基于FPGA的LED雙軸旋轉(zhuǎn)顯示設(shè)計*

姜 勖，許 ?，鄭凌晨，湯勇明*

(1．東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，南京210096;2．東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，南京210096)

JIANGXu1，XU Yan2，ZHENGLingchen1，TANGYongming1*

(1．School of Electronic Science and Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，China;2．School of Information Scienceand Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，China)

顯示設(shè)備在各種系統(tǒng)中占有重要的地位，其中，旋轉(zhuǎn)LED顯示屏以其新穎、成本低、可視視角達360°等優(yōu)點得到了迅速的發(fā)展［1］。目前，旋轉(zhuǎn)顯示的常用方案是高速掃描處于快速旋轉(zhuǎn)中的二維LED陣列［2］，通過控制發(fā)光二極管的亮滅來顯示文字、圖片、動畫、視頻等信息［3－4］。本系統(tǒng)來源于學(xué)科競賽項目［5］，設(shè)計了一種新型LED旋轉(zhuǎn)顯示方案，僅使用3個全彩LED作為發(fā)光器件，通過兩個轉(zhuǎn)軸的同時旋轉(zhuǎn)，以FPGA開發(fā)板平臺作為系統(tǒng)主控，利用視覺暫留原理實現(xiàn)三維球面顯示。

1 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

作品利用兩個相互垂直的轉(zhuǎn)軸和3個全彩LED，通過控制兩個電機的轉(zhuǎn)速和LED亮滅周期，實現(xiàn)3個LED的雙軸旋轉(zhuǎn)，在空間中展現(xiàn)出絢麗的圖案。

電機A的轉(zhuǎn)軸與y軸方向平行，電機B的轉(zhuǎn)軸與z軸方向平行。通過控制兩電機的轉(zhuǎn)速和LED燈的亮滅和色調(diào)，可實現(xiàn)多種炫彩圖案的顯示?？刂菩盘柦?jīng)由12路的兩個導(dǎo)電滑環(huán)A、B傳遞。

系統(tǒng)各部件的詳細信息如表1所示。

表1 各部件詳細參數(shù)信息

作品機械結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

圖1 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

2 視覺暫留原理模型建立及仿真驗證

2．1 原理介紹

視覺是在人眼晶狀體成像后，由感光細胞將光信號轉(zhuǎn)換為神經(jīng)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(wǎng)膜所產(chǎn)生的視覺在光停止作用后，仍會保留一段時間，這種現(xiàn)象稱為視覺暫留［3］。

目前，常見的LED顯示都是采用掃描方式，通過控制不同時間段，讓不同LED輪流點亮，根據(jù)視覺暫留原理，當(dāng)掃描幀頻達到24 Hz以上時，人眼便感覺不到掃描過程，即當(dāng)LED刷新足夠快時，人眼能看見一幅穩(wěn)定圖像［6－7］。

2．2 模型建立及驗證

以圖2所示的旋轉(zhuǎn)中心點為坐標原點建立坐標系。

在不失一般性的情況下，僅討論一個LED的運動特性，并以此推廣到3個LED。

在圖2的柱面坐標系中，每個LED的位置可以由(ri，φi，θi)唯一確定:

圖2 坐標系的建立

其中:

用來仿真LED燈的亮滅情況，period定義為LED燈的亮滅周期，high定義為一個亮滅周期內(nèi)燈亮的時間長度。

通過選擇合理的時間t來仿真人眼視覺暫留時間，同時選擇合理的vφ，vθ仿真LED繞兩垂直轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的速度，由MATLAB得到仿真圖像［8］。圖3給出了其中三幅不同(vφ，vθ，period，high)組合的仿真圖像，這3種以及其他圖案在后續(xù)實際設(shè)計中也被證明是可以實現(xiàn)的。

圖3 部分仿真圖案

3 系統(tǒng)介紹

系統(tǒng)的總體功能如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)功能圖

系統(tǒng)以FPGA為控制平臺，已設(shè)計有3個模式:自動工作模式、紅外遙控模式、游戲互動模式。

自動工作模式:按照預(yù)先設(shè)定好圖案，系統(tǒng)自動切換，通過AD采樣及信號處理，使圖案隨著音樂的節(jié)奏的變化而變化。

紅外遙控模式:用戶可以使用遙控器實時控制系統(tǒng)的開啟、停止以及圖案變更，實現(xiàn)人機交互。

游戲互動模式:通過外部調(diào)節(jié)旋鈕，改變電機轉(zhuǎn)速、LED亮度和閃爍頻率，用戶可自行定制圖案，增加用戶體驗感和趣味性。

4 硬件設(shè)計

4．1 控制平臺

系統(tǒng)采用Xilinx的Basys2 FPGA開發(fā)板作為主控部分。

Basys2開發(fā)板采用Spartan3E－CP132芯片，內(nèi)置18 bit乘法器，集成了大量I/O端口和FPGA的常規(guī)可編程邏輯單元電路，具有高速運算能力，滿足系統(tǒng)所需資源要求。

4．2 LED 驅(qū)動模塊

LED驅(qū)動采用TI公司具有12路通道，16 bit增強型PWM控制的RGB-LED驅(qū)動器TLC5971，其驅(qū)動電流達60mA/channel，且具有65536階色度調(diào)制，完全可以滿足設(shè)計需求。

使用該驅(qū)動芯片，僅使用兩個I/O管腳，即可通過FPGA時序編程，構(gòu)建移位寄存器，經(jīng)9個通道的輸出對3個RGB-LED進行相應(yīng)的控制。

4．3 AD 模塊

圖5 TLC5971應(yīng)用電路圖［9］

系統(tǒng)有兩部分需要AD轉(zhuǎn)換，一部分是音頻信號采集，以使顯示圖案受外部音頻信號控制;另一部分是手動調(diào)節(jié)旋鈕端電壓采集，即通過對電位器分壓電路電壓值的采樣，實現(xiàn)外部手動控制信號的輸入，經(jīng)過FPGA分析處理后控制兩個電機的轉(zhuǎn)速、LED的閃爍頻率和亮度，實現(xiàn)游戲互動模式中的人機交互。

為配合以上功能的實現(xiàn)，我們采用多片TI公司的TLV1572 AD轉(zhuǎn)換芯片，使用FPGA配合相應(yīng)時序，對轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號進行后續(xù)處理。

4．4 紅外遙控模塊

紅外遙控技術(shù)具有體積小、功耗低、功能強、成本低等特點，其廣泛應(yīng)用于家用電器、工業(yè)設(shè)備等領(lǐng)域。紅外遙控系統(tǒng)分為發(fā)射部分和接收部分，其信息傳輸?shù)木幋a方式主要分為NEC碼和RC5碼［10］。本系統(tǒng)采用HX1838寬電壓一體紅外接收頭作為模塊主體，使用NEC編碼方式，F(xiàn)PGA配合相應(yīng)的時序，對紅外信號進行解碼。

紅外遙控模塊的引入，實現(xiàn)了良好的人機交互，方便用戶對系統(tǒng)模式的切換。

5 軟件設(shè)計

系統(tǒng)采用FPGA硬件編程的形式，主要利用狀態(tài)機和分層設(shè)計的設(shè)計方法［11－12］，實現(xiàn)全部功能。

5．1 頂層狀態(tài)機

系統(tǒng)的整體狀態(tài)機示意圖如圖6所示。

狀態(tài)機各狀態(tài)名稱解釋如下:

(1)APP_MOD:自動工作模式;

(2)DIS_MOD:紅外遙控模式;

(3)GAME_MOD:游戲互動模式;

(4)dis_mod0～dis_mod6:紅外遙控模式的6個子模式;

(5)app_mod0～app_mod4:自動工作模式的6個子模式。

用戶僅需要通過紅外遙控器相應(yīng)按鍵，即可實現(xiàn)各狀態(tài)之間的切換。

圖6 系統(tǒng)狀態(tài)機示意圖

5．2 中間層算法實現(xiàn)部分

系統(tǒng)中間層部分，是對各種不同圖案的算法設(shè)計部分。根據(jù)當(dāng)前時刻上層狀態(tài)機的狀態(tài)碼，選擇不同圖案的算法實現(xiàn)。

圖案算法核心思想主要有以下幾個方面:

(1)控制電機A、電機B的轉(zhuǎn)速。

(2)控制3個RGB-LED的亮滅和亮滅周期。

(3)控制3個RGB-LED的顏色。

通過對以上3個方面的合理調(diào)配，并將控制信號傳給下邊的驅(qū)動層，即可實現(xiàn)不同炫彩圖案的顯示。

5．3 底層電機驅(qū)動及LED驅(qū)動部分

為節(jié)約FPGA資源以及規(guī)范設(shè)計過程，我們將底層驅(qū)動部分與上層算法部分分開。

驅(qū)動部分僅根據(jù)上層算法傳遞進來的控制信號，改變向電機傳輸?shù)腜WM占空比和LED驅(qū)動芯片移位寄存器中的內(nèi)容，實現(xiàn)機械結(jié)構(gòu)的運轉(zhuǎn)和LED亮滅的變換，從而最終實現(xiàn)三維球面圖案的顯示。

5．4 其他外設(shè)部分

其他外設(shè)主要包括紅外遙控解碼部分、AD采樣處理部分。

紅外遙控解碼部分對外部控制信號進行解碼，確定系統(tǒng)的工作模式，從而根據(jù)工作模式的不同調(diào)用不同的功能模塊。此外，在紅外遙控模式下，該部分還對用戶的交互操作進行解碼，實現(xiàn)圖案的變更等功能。

AD采樣處理部分僅在自動工作模式和游戲互動模式時有效。該部分以1．25 Msample/s的采樣速率持續(xù)對外部音頻信號、電位器分壓信號進行采樣，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果存在寄存器中，供其他控制模塊讀取，實現(xiàn)自動工作和游戲互動等功能。

5．5 系統(tǒng)控制流程圖

系統(tǒng)的控制流程圖如圖7所示。通過處理分析用戶發(fā)出的紅外控制信號，進入3種不同的工作模式，并輸出相應(yīng)的電機和LED控制信號。

圖7 系統(tǒng)控制流程圖

圖8 實現(xiàn)效果圖

圖9 系統(tǒng)實物圖

6 總結(jié)

系統(tǒng)最終能實現(xiàn)自動工作模式、紅外遙控模式、游戲互動模式等多種模式功能，通過FPGA控制3個RGB-LED繞兩正交軸旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)絢麗的三維顯示效果，用戶可以通過使用紅外遙控器進行模式轉(zhuǎn)換，也可以通過手動調(diào)節(jié)任意改變圖案，實現(xiàn)實時圖像變換。

本設(shè)計提出了一種全新的旋轉(zhuǎn)LED顯示思路，在給用戶帶來視覺體驗的同時，也實現(xiàn)了良好的人機交互，同時具有一定的娛樂性和應(yīng)用前景。

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