基于STM32控制芯片的LED旋轉(zhuǎn)顯示器設(shè)計(jì)

鄧怡辰 邵亞麗 佘軾

摘 ? 要：近年來(lái)，LED顯示屏得到飛速發(fā)展，雖然LED顯示屏的顯示原理簡(jiǎn)單、直觀，但缺點(diǎn)也是顯而易見的。文章以改進(jìn)傳統(tǒng)LED顯示屏的缺點(diǎn)為出發(fā)點(diǎn)，設(shè)計(jì)出一款以步進(jìn)電機(jī)作為顯示載體，以余暉效應(yīng)作為理論基礎(chǔ)的旋轉(zhuǎn)LED顯示屏，可以實(shí)現(xiàn)LED數(shù)量的減少，從而在不影響顯示面積和效果的基礎(chǔ)上降低功耗和成本。該旋轉(zhuǎn)顯示系統(tǒng)研究的內(nèi)容主要包括3個(gè)部分：LED旋轉(zhuǎn)顯示屏的整體設(shè)計(jì)、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：發(fā)光二極管;STM32;旋轉(zhuǎn)顯示屏

隨著媒體廣告形式日益豐富，人們對(duì)顯示媒介的探索也具有多元化。早期的發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED）都是作為發(fā)光元件在使用，LED顯示屏這些年的飛速發(fā)展，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于顯示器。相比于傳統(tǒng)的顯示設(shè)備，LED顯示屏具有壽命長(zhǎng)、光效高、無(wú)輻射和低功耗的優(yōu)點(diǎn)，其運(yùn)用規(guī)模逐步從野外廣告媒體擴(kuò)展到舞臺(tái)租賃，再到會(huì)議室、體育場(chǎng)館等。

傳統(tǒng)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(chǔ)空間。在習(xí)慣了方方正正的LED顯示設(shè)備之后，人們開始思考，如何能在原有的LED顯示設(shè)備的基礎(chǔ)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(yīng)為基礎(chǔ)，運(yùn)用相應(yīng)的算法、STM32F103VET6芯片以及步進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)了一款LED旋轉(zhuǎn)顯示屏，它具有空間小、成本低、安裝便捷等優(yōu)點(diǎn)，可以在不影響成像效果的基礎(chǔ)上最大限度地減少顯示屏的體積和重量。

1 ? ?LED旋轉(zhuǎn)顯示屏的整體設(shè)計(jì)

1.1 ?顯示屏的設(shè)計(jì)原理

LED旋轉(zhuǎn)顯示屏設(shè)計(jì)的核心原理為視覺暫留現(xiàn)象。人眼在觀察四周景物時(shí)，光信號(hào)傳入大腦神經(jīng)，需經(jīng)過(guò)一段短暫的時(shí)間，光的作用結(jié)束后，相應(yīng)景物所映射的視覺形象并不會(huì)立即消失，這種殘留的景象稱為“后像”，視覺的這一現(xiàn)象就是“視覺暫留現(xiàn)象”[1]，又稱余暉效應(yīng)。在此基礎(chǔ)上，LED旋轉(zhuǎn)顯示屏除了要考慮上述因素之外，還需要精確的時(shí)間控制，否則畫面會(huì)出現(xiàn)顯示不完全或者軸向滾動(dòng)的情況。

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

1.2 ?顯示扇片的設(shè)計(jì)

LED旋轉(zhuǎn)顯示屏的顯示扇片是以步進(jìn)電機(jī)作為載體，步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度是通過(guò)脈沖來(lái)控制的，通過(guò)設(shè)置脈沖控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)的速度，單顯示扇片完全可以實(shí)現(xiàn)在視覺暫留的時(shí)間內(nèi)完成一周的旋轉(zhuǎn)，以各個(gè)位置圖像的疊加在人腦中生成一幅完整的圖像。

根據(jù)前期實(shí)驗(yàn)論證單顯示扇片存在的弊端，產(chǎn)生的畫面容易發(fā)生撕裂現(xiàn)象。設(shè)旋轉(zhuǎn)扇片旋轉(zhuǎn)360°后顯示一幅完整的圖片，生成圖片所需要用到的時(shí)間為t，顯示扇片的角弧度為α，res代表分辨率，每列數(shù)據(jù)掃描顯示的時(shí)間間隔為ΔT，每列數(shù)據(jù)間隔的角度為Δδ，N表示顯示壁的個(gè)數(shù)，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(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)量也越小，容易產(chǎn)生畫面顯示的不連續(xù)現(xiàn)象，影響顯示效果。結(jié)合實(shí)際需要考慮以下兩點(diǎn)：第一，考慮到程序開發(fā)和對(duì)主控芯片的利用程度，每條顯示臂上的LED數(shù)量應(yīng)為8的倍數(shù)。第二，雖然采用多顯示扇片可以在低轉(zhuǎn)速下實(shí)現(xiàn)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(diǎn)。所以在權(quán)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(gè)LED來(lái)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)顯示屏的設(shè)計(jì)。

2 ? ?硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)主要包括主控芯片、全彩LED驅(qū)動(dòng)芯片、供電模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、霍爾元件。其中，霍爾元件的作用是為了實(shí)現(xiàn)精確定位，有了基準(zhǔn)點(diǎn)之后，就可以使得圖像顯示的方向永遠(yuǎn)固定，從而防止圖像發(fā)生滾動(dòng)[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(qū)動(dòng)進(jìn)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(qū)動(dòng)芯片上的DIN，DCKI引腳連接通過(guò)程序?qū)崿F(xiàn)通信。采用雙線串行接口，數(shù)據(jù)按順序以一定的格式串行進(jìn)入驅(qū)動(dòng)芯片，驅(qū)動(dòng)并點(diǎn)亮LED。

2.2 ?全彩LED驅(qū)動(dòng)芯片

本文中單片顯示扇片所使用的LED數(shù)量為24個(gè)，但單個(gè)的DM164只能支持8個(gè)全彩LED的驅(qū)動(dòng)，所以每一個(gè)顯示壁都需要使用3個(gè)DM164來(lái)進(jìn)行級(jí)聯(lián)，數(shù)據(jù)會(huì)在依次通過(guò)每一個(gè)DM164之后同步進(jìn)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(dá)到8 A。充電管理芯片采用TI的BQ24193，集成開關(guān)模式電池充電管理和系統(tǒng)電源路徑管理，支持寬范圍輸入源，當(dāng)充電電流低于預(yù)設(shè)定值（10 mA）時(shí)充電器自動(dòng)終止。電量檢測(cè)芯片采用TI的BQ27410，使用Impedance Track技術(shù)的對(duì)電池電量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可提供剩余電池容量、充電狀態(tài)（進(jìn)度）、電池電壓等信息。

2.4 ?電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

人眼有0.05～0.2 s的視覺延時(shí)，所以將電機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)置在5 r/s左右，可以保證圖像不會(huì)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(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，其內(nèi)部有兩個(gè)H橋驅(qū)動(dòng)電路，并利用脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）波來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的有效值大小和極性進(jìn)行控制，這種調(diào)速方式可以實(shí)現(xiàn)頻繁的無(wú)級(jí)快速啟動(dòng)和反轉(zhuǎn)[3]。為了防止電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路對(duì)控制模塊的影響，采用光電耦合進(jìn)行隔離。

3 ? ?軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 ?圖像取模算法的設(shè)計(jì)

3.1.1 ?坐標(biāo)軸之間的轉(zhuǎn)換

圖像在矩形的LED顯示屏中是以直角坐標(biāo)系為坐標(biāo)原點(diǎn)進(jìn)行像素點(diǎn)的顯示控制的。但是在LED旋轉(zhuǎn)顯示屏中，是以步進(jìn)電機(jī)為圓心，以旋轉(zhuǎn)扇片半徑為長(zhǎng)度畫實(shí)心圓，因此，在對(duì)圖像取模之前，要先將直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換成極坐標(biāo)系。通過(guò)平移變換把兩個(gè)坐標(biāo)系的原點(diǎn)重合，并且保證兩種坐標(biāo)系所采用的長(zhǎng)度單位相同。設(shè)A（x， y）是平面上的任意一點(diǎn)，點(diǎn)A在直角坐標(biāo)系與其極坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)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(lái)實(shí)現(xiàn)彩色圖片的顯示，將紅（Red）綠（Green）藍(lán)（Blue）三原色以不同的比例進(jìn)行調(diào)和，從而產(chǎn)生多種多樣的顏色。在計(jì)算機(jī)中，把這種模式轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制來(lái)對(duì)三原色的比例進(jìn)行控制。以24 bit顏色模式為例，此時(shí)每個(gè)像素值都分成R，G，B 3個(gè)基色分量，每個(gè)基色分量直接決定其基色的強(qiáng)度?；膹?qiáng)度采用一個(gè)字節(jié)來(lái)表示，即每個(gè)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(dá)到人眼分辨的極限，發(fā)色數(shù)是1 677萬(wàn)多色，也就是2的24次方。

3.1.3 ?圖像取模

在坐標(biāo)軸轉(zhuǎn)換和RGB模式的理論基礎(chǔ)上進(jìn)行圖像取模，確定顯示旋轉(zhuǎn)扇片上的LED的數(shù)量以及旋轉(zhuǎn)擺扇片旋轉(zhuǎn)一周所需的時(shí)間。然后在極坐標(biāo)下設(shè)定分辨率（α， θ），再將坐標(biāo)軸轉(zhuǎn)換成直角坐標(biāo)，建立該圖像的極坐標(biāo)點(diǎn)陣色彩數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的值由圖像上對(duì)應(yīng)坐標(biāo)下的24 bit RGB值確定。

3.2 ?系統(tǒng)總體程序流程

系統(tǒng)總體程序流程如圖1所示。其中，系統(tǒng)初始化中包含了對(duì)按鍵、I/O狀態(tài)、定時(shí)器、中斷等的初始化。按鍵的判斷包括發(fā)送啟動(dòng)信號(hào)開啟電機(jī)、發(fā)送信號(hào)運(yùn)行圖形處理程序等。使用通用異步收發(fā)傳輸器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART）加環(huán)形緩沖區(qū)移動(dòng)環(huán)形緩沖區(qū)中的讀指針和寫指針來(lái)實(shí)現(xiàn)緩沖區(qū)數(shù)據(jù)的讀寫。當(dāng)主控芯片接收到數(shù)據(jù)，辨認(rèn)出顯示方式后，傳送給顯示屏顯示更新的內(nèi)容。

4 ? ?結(jié)語(yǔ)

本文選用STM32F103VET6作為主控芯片用來(lái)控制LED旋轉(zhuǎn)二維顯示屏，最高工作頻率可達(dá)72 MHz，具有64 K的SRAM和512 K的Flash供主控芯片存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理之后控制LED發(fā)光，最高工作頻率可達(dá)72 MHz，改善了傳統(tǒng)LED顯示設(shè)備的許多不足。

[參考文獻(xiàn)]

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[3]殷留留，韓森，王芳，等.基于L298N的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].信息技術(shù)，2017（6）：104-107.