基于串并行通信架構的全彩高階光立方設計

王仁杰

(復旦大學 信息科學與工程學院，上海 200433)

0 引言

顯示技術一直是研究的熱點，也是交互體驗中常見的方式。傳統的平面顯示技術已十分成熟，但是形式單一、立體性不強，新穎性和互動性遠不如3D顯示技術。在公共空間中，越來越多的裸眼3D技術開始使用。相較于全息投影類的裸眼3D技術，光立方由LED組成像素點，因其成本更低廉，顯示效果穩定，不易受環境干擾等優點受到了越來越多的關注。

傳統的3D光立方系統，通常采用逐層刷新的方法，各個層面上的LED燈珠依次被刷新為對應的亮度，并基于人眼的視覺暫留效應，呈現出立體動態效果。這種傳統光立方設計方法存在著如下缺陷：電路結構復雜、顏色單一、亮度不足、階數不高。

本文提出了一種全新的光立方設計架構，大大簡化了電路架構的復雜性，使得設計更高階的光立方矩陣更具可行性。同時引入的RGB燈珠，實現的全彩效果，互動體驗效果更佳。此外，采用FPGA控制系統，提高了通信吞吐能力，并依靠多引腳、并行運行結構增強了對立體陣列的驅動能力。

1 傳統的光立方原理架構

傳統光立方大多是8×8×8的單色LED點陣，文獻[1-2]中進行了描述，如圖1所示。

圖1 傳統光立方整體架構

具體分解為8層，每層8×8=64個點陣，總共有512個LED燈珠。顯然，對于控制系統而言，不可能對每一個燈珠分別分配一個獨立的控制信號來控制其亮滅。如文獻[3]所述，傳統的方法是利用視覺暫留原理，逐層掃描點亮陣列，如圖2所示。

圖2 傳統光立方同一層LED驅動方式

第i層面上所有的8×8=64顆LED燈珠的陰極全部由對應的層選擇信號Layeri控制。而LED陽極的信號在同一層內是彼此獨立的信號(LED1、LED2、…、LED64)。為了進一步分解64個獨立的LED陽極信號，文獻[4]使用鎖存器，以此節省主控芯片的GPIO資源。

傳統架構每層需要的LED陽極控制信號數量為M=N2，陽極控制信號數量M隨階數N的增加，以平方關系迅速增加。當N=16時，陽極控制信號M高達256，這對于硬件資源而言是極大的消耗。因此，受限于硬件資源，光立方的階數難以提高。對于N=8的LED陣列，幀率為Fs，單顆燈的最大亮度為Lmax。此外，在一幀Ts=1/Fs內，每一層的LED燈被點亮的時隙數為式(1)。

(1)

這就導致了每顆燈工作室平均亮度最大只有1/N×Lmax，而各層間的幀率則應為式(2)。

FL=N*Fs

(2)

所以，階數N提高的同時又限制了光立方的刷新速度和亮度。此外，為了達到不同的灰度需求還需要在Tlayer的時隙內完成至少一個周期的PWM調制驅動。假定需要NPWM=256階的PWM驅動，那PWM的時鐘頻率需要至少達到為式(3)。

FPWM=NPWM/Tlayer=NPWM×N×Fs

(3)

而正常驅動一顆LED只需FPWM=NPWM×Fs。可以看出隨著光立方N的增加，PWM的驅動頻率和驅動電路也需要更高的要求。

由此則可以看到傳統光立方設計方法存在如下缺點：

(1)電路結構復雜，每一個燈珠需同時與層內和層間的控制信號相連接，形成一個矩陣框架，電路焊接復雜，不易布設；

(2)亮度偏低，因為LED燈只在其被刷新的時隙被點亮，假定層數為N，則只能顯示單顆LED燈最大亮度的1/N的亮度；

(3)階數N有限，當階數或層數N增加時，對于刷新率的要求會越來越高，同時，系統亮度也更低；

(4)顏色單一，通常是單一顏色的LED燈構成的立體矩陣，缺乏色彩的變化。

2 新型全彩高階光立方架構

2.1 基于串行級聯通信的光立方架構

基于串行級聯通信架構的光立方架構中，為每一顆LED燈配置了一顆芯片。一方面，芯片具備串行級聯通信功能，通過級聯可以將LED的RGB信息逐級傳遞；另一方面，芯片具備LED驅動能力，可生成PWM信號恒流驅動LED的R、G、B 3個通道。以WS2811芯片為例，集成了芯片和RGB燈珠的串聯級聯電路示意圖，其結構簡潔，將芯片依次級聯即可，如圖3所示。

圖3 串行級聯電路示意圖

WS2811的時序邏輯，如表1所示。

表1 串行級聯通信協議表

在一幀數據刷新過程中，首先經過一個大于50us的復位時隙，而后是一個個以24bits為單位的數據時隙中。每個芯片收到的第一組24bits數據被鎖存到內部寄存器中，分別表示8bits的RGB信息，剩余的數據則經整形放大后繼續向后續傳遞。內部鎖存的數據用來生成PWM信號并驅動LED的RGB 3個通道。如此便可通過一根數據線DIN(Data_In)對級聯的所有燈珠實現全彩控制。

實際使用時，也有將通信IC直接封裝在燈珠內的應用產品，例如WS2812燈珠,其優點是集成度更高。而外置IC相較下的優點則是系統的供電電壓、燈珠功率等可調性更大。兩者各有優點，但結構框架是完全一致的。與傳統光立方結構不同，如圖4所示。

新提出的改進結構以每一個縱列XZ平面為單位,整個光立沿Y方向共分布C個縱列。每個XZ平面的具體實現結構，如圖5所示。

圖4 新型光立體整體架構

圖5 XZ平面上串行級聯結構示意圖

整個平面上的B根燈柱只需要一根信號線就可以串聯控制，串聯信號DIN由進入一根燈柱后，先進入第1顆LED，接著自下而上依次向上傳遞至燈柱頂部的第A顆LED，而后輸出的DIN信號向后輸入到后面的燈柱，如此依次傳遞，實現對整個XZ平面上所有A×B顆燈珠的控制。而Y方向上的C個XZ平面組成的縱列，共需C個獨立的控制信號DIN1…DINC即可。

2.2 級聯通信光立方架構與傳統架構的指標對比

對比可見，基于級聯通信的光立方架構，有著如下優點：

第一，布設簡單，擺脫了圖1中傳統光立方架構行列縱橫導致的復雜架構；由于通信方式簡單，只需一根DIN信號線就可以控制整個XZ平面的所有燈珠，而各個不同XZ平面則彼此獨立。

第二，節省硬件資源，可以輕易實現更高階的立體矩陣。以N×N×N(N=32)的光立方為例，傳統光立方在同一層需要多達N2=1024根陽極控制信號，同時，不同層還需要N=32根可同時驅動整層1024顆燈的陰極信號，對于驅動能力也要求極高。而通信芯片WS2811在滿足幀率30fps時，單根DIN信號可同時支持XZ平面上的32×32=1024顆燈珠，同時使用N=32根DIN信號線，則可以控制N×N×N(N=32)的光立方，若進一步增加DIN信號線的數量，則可以實現更大體量的光立方架構。因而基于通信的光立方可以將傳統方案中N2+N根信號線優化為僅需N根信號線。

第三，燈珠亮度更高、色彩更豐富，而且支持RGB燈珠,實現了全彩體驗。在傳統結構中，由于N層依次刷新，原本額定亮度Lmax的燈珠實際只可達到1/N×Lmax，隨著層數N的增加，燈珠的亮度越來越小。而基于通信的架構避免了逐層掃描，每顆燈珠均可按照額定的Lmax亮度工作，因此，該方式燈珠更亮。此外，WS2811通信芯片可以支持RGB燈珠，所以可以進一步實現全彩控制，體驗更豐富。

2.3 基于并行通信的光立方架構

與上述串行級聯通信的光立方架構不同，采用并行通信的方式也是可以實現的。

以DMX512類型芯片UCS512A1為例，其并行通信電路，如圖6所示。

圖6 并聯電路示意圖

該芯片的信號輸入端公用一根數據線DIN。DIN數據包是所有芯片共享的，每個芯片依據自身獨立的地址編碼ID，從DIN傳輸的數據包中獲取匹配的色彩信息RGBID，而后鎖存數據并驅動LED燈的RGB三通道。此外，需要額外配置一根寫碼數據線，其仍舊采用串行級聯通信方式，與表1的格式相似。在電路布設初期，寫碼線用來對所有芯片逐級編碼，芯片收到ID后寫入E2PROM，該ID信息可斷電保存，一經編碼完成，可以持續使用。

通過該并行結構設計光立方架構時，其整體架構與串行級聯通信架構的光立方相似，在圖4中，以每一個縱列XZ平面為單位,整個光立方有延Y方向共分布C個縱列，而每個XZ平面彼此獨立。

所不同的是，在XZ平面內實現結構則采用了并行通信方法，如圖7所示。

首先，需要增加一根寫碼信號線PI,依照串行級聯的方式，先進入第1顆燈珠，自下而上依次向上傳遞至燈柱頂部的第A顆燈珠，而后向后依次輸入到后面的燈柱。編碼一經完成不再需要重復編碼。實際工作時，只需將所有燈珠的芯片均并聯到同一根信號線DIN上，即可實現對XZ平面上所有A×B顆燈珠。同樣，Y方向上的C個XZ平面縱列，也只需C個獨立控制信號即可。

圖7 XZ平面上并聯結構示意圖

與串行級聯結構相似，改并聯通信的光立方架構同樣具備布設簡單、通信方式簡單、節省硬件資源、階數更高、亮度更高、色彩更豐富的特點。對比串行級聯結構，并聯通信的架構中，需要多增加一根寫碼信號線，同時為了達到足夠的驅動能力還需要增設一個放大緩沖電路，因而電路結構更復雜一些。但是其也有明顯的優點，即系統穩定性更好。在串行結構中，若一顆或多顆芯片損壞則會導致整個級聯鏈路受損，后續的電路則無法工作，而并聯架構中，因為所有的芯片并聯在同一信號線DIN，而不存在級聯依賴關系，所以即使一些芯片損壞，剩余的芯片仍舊可以正常工作。

3 基于FPGA的光立方系統實現

3.1 基于FPGA的光立方系統架構

相較于普通的單片機，FPGA具備硬件資源豐富、多單元并行處理、時序控制能力強等一系列處理。文獻[5]將FPGA應用到了LED點陣的設計，處理的是2D平面點陣。文獻[6-7]將FPGA應用到了光立方設計中，但仍是基于傳統光立方的掃描架構。本文的新型光立方系統采用Altera公司Cyclone IV系列的FPGA芯片EP4CE6E22C8作為主控單元。整個FPGA系統的架構，如圖8所示。

上位機是用來計算繪制實時的動態效果，并將其轉化為光立方陣列中各個LED像素點的色彩信息。而后與FPGA的通信接口交互，將數據實時下發到FPGA主控系統。

FPGA主控系統主要由通信接口、數據處理單元、數據存儲單元及驅動單元4個模塊構成。

第一，通信接口有兩種方式。其一，TCP/IP接口，該接口通訊協議復雜，實現相對困難，但是可以支持100 Mbps甚至更高的傳輸速率，對于高階、高動態、高刷新率的光立方系統支持更好；其二，則是串口通信，其最常用的速率為115 200 bps，通過適當的USB轉串口硬件的支持，最高可以達到921 600 bps，其優點是實現簡單，對于數據更新速率不高的系統同樣可以較好支持。

圖8 FPGA系統架構圖

第二，數據處理單元主要用來解析上位機下發的數據，并將像素色彩信息更新至相應的RAM存儲區。

第三，數據存儲單元是利用FPGA的片上資源配置的C個RAM，每一個RAM用來存儲光立方中相應XZ平面的色彩信息，而當FPGA內部資源不足時，則可通過外接RAM芯片支持更多的像素點。驅動單元則是按照固定的刷新頻率，定期訪問RAM區域，然后數據按照串行或者并行架構的通信協議將數據信號DIN傳輸至對應的XZ平面。

3.2 基于FPGA的光立方實物

實物體驗圖片，如圖9所示。

圖9 新型光立方實物體驗圖

在圖9中，該新型光立方結構清晰，由于避免了傳統光立方結構縱橫交錯的布線方式，布設簡單，體驗者也可以自由的進入光立方內部參觀，體驗效果更好。由于場地空間受限，該光立方矩陣為15×9×8，但基于FPGA系統可以實現32×32×32甚至更大規模的光立方。該光立方矩陣基于上位機傳輸的點陣像素信息，實時刷新立體陣列給用戶以更好的體驗。

4 總結

本文闡述了傳統光立方存在的結構復雜、亮度偏低、階數有限、顏色單一的缺點。為了避免傳統光立方縱橫交錯、逐層掃描的工作架構，引入了串行級聯結構和并聯結構兩種新的設計思路，詳細闡述了帶通信功能的LED驅動芯片的工作原理，并基于此設計了新型光立方架構。該新型結構設計簡易、通信簡單、硬件資源節省、階數更高、燈珠更亮并且色彩豐富。此外，為了驅動該新型光立方，設計了基于FPGA的主控系統，其具備通信接口、數據處理單元、數據存儲單元及驅動單元4個功能模塊，并驗證了整個光立方系統的可行性。