查看電路是否能正常工作；然后用專用的燒錄器，手工編程將數(shù)據(jù)寫入外部存儲(chǔ)器；最后將系統(tǒng)的主控程序下載至單片機(jī)，其實(shí)際運(yùn)行效果如圖9所示。從圖中可以看出，旋轉(zhuǎn)掃描使圖像在橫向上發(fā)生了點(diǎn)陣粘連，這是由于掃描LED時(shí)點(diǎn)亮的時(shí)間稍長(zhǎng)導(dǎo)致的，如果要達(dá)到傳統(tǒng)顯示屏類似效果，需要在顯示數(shù)據(jù)時(shí)序上增加LED滅的時(shí)間。所以顯示的圖像大小與顯示圖片質(zhì)量與掃描速度有關(guān)，如果采用時(shí)鐘速度更高的控制芯片，如ARM、FPGA等快速單片機(jī)顯示的效果會(huì)更好，顯示的精度控制可以更加準(zhǔn)確。今后我們會(huì)通過一定的改進(jìn)，提高硬件時(shí)鐘或進(jìn)一步進(jìn)行程序調(diào)試，采用電影放映原理，在旋轉(zhuǎn)顯示屏上不但可以放映一張彩色的圖片，還可以放映一段彩色動(dòng)漫。

圖9 彩色LED屏實(shí)際運(yùn)行效果圖Fig.9 Practical tests of colorful LED display

5 結(jié) 論

本系統(tǒng)以凌陽單片機(jī)為核心，通過控制LED顯示組件的旋轉(zhuǎn)，顯示了一幅彩色圖案。設(shè)計(jì)的新型旋轉(zhuǎn)柱式顯示屏，以機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)掃描方式替代逐行掃描，同時(shí)采用32個(gè)RGB三色七彩LED，實(shí)現(xiàn)了32pixel×150pixel像素彩色圖像顯示，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試運(yùn)行該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，實(shí)現(xiàn)360°全方位顯示、灰度實(shí)現(xiàn)256級(jí)調(diào)節(jié)。旋轉(zhuǎn)彩色LED顯示屏設(shè)計(jì)新穎，成本低廉，尤其是360°觀看角度使之非常適合展廳一類的場(chǎng)合。

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