基于串行通信的光立方控制器的設(shè)計(jì)

韓　錚，紀(jì)　宇

（赤峰學(xué)院　物理與電子信息工程系，內(nèi)蒙古　赤峰　024000）

基于串行通信的光立方控制器的設(shè)計(jì)

韓錚，紀(jì)宇

（赤峰學(xué)院物理與電子信息工程系，內(nèi)蒙古赤峰024000）

針對光立方顯示效果開發(fā)的問題，設(shè)計(jì)了光立方的控制器，通過使用上位機(jī)的串行接口與單片機(jī)相連接，利用上位機(jī)軟件生成不同的顯示數(shù)據(jù)，通過串行通信方式發(fā)送給下位機(jī)控制執(zhí)行，解決了光立方顯示效果開發(fā)過程中程序頻繁下載的問題，下位機(jī)通過控制通用口和移位寄存器實(shí)現(xiàn)了光立方的燈光效果控制.

光立方；串行通信；燈光控制

LED是普遍使用的發(fā)光器件，使用LED發(fā)光二極管將其按照8*8*8排列成立體形狀，稱為光立方或者3D8，是近年來比較流行的DIY燈光制作方案，由于每個(gè)LED均可以單獨(dú)控制亮滅，與平面顯示屏相比較，光立方在空間上進(jìn)行燈光點(diǎn)的控制，組合效果更加豐富，所以對燈光效果的開發(fā)一直是值得研究和開發(fā)的內(nèi)容［1，2］.

1　光立方控制原理

光立方通常使用單片機(jī)作為控制器，利用單片機(jī)串行通信接口的同步移位寄存器工作方式，將光立方的燈光控制數(shù)據(jù)移入到寄存器中，通過行列控制信號組合完成不同燈光方案的設(shè)計(jì).

光立方將LED排列到3維空間中，而LED控制引腳只有兩個(gè)，所以如何排列是首先要解決的問題，通?？梢詫⒘⒎襟w按照空間中三個(gè)坐標(biāo)的方向進(jìn)行切片，有三種方式：即在立方體的X、Y、Z三個(gè)方向中的任意一個(gè)進(jìn)行分割作為單獨(dú)控制的面［3，4］.

圖1　光立方控制方式

對于不同的分割方式，連接方式有所不同，但是通常將同一層的LED共接在一起連接到電源或者地，由一根控制線引出作為層控制信號，而與層相垂直的線上的LED將另一個(gè)引腳共接，稱為一束（或與層垂直的列）.不同的分割和連接將產(chǎn)生不同的控制代碼，可使用軟件生成字模，使用方法與點(diǎn)陣取模類似，本例中使用圖1中（a）方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，取模與焊接方式如圖所示：

圖2　光立方取模與焊接方式

顯示時(shí)，逐層掃描點(diǎn)亮，因?yàn)閽呙栝g隔較短，人眼視覺殘留效應(yīng)使得看起來像多層同時(shí)點(diǎn)亮一樣［5］.本文使用Z方向切面，分成8層，每層有64個(gè)LED燈珠對應(yīng)64束，需要8組移位寄存器存儲該層對應(yīng)的顯示數(shù)據(jù)，循環(huán)將層掃描數(shù)據(jù)送入8組寄存器配合層掃描即可點(diǎn)亮整個(gè)立方體.每層公用LED陽極，陰極按垂直于該面，最終將所用8個(gè)面的對應(yīng)陰極連在一起，引出64個(gè)LED陰極，此64個(gè)陰極信號決定平面中哪些燈量，而陽極信號決定哪層亮.

2　設(shè)計(jì)方案與控制電路

本項(xiàng)目是針對光立方效果開發(fā)調(diào)試的硬件平臺，由于單片機(jī)片上ROM有限且調(diào)試時(shí)需要經(jīng)常改變控制數(shù)據(jù)不停的執(zhí)行，所以單一系統(tǒng)控制方案不可取，使用上位機(jī)發(fā)送顯示數(shù)據(jù)，下位機(jī)顯示的方式來進(jìn)行設(shè)計(jì)，更能有效的滿足要求，一旦效果設(shè)計(jì)成功可以選用合適的單片機(jī)做成獨(dú)立的光立方.系統(tǒng)框圖如下所示

圖3　系統(tǒng)框圖

使用3D8取模軟件設(shè)計(jì)每層燈光的字模，由上位機(jī)通過串行發(fā)送到光立方顯示，光立方控制電路使用串行口接收數(shù)據(jù)并有移位寄存器輸出鎖存，達(dá)到顯示調(diào)試的目的.

3　硬件電路

光立方由單片機(jī)系統(tǒng)控制，層控制使用單片機(jī)P0口8個(gè)引腳，每層的數(shù)據(jù)有P2.0-P2.3將接收到的數(shù)據(jù)傳入到595芯片中，由于篇幅所限只給出2 個(gè)595級聯(lián)的電路，實(shí)際使用8塊，每個(gè)鎖存8位數(shù)據(jù)共64位陰極控制信號［5］.

圖4　硬件電路圖

4　軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)首先設(shè)計(jì)通信協(xié)議的設(shè)計(jì)，光立方串口通訊協(xié)議設(shè)置如下：

波特率為115200；無校驗(yàn)位；數(shù)據(jù)位為8位；

命令僅由2個(gè)字節(jié)組成.發(fā)送順序?yàn)橄雀?位（H7-H0），再低8位（L7-L0）.考慮系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求及實(shí)現(xiàn)的簡便，沒有設(shè)置檢驗(yàn)位，合計(jì)三種代碼格式，使用三種開始碼與之對應(yīng)、不設(shè)結(jié)束碼.

表1　通信協(xié)議

因?yàn)椴辉O(shè)置結(jié)束碼，所以必須要保證每條代碼發(fā)送的完整性.

每層LED按照順序編號單片機(jī)接收到相應(yīng)指令后按照行列要求進(jìn)行指令解析，講實(shí)際控制數(shù)據(jù)發(fā)送給595芯片，同時(shí)控制層電源.

為了保證每層亮度均衡，保證每層掃描時(shí)間相同，同時(shí)使用三極管對每層電流進(jìn)行擴(kuò)流.使用串行口中斷進(jìn)行數(shù)據(jù)通信控制，設(shè)置接收緩沖區(qū)存儲指令，單片機(jī)根據(jù)指令輸出控制信號對LED進(jìn)行控制.

5　實(shí)驗(yàn)與結(jié)論

針對光立方燈光效果開發(fā)調(diào)試的工作困難的問題，利用串行通信發(fā)送上位機(jī)指令對光立方進(jìn)行控制，能快速的進(jìn)行效果驗(yàn)證，同時(shí)設(shè)計(jì)了硬件電路方案和軟件通信協(xié)議，解決了光立方效果開發(fā)過程中程序頻繁下載的問題.

〔1〕康志強(qiáng)，汪佳，湯勇明.基于FPGA的3D光立方設(shè)計(jì)［J］.電子器件，2012（06）：683-686.

〔2〕蘇珊，肖英，李行杰.基于STC單片機(jī)的8×8×8 LED光立方系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.吉首大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013（06）：33-36.

〔3〕韓鵬程，婁穎，池承選.基于單片機(jī)的光立方系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電子世界，2014（12）：528.

〔4〕虞滄.基于單片機(jī)的光立方系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電子測試，2015（06）：28-30.

〔5〕吳永德，羅萍.基于STC15F2K60S2單片機(jī)的LED光立方設(shè)計(jì)［J］.電腦編程技巧與維護(hù)，2015 （11）：81-84.

〔6〕楊永剛.3D光立方的設(shè)計(jì)與制作［J］.電子世界，2014（06）：129.

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