基于串并行通信架構(gòu)的全彩高階光立方設(shè)計

王仁杰

(復(fù)旦大學 信息科學與工程學院，上海 200433)

0 引言

顯示技術(shù)一直是研究的熱點，也是交互體驗中常見的方式。傳統(tǒng)的平面顯示技術(shù)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(shù)。在公共空間中，越來越多的裸眼3D技術(shù)開始使用。相較于全息投影類的裸眼3D技術(shù)，光立方由LED組成像素點，因其成本更低廉，顯示效果穩(wěn)定，不易受環(huán)境干擾等優(yōu)點受到了越來越多的關(guān)注。

傳統(tǒng)的3D光立方系統(tǒng)，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(yīng)的亮度，并基于人眼的視覺暫留效應(yīng)，呈現(xiàn)出立體動態(tài)效果。這種傳統(tǒng)光立方設(shè)計方法存在著如下缺陷：電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、顏色單一、亮度不足、階數(shù)不高。

本文提出了一種全新的光立方設(shè)計架構(gòu)，大大簡化了電路架構(gòu)的復(fù)雜性，使得設(shè)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(xiàn)的全彩效果，互動體驗效果更佳。此外，采用FPGA控制系統(tǒng)，提高了通信吞吐能力，并依靠多引腳、并行運行結(jié)構(gòu)增強了對立體陣列的驅(qū)動能力。

1 傳統(tǒng)的光立方原理架構(gòu)

傳統(tǒng)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(tǒng)光立方整體架構(gòu)

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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)光立方同一層LED驅(qū)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(yīng)的層選擇信號Layeri控制。而LED陽極的信號在同一層內(nèi)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(jié)省主控芯片的GPIO資源。

傳統(tǒng)架構(gòu)每層需要的LED陽極控制信號數(shù)量為M=N2，陽極控制信號數(shù)量M隨階數(shù)N的增加，以平方關(guān)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(shù)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(nèi)，每一層的LED燈被點亮的時隙數(shù)為式(1)。

(1)

這就導(dǎo)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(yīng)為式(2)。

FL=N*Fs

(2)

所以，階數(shù)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(nèi)完成至少一個周期的PWM調(diào)制驅(qū)動。假定需要NPWM=256階的PWM驅(qū)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(qū)動一顆LED只需FPWM=NPWM×Fs?？梢钥闯鲭S著光立方N的增加，PWM的驅(qū)動頻率和驅(qū)動電路也需要更高的要求。

由此則可以看到傳統(tǒng)光立方設(shè)計方法存在如下缺點：

(1)電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，每一個燈珠需同時與層內(nèi)和層間的控制信號相連接，形成一個矩陣框架，電路焊接復(fù)雜，不易布設(shè)；

(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(shù)為N，則只能顯示單顆LED燈最大亮度的1/N的亮度；

(3)階數(shù)N有限，當階數(shù)或?qū)訑?shù)N增加時，對于刷新率的要求會越來越高，同時，系統(tǒng)亮度也更低；

(4)顏色單一，通常是單一顏色的LED燈構(gòu)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(gòu)

2.1 基于串行級聯(lián)通信的光立方架構(gòu)

基于串行級聯(lián)通信架構(gòu)的光立方架構(gòu)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(lián)通信功能，通過級聯(lián)可以將LED的RGB信息逐級傳遞；另一方面，芯片具備LED驅(qū)動能力，可生成PWM信號恒流驅(qū)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(lián)級聯(lián)電路示意圖，其結(jié)構(gòu)簡潔，將芯片依次級聯(lián)即可，如圖3所示。

圖3 串行級聯(lián)電路示意圖

WS2811的時序邏輯，如表1所示。

表1 串行級聯(lián)通信協(xié)議表

在一幀數(shù)據(jù)刷新過程中，首先經(jīng)過一個大于50us的復(fù)位時隙，而后是一個個以24bits為單位的數(shù)據(jù)時隙中。每個芯片收到的第一組24bits數(shù)據(jù)被鎖存到內(nèi)部寄存器中，分別表示8bits的RGB信息，剩余的數(shù)據(jù)則經(jīng)整形放大后繼續(xù)向后續(xù)傳遞。內(nèi)部鎖存的數(shù)據(jù)用來生成PWM信號并驅(qū)動LED的RGB 3個通道。如此便可通過一根數(shù)據(jù)線DIN(Data_In)對級聯(lián)的所有燈珠實現(xiàn)全彩控制。

實際使用時，也有將通信IC直接封裝在燈珠內(nèi)的應(yīng)用產(chǎn)品，例如WS2812燈珠,其優(yōu)點是集成度更高。而外置IC相較下的優(yōu)點則是系統(tǒng)的供電電壓、燈珠功率等可調(diào)性更大。兩者各有優(yōu)點，但結(jié)構(gòu)框架是完全一致的。與傳統(tǒng)光立方結(jié)構(gòu)不同，如圖4所示。

新提出的改進結(jié)構(gòu)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(xiàn)結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

圖4 新型光立體整體架構(gòu)

圖5 XZ平面上串行級聯(lián)結(jié)構(gòu)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(lián)控制，串聯(lián)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(xiàn)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(lián)通信光立方架構(gòu)與傳統(tǒng)架構(gòu)的指標對比

對比可見，基于級聯(lián)通信的光立方架構(gòu)，有著如下優(yōu)點：

第一，布設(shè)簡單，擺脫了圖1中傳統(tǒng)光立方架構(gòu)行列縱橫導(dǎo)致的復(fù)雜架構(gòu)；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(jié)省硬件資源，可以輕易實現(xiàn)更高階的立體矩陣。以N×N×N(N=32)的光立方為例，傳統(tǒng)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(qū)動整層1024顆燈的陰極信號，對于驅(qū)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(shù)量，則可以實現(xiàn)更大體量的光立方架構(gòu)。因而基于通信的光立方可以將傳統(tǒng)方案中N2+N根信號線優(yōu)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(xiàn)了全彩體驗。在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(shù)N的增加，燈珠的亮度越來越小。而基于通信的架構(gòu)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(xiàn)全彩控制，體驗更豐富。

2.3 基于并行通信的光立方架構(gòu)

與上述串行級聯(lián)通信的光立方架構(gòu)不同，采用并行通信的方式也是可以實現(xiàn)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(lián)電路示意圖

該芯片的信號輸入端公用一根數(shù)據(jù)線DIN。DIN數(shù)據(jù)包是所有芯片共享的，每個芯片依據(jù)自身獨立的地址編碼ID，從DIN傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包中獲取匹配的色彩信息RGBID，而后鎖存數(shù)據(jù)并驅(qū)動LED燈的RGB三通道。此外，需要額外配置一根寫碼數(shù)據(jù)線，其仍舊采用串行級聯(lián)通信方式，與表1的格式相似。在電路布設(shè)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(jīng)編碼完成，可以持續(xù)使用。

通過該并行結(jié)構(gòu)設(shè)計光立方架構(gòu)時，其整體架構(gòu)與串行級聯(lián)通信架構(gòu)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(nèi)實現(xiàn)結(jié)構(gòu)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(lián)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(jīng)完成不再需要重復(fù)編碼。實際工作時，只需將所有燈珠的芯片均并聯(lián)到同一根信號線DIN上，即可實現(xiàn)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(lián)結(jié)構(gòu)示意圖

與串行級聯(lián)結(jié)構(gòu)相似，改并聯(lián)通信的光立方架構(gòu)同樣具備布設(shè)簡單、通信方式簡單、節(jié)省硬件資源、階數(shù)更高、亮度更高、色彩更豐富的特點。對比串行級聯(lián)結(jié)構(gòu)，并聯(lián)通信的架構(gòu)中，需要多增加一根寫碼信號線，同時為了達到足夠的驅(qū)動能力還需要增設(shè)一個放大緩沖電路，因而電路結(jié)構(gòu)更復(fù)雜一些。但是其也有明顯的優(yōu)點，即系統(tǒng)穩(wěn)定性更好。在串行結(jié)構(gòu)中，若一顆或多顆芯片損壞則會導(dǎo)致整個級聯(lián)鏈路受損，后續(xù)的電路則無法工作，而并聯(lián)架構(gòu)中，因為所有的芯片并聯(lián)在同一信號線DIN，而不存在級聯(lián)依賴關(guān)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(tǒng)實現(xiàn)

3.1 基于FPGA的光立方系統(tǒng)架構(gòu)

相較于普通的單片機，F(xiàn)PGA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(yīng)用到了LED點陣的設(shè)計，處理的是2D平面點陣。文獻[6-7]將FPGA應(yīng)用到了光立方設(shè)計中，但仍是基于傳統(tǒng)光立方的掃描架構(gòu)。本文的新型光立方系統(tǒng)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(tǒng)的架構(gòu)，如圖8所示。

上位機是用來計算繪制實時的動態(tài)效果，并將其轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)實時下發(fā)到FPGA主控系統(tǒng)。

FPGA主控系統(tǒng)主要由通信接口、數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)存儲單元及驅(qū)動單元4個模塊構(gòu)成。

第一，通信接口有兩種方式。其一，TCP/IP接口，該接口通訊協(xié)議復(fù)雜，實現(xiàn)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(tài)、高刷新率的光立方系統(tǒng)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?shù)腢SB轉(zhuǎn)串口硬件的支持，最高可以達到921 600 bps，其優(yōu)點是實現(xiàn)簡單，對于數(shù)據(jù)更新速率不高的系統(tǒng)同樣可以較好支持。

圖8 FPGA系統(tǒng)架構(gòu)圖

第二，數(shù)據(jù)處理單元主要用來解析上位機下發(fā)的數(shù)據(jù)，并將像素色彩信息更新至相應(yīng)的RAM存儲區(qū)。

第三，數(shù)據(jù)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(yīng)XZ平面的色彩信息，而當FPGA內(nèi)部資源不足時，則可通過外接RAM芯片支持更多的像素點。驅(qū)動單元則是按照固定的刷新頻率，定期訪問RAM區(qū)域，然后數(shù)據(jù)按照串行或者并行架構(gòu)的通信協(xié)議將數(shù)據(jù)信號DIN傳輸至對應(yīng)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(jié)構(gòu)清晰，由于避免了傳統(tǒng)光立方結(jié)構(gòu)縱橫交錯的布線方式，布設(shè)簡單，體驗者也可以自由的進入光立方內(nèi)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(tǒng)可以實現(xiàn)32×32×32甚至更大規(guī)模的光立方。該光立方矩陣基于上位機傳輸?shù)狞c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(jié)

本文闡述了傳統(tǒng)光立方存在的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、亮度偏低、階數(shù)有限、顏色單一的缺點。為了避免傳統(tǒng)光立方縱橫交錯、逐層掃描的工作架構(gòu)，引入了串行級聯(lián)結(jié)構(gòu)和并聯(lián)結(jié)構(gòu)兩種新的設(shè)計思路，詳細闡述了帶通信功能的LED驅(qū)動芯片的工作原理，并基于此設(shè)計了新型光立方架構(gòu)。該新型結(jié)構(gòu)設(shè)計簡易、通信簡單、硬件資源節(jié)省、階數(shù)更高、燈珠更亮并且色彩豐富。此外，為了驅(qū)動該新型光立方，設(shè)計了基于FPGA的主控系統(tǒng)，其具備通信接口、數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)存儲單元及驅(qū)動單元4個功能模塊，并驗證了整個光立方系統(tǒng)的可行性。