基于STM32控制芯片的LED旋轉顯示器設計

鄧怡辰 邵亞麗 佘軾

摘 ? 要：近年來，LED顯示屏得到飛速發展，雖然LED顯示屏的顯示原理簡單、直觀，但缺點也是顯而易見的。文章以改進傳統LED顯示屏的缺點為出發點，設計出一款以步進電機作為顯示載體，以余暉效應作為理論基礎的旋轉LED顯示屏，可以實現LED數量的減少，從而在不影響顯示面積和效果的基礎上降低功耗和成本。該旋轉顯示系統研究的內容主要包括3個部分：LED旋轉顯示屏的整體設計、硬件系統設計和軟件系統設計。

關鍵詞：發光二極管;STM32;旋轉顯示屏

隨著媒體廣告形式日益豐富，人們對顯示媒介的探索也具有多元化。早期的發光二極管（Light Emitting Diode，LED）都是作為發光元件在使用，LED顯示屏這些年的飛速發展，已經廣泛應用于顯示器。相比于傳統的顯示設備，LED顯示屏具有壽命長、光效高、無輻射和低功耗的優點，其運用規模逐步從野外廣告媒體擴展到舞臺租賃，再到會議室、體育場館等。

傳統的LED顯示屏都是由很多LED組成的圖案矩陣，隨著圖片的放大，需要消耗大量的存儲空間。在習慣了方方正正的LED顯示設備之后，人們開始思考，如何能在原有的LED顯示設備的基礎上減少占用的空間和體積、降低成本與功耗。因此，本文以余暉效應為基礎，運用相應的算法、STM32F103VET6芯片以及步進電機設計了一款LED旋轉顯示屏，它具有空間小、成本低、安裝便捷等優點，可以在不影響成像效果的基礎上最大限度地減少顯示屏的體積和重量。

1 ? ?LED旋轉顯示屏的整體設計

1.1 ?顯示屏的設計原理

LED旋轉顯示屏設計的核心原理為視覺暫留現象。人眼在觀察四周景物時，光信號傳入大腦神經，需經過一段短暫的時間，光的作用結束后，相應景物所映射的視覺形象并不會立即消失，這種殘留的景象稱為“后像”，視覺的這一現象就是“視覺暫留現象”[1]，又稱余暉效應。在此基礎上，LED旋轉顯示屏除了要考慮上述因素之外，還需要精確的時間控制，否則畫面會出現顯示不完全或者軸向滾動的情況。

綜上所述，影響LED旋轉顯示屏成像效果的因素可以概括為3個：旋轉顯示扇片的數量;每塊顯示扇片上LED的數量;掃描分辨率，即每圈分割的度數。

1.2 ?顯示扇片的設計

LED旋轉顯示屏的顯示扇片是以步進電機作為載體，步進電機的旋轉速度是通過脈沖來控制的，通過設置脈沖控制電機旋轉的速度，單顯示扇片完全可以實現在視覺暫留的時間內完成一周的旋轉，以各個位置圖像的疊加在人腦中生成一幅完整的圖像。

根據前期實驗論證單顯示扇片存在的弊端，產生的畫面容易發生撕裂現象。設旋轉扇片旋轉360°后顯示一幅完整的圖片，生成圖片所需要用到的時間為t，顯示扇片的角弧度為α，res代表分辨率，每列數據掃描顯示的時間間隔為ΔT，每列數據間隔的角度為Δδ，N表示顯示壁的個數，則有：

由式（1）和式（2）可知，如果只有一條顯示扇片，ΔT為最小值，從而每一幀所對應的數據量也越小，容易產生畫面顯示的不連續現象，影響顯示效果。結合實際需要考慮以下兩點：第一，考慮到程序開發和對主控芯片的利用程度，每條顯示臂上的LED數量應為8的倍數。第二，雖然采用多顯示扇片可以在低轉速下實現高分辨率圖片的顯示，但多顯示扇片相比于單顯示扇片存在重量、功耗增加的缺點。所以在權衡了顯示效果和功耗后，本文采用3條顯示扇片、每條顯示臂上24個LED來進行旋轉顯示屏的設計。

2 ? ?硬件系統設計

整個系統主要包括主控芯片、全彩LED驅動芯片、供電模塊、電機驅動模塊、霍爾元件。其中，霍爾元件的作用是為了實現精確定位，有了基準點之后，就可以使得圖像顯示的方向永遠固定，從而防止圖像發生滾動[2]。

2.1 ?主控芯片

主控芯片采用STM32F103VET6，使用集成電路總線（Inter-Integrated Circuit，IIC）接口與LED的DM164驅動進行通信，主控芯片上的通用輸入/輸出口（General Purpose Input/Output，GPI/O）引腳和驅動芯片上的DIN，DCKI引腳連接通過程序實現通信。采用雙線串行接口，數據按順序以一定的格式串行進入驅動芯片，驅動并點亮LED。

2.2 ?全彩LED驅動芯片

本文中單片顯示扇片所使用的LED數量為24個，但單個的DM164只能支持8個全彩LED的驅動，所以每一個顯示壁都需要使用3個DM164來進行級聯，數據會在依次通過每一個DM164之后同步進行顯示。

2.3 ?供電模塊

供電模塊電池選取鋰電池，電池額定電壓3.8 V，工作電壓范圍為3.5～4.2 V，容量6 000～8 000 mAh，放電額定電流為5 A，峰值電流達到8 A。充電管理芯片采用TI的BQ24193，集成開關模式電池充電管理和系統電源路徑管理，支持寬范圍輸入源，當充電電流低于預設定值（10 mA）時充電器自動終止。電量檢測芯片采用TI的BQ27410，使用Impedance Track技術的對電池電量進行監測，可提供剩余電池容量、充電狀態（進度）、電池電壓等信息。

2.4 ?電機驅動電路

人眼有0.05～0.2 s的視覺延時，所以將電機的轉速設置在5 r/s左右，可以保證圖像不會被局部壓縮或者拉升，得到清晰的顯示效果。本文采用L298N作為直流電機驅動芯片，其內部有兩個H橋驅動電路，并利用脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation，PWM）波來實現對輸出電壓的有效值大小和極性進行控制，這種調速方式可以實現頻繁的無級快速啟動和反轉[3]。為了防止電機驅動電路對控制模塊的影響，采用光電耦合進行隔離。

3 ? ?軟件系統設計

3.1 ?圖像取模算法的設計

3.1.1 ?坐標軸之間的轉換

圖像在矩形的LED顯示屏中是以直角坐標系為坐標原點進行像素點的顯示控制的。但是在LED旋轉顯示屏中，是以步進電機為圓心，以旋轉扇片半徑為長度畫實心圓，因此，在對圖像取模之前，要先將直角坐標系轉換成極坐標系。通過平移變換把兩個坐標系的原點重合，并且保證兩種坐標系所采用的長度單位相同。設A（x， y）是平面上的任意一點，點A在直角坐標系與其極坐標系之間的轉換公式如式（3—4）所示：

3.1.2 ?RGB模式

不同成像原理的顯示屏之間都是基于RGB三原色顏色模式來實現彩色圖片的顯示，將紅（Red）綠（Green）藍（Blue）三原色以不同的比例進行調和，從而產生多種多樣的顏色。在計算機中，把這種模式轉化為二進制來對三原色的比例進行控制。以24 bit顏色模式為例，此時每個像素值都分成R，G，B 3個基色分量，每個基色分量直接決定其基色的強度。基色的強度采用一個字節來表示，即每個像素使用24 bit，這種模式也被稱為24位真彩色模式，它可以達到人眼分辨的極限，發色數是1 677萬多色，也就是2的24次方。

3.1.3 ?圖像取模

在坐標軸轉換和RGB模式的理論基礎上進行圖像取模，確定顯示旋轉扇片上的LED的數量以及旋轉擺扇片旋轉一周所需的時間。然后在極坐標下設定分辨率（α， θ），再將坐標軸轉換成直角坐標，建立該圖像的極坐標點陣色彩數據，數據的值由圖像上對應坐標下的24 bit RGB值確定。

3.2 ?系統總體程序流程

系統總體程序流程如圖1所示。其中，系統初始化中包含了對按鍵、I/O狀態、定時器、中斷等的初始化。按鍵的判斷包括發送啟動信號開啟電機、發送信號運行圖形處理程序等。使用通用異步收發傳輸器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART）加環形緩沖區移動環形緩沖區中的讀指針和寫指針來實現緩沖區數據的讀寫。當主控芯片接收到數據，辨認出顯示方式后，傳送給顯示屏顯示更新的內容。

4 ? ?結語

本文選用STM32F103VET6作為主控芯片用來控制LED旋轉二維顯示屏，最高工作頻率可達72 MHz，具有64 K的SRAM和512 K的Flash供主控芯片存儲數據。對圖像數據進行處理之后控制LED發光，最高工作頻率可達72 MHz，改善了傳統LED顯示設備的許多不足。

[參考文獻]

[1]張亞.旋轉LED顯示屏設計[J].科技視界，2012（30）：105-107.

[2]李思霖.霍爾效應原理及應用研究[J].電子世界，2018（2）：80-81.

[3]殷留留，韓森，王芳，等.基于L298N的直流電機調速系統的設計與應用[J].信息技術，2017（6）：104-107.