基于TLC5947的旋轉LED屏顯示控制器設計

邱元瑞，溫堅，劉路平，莫明丹，夏歡

（江西財經大學 軟件與通信工程學院，南昌 330013）

引 言

在各種設備中，顯示設備占有重要地位，少了顯示設備就像人少了眼睛，很多內在的東西都看不見。顯示設備很重要也很常見，然而它的外形總是那么單調，像一個個的模型。旋轉LED屏以其新穎、可視角360°吸引了電子狂熱者的眼光。本項目是通過主控芯片STM32F103，將觸摸技術與旋轉LED屏幕相結合，可以實現時鐘的變換，還可以利用觸摸技術在旋轉LED上玩一些小游戲［1］，讓旋轉LED不再只是單一的觀賞性的技術。

旋轉LED顯示屏是一種通過同步控制發光二極管（LED）位置和點亮狀態來實現圖文顯示的新型顯示屏，因其結構新穎、成本低、可視視角達360°而得到了迅速的發展。目前，常見的LED顯示屏都是采用掃描方式進行顯示的，其實現原理是在不同時間段內控制不同批次的LED輪流點亮，根據人眼的視覺暫留特性，當掃描幀頻達到24Hz以上時，人眼便感覺不到掃描過程，而是一幅穩定的圖像。旋轉顯示屏則是通過控制一行或一列LED快速移動位置和改變點亮狀態來實現圖形的顯示，如果LED在各位置循環變換速度足夠快，同樣可以顯示出一幅穩定的圖像。POV原理（即視覺滯留原理）將它用于顯示屏，優勢表現在可用少量LED實現傳統方式下海量LED才能實現的顯示屏。用單片機控制LED，觸摸按鍵提供用戶與系統交互。旋轉中的LED漂浮在半空中的景觀給視覺帶來享受。

基于這樣的現狀和原理，本文提出了基于TI公司TLC5947驅動芯片及STM32F103的旋轉LED屏顯示控制器設計。該旋轉LED屏采用人眼視覺頻率滯留原理，制作的旋轉LED虛擬屏在微控制器的精確控制下，使用少量的LED便可完全實現傳統方式下海量LED才能實現的一種新型顯示技術。旋轉三基色全彩LED是基于RGB原理，通過改變三種顏色的色調、飽和度、強度可以實現最高36色真彩圖片顯示，從而使顯示更加絢爛奪目。該旋轉LED屏與平板式LED顯示屏和其他顯示器技術（如CRT、LCD、PDP）相比較，旋轉式線陣LED屏幕有著成本低、分辨率高、功耗小等幾個明顯優勢［2］。

1 系統硬件設計

STM32F103通過 TLC5947與 LED連接［3］，用來控制旋轉板上LED燈的顯示。例如可以通過單片機STM32F103控制LED燈旋轉顯示時鐘模樣或各種圖形［4］，如果條件允許的話，可以顯示一些簡單的游戲。LED與ARM處理器相連接，通過ARM處理器對觸摸信號的處理來實現LED燈的顯示樣式的變化，從基態的指針式時鐘變為數字顯示式以及改變其顯示的背景，還可以進行時間的校準操作。TLC5947驅動旋轉LED屏顯示控制電路如圖1所示［5］。

1.1 STM32F103簡介

選用了STM32F103控制器，STM32F103是增強型系列，最高工作時鐘頻率可達72MHz，具有ARM Cortex－M3內核、128～256KB Flash、20～48KB RAM、8MHz CPU晶振、32.768kHz RTC晶振以及豐富的外設（64個快速I／O口）和4GB的線性地址空間。ARM采用的仿真器很貴，而單片機的調試工具則非常便宜。相較之下，Cortex－M3參考單片機，專門拿出一個引腳來做調試，從而節約了大量的人力物力。Cortex－M3集成了大多數的存儲器控制器，這樣就可以直接在MCU外連接Flash，降低了設計難度和應用障礙。Cortex－M3處理器結合了多種突破性技術，使得它能實現低功耗、低成本、高性能三者（或二者）的結合。編程支持ISP下載功能，能通過USB端口和JLINK仿真器供電，使用起來非常方便［6］。

1.2 TLC5947簡介

TLC5947是TI（德州儀器）公司推出的24通道，具有內部晶振的12位PWM脈寬調制的LED驅動芯片。TLC5947采用超小32引腳QFN的高級封裝［7］。它為LED提供了精確的恒流值，通道與芯片之間的差異值只有±2%；高速的傳輸速率（單片芯片時30MHz，級聯為15MHz）；輸出通道之間交錯時間遲滯，避免出現傳輸誤差；該芯片內部具有溫度檢測系統，當芯片的溫度過高時為了保護芯片，它會自動斷開所有的輸出通道，當溫度恢復正常，芯片正常工作；該芯片支持級聯，可以多個芯片共同工作以驅動更大規模的LED顯示屏幕。24個通道的當前電流值是通過外部IREF與地之間的阻值來設置的，驅動電路中的電阻由所驅動LED燈的電流決定。芯片具有寬泛的操作電壓3.0～5.5V，含有4MHz的內部晶振。TLC5947適用驅動全彩LED和顯示屏。

圖1 TLC5947驅動旋轉LED屏顯示控制電路

1.3 LED顯示屏

選用三色（RGB）LED燈，實現多重色彩光源，絢麗多彩的輸出。同時，LED本身也具備相當的穩定度、高效率、單色彩純度高、光強度可調等功能。LED與ARM處理器相連接，通過ARM處理器對觸摸信號的處理來實現LED燈的顯示樣式的變化，從基態的指針式時鐘變為數字顯示式，以及改變其顯示的背景，還可以進行時間的校準操作。

2 系統軟件設計

2.1 點亮點－線－圓的設計及其算法和公式

點設計主要應用直角坐標到圓坐標轉換［8］，通過坐標轉換點亮任何位置的燈。線設計源于點設計，在點設計基礎上采用Bresenham直線演算法畫出所需的直線、斜線、曲線。在線設計基礎上衍生出矩形繪畫、繪圖、填充等功能。

程序初始化完了，接著定義由直角坐標轉換到極坐標，在程序中將弧度轉到角度，在轉換的時候考慮到會有負數數據的輸入，加入360＋0.5均是為了優化程序，防止出現誤差。程序中距離角度

直角坐標到圓坐標轉換算法如下［9］：

直角坐標轉換完后，可以設置點的亮滅，接著用Bresenham直線演算法畫出直線。

程序的整體流程如圖2所示。系統上電后，首先讀取系統的初始狀態，設置ARM和TLC5947的工作狀態，開啟無線通信；然后等待旋轉屏幕穩定，初始化菜單，等待輸入指令；利用Qtouch控制傳輸命令到STM32F103，執行指令（用戶交互過程）；執行用戶命令操作。

2.2 TLC5947芯片時序

TLC5947時序如圖3所示，芯片的主要控制引腳有4個［10］：數據輸入端SIN、外部時鐘輸入端SCLK、灰度寄存器控制端XLAT以及輸出控制端BLANK。通過數據輸入端口將所需要的灰度數據送到SIN端，然后通過控制時鐘信號SCLK將數據寫入到芯片內部的灰度數據移位寄存器中，之后通過控制灰度寄存器的控制端XLAT的高低電平變換實現芯片TLC5947內部灰度數據的更新。當XLAT引腳的電平發生變化而產生一個上升沿時，TLC5947內部灰度數據將被更新一次，即圖3中Grayscale LatchData中被重新寫入數據。芯片的數據輸出分兩部分，一部分是串行數據輸出和恒流源數據輸出。串行數據輸出是接在灰度數據移位寄存器之后，當寄存器的數據滿256位時，可以根據SCLK時鐘的變化通過一個DQ觸發器將數據從串行數據端口SOUT端輸出，這一端口主要是芯片級聯時后一級芯片的數據輸入；而恒流源數據輸出OUT0～OUT23則是通過輸出控制端口BLANK和芯片內部自帶時鐘Oscillator Clock來共同控制，其中輸出電流大小則可以通過芯片的VREF引腳的外接到地電阻來控制，根據外接LED的自身限流參數，保證LED正常工作。本系統中采用的是3.2kΩ電阻，所以該芯片的控制主要是4個引腳端口的控制，操作上比較簡單方便。

3 結 論

實驗中，通過主控制器STM32F103對兩片級聯的TLC5947芯片進行了測試，外圍電路連接的是三色LED燈，外界供電電壓為5V穩壓源，轉換之后系統的供電電壓為3.3V穩壓源。當寫入相對應的程序控制字時，三色LED燈能夠正確顯示，單一色、混色兩種工作模式均成功得以實現。而且LED燈之間的變化時間可以通過程序來控制，只要主控制器的時鐘頻率合適，變換時間均在人眼識別能力之外，這樣就可以通過改變不同的程序控制字來實現全彩LED屏的設計。

圖2 程序的整體流程

圖3 TLC5947時序圖

［1］周江.旋轉LED顯示屏［J］.電腦學習，2009（5）.

［2］常國權，魏勝利，謝利江.基于TRF7960的多協議射頻讀卡器設計［J］.單片機與嵌入式系統應用，2010（7）.

［3］劉同法，肖志剛，彭繼衛.ARM Cortex－M3內核微控制器快速入門與應用［M］，北京：北京航空航天大學出版社，2009.

［4］張俊，匠人手記——一個單片機工作者的實踐與思考［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2009.

［5］周潤景，袁偉庭，張鵬飛.Cadence高速電路板設計與仿真［M］.3版.北京：電子工業出版社，2009.

［6］王永虹，徐煒，郝立平.STM32系列 ARM Cortex－M3微控制器原理與實踐［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2008.

［7］德州儀器.TLC5947datasheet［EB／OL］.［2008－09］.http：／／focus.ti.com／docs／prod／folders／print／tlc5947.html.

［8］譚浩強.C程序設計［M］.北京：清華大學出版社，2006.

［9］林銳，韓永泉.高質量程序設計指南——C＋＋／C語言［M］.北京：電子工業出版社，2007.

［10］張偉偉，方勇，呂國強.基于FPGA動態背光源及其驅動電路設計［J］.現代顯示，2011（6）.