RGB POV在點陣旋轉屏中的應用及其電源解決方案

胡陽 安徽理工大學，淮南 232001

RGB POV在點陣旋轉屏中的應用及其電源解決方案

胡陽 安徽理工大學，淮南 232001

為了研究并優化RGB發光二極管旋轉顯示屏及其電源解決方案，在系統仿真研究的基礎上，設計并改善了無線能量傳送電路、無線能量接收電路以及低電壓單片機控制系統，在Keil-匯編語言環境下編寫了單片機控制程序，制作出PCB電路板并進行了軟硬件調試。實驗結果表明：所設計的RGB發光二極管旋轉顯示屏具有良好實用性，其無線能量傳送的供電方案完美解決了電源問題，為產品化提供了有力支持。

RGB發光二極管；無線能量傳送；無線能量接收；低電壓；旋轉顯示屏；單片機

RGB LED；wireless power transmission；wireless power receiver；low voltage；rotating display；microcontroller

引言

POV LED單色顯示屏（Persistence Of Vision Light Emitting Diode Monochromatic Display）又稱基于視覺暫留的發光二極管旋轉顯示屏，由單列單色LED組成，通過旋轉產生點陣[1]。利用控制點陣旋轉屏中發光二極管亮滅并結合動態掃描以及視覺暫留現象來顯示文字、圖片、動畫等信息[2]。POV LED的發展前景極為廣闊，可以進行球面顯示、圓面顯示、圓柱面顯示[3]。本文利用STC89LE52RC低電壓單片機及無線能量傳送電路，在POV LED單色顯示屏的基礎上優化、改進，實現一種小型化、易于控制的新型彩色2D電子顯示屏。該種器件與POV LED單色顯示屏比較有如下優特點：

(1）使用RGB發光二極管，通過色彩組合可以實現彩色顯示，解決了POV LED顯示屏色調單一的問題、豐富了可顯示的內容。

(2）初步探索并采用無線能量傳送技術，完美解決了電源問題。

(3）在完全不同的硬件結構上采用數據壓縮，可以兼容使用單色顯示屏的字模庫數據。

1 電源解決方案分析

我們以單色POV LED為例，根據其物理特性，信息的顯示需要旋轉，對于高速旋轉的PCB電路板，通常采用下述供電方案。

1.1 紐扣電池供電

我們以型號為CR1220，電壓為3V的紐扣電池為例，其標稱容量為40mAh。當使用導通電流為10mA的LED時，16分辨率的LED屏幕同時點亮需要的電流為10×16=160mA，即Imax=160mA。考慮到字模數據占的數據量為0位～16位，通常情況下可取4位～8位，即平均下來持續在亮的燈至少有4個至多有8個。首先取下限計算，所需最小平均電流為IAmin=4×10=40mA，2個CR1220電池并聯提供3V電源，在不考慮單片機系統及外圍電路的功耗下，僅可以維持(40mAh +40mAh）÷40mA=2h；再取上限計算，IAmax=8×10=80mA僅可以維持(40mAh +40mAh）÷80mA=1h。

即整個系統僅維持LED燈亮，不考慮其他功耗，僅僅可以工作1至2個小時。顯然，對于產品化，紐扣電池供電絕對不是經濟的解決方案。

電子關封讀寫器通過RS232串口與PC機通信，串口參數為：波特率9 600，校驗位NONE，數據位8，停止位1。命令格式：0xaa+控制命令字+0x00+0x00[+數據內容]+0xab。

1.2 電機抽頭供電

由于RGB POV在旋轉的時候，轉子相對PCB是靜止的，故可以從電機線圈中抽頭，經過整流后供電。該方法突出缺點是不實用，成品電機線圈抽頭繁瑣且易損壞線圈。

1.3 無線供電

該方案利用變壓器耦合原理，由振蕩電路產生振蕩信號，通過初級線圈向空間傳送能量。次級線圈感應到初級線圈的振蕩信號，在線圈中產生交變的電流，通過整流橋獲得直流，為單片機系統提供能量。該方法突出優點是產品可以無限續航，且由于擺脫了電池，可以大大減小PCB的體積及重量，該方案將在下節重點闡述。

2 使用無線供電的RGB POV系統

2.1 電磁耦合

電磁耦合對電源工程師來說，再也熟悉不過了，變壓器就是利用這個原理來傳遞能量。如果把變壓器的兩個繞組分開，就是某種意義上的無線供電。電動牙刷的充電就是個典型案例，但是用電磁耦合的方式有很大的缺點，沒有高磁導率的磁芯作為介質，磁力線會嚴重發散到空氣中，導致傳遞效率下降，特別在兩個線圈遠離的時候，下降的非常厲害，所以不適合大功率、遠距離的無線供電[4]。

2.2 無線供電在旋轉屏中的應用

2.3 對于提升無線供電傳送效率的探索

無線能量傳送電路采用RC振蕩電路，它適用于低頻振蕩，一般用于產生1Hz～1MHz的低頻信號。在本例中，發射電路R、C固定，發射頻率為10KHz，接收電路帶負載后電壓在2.2V左右，此時3V單片機系統處于不穩定工作狀態。接收波形（上）和發射波形（下）如圖1所示。

圖1 無線供電接收與發射波形

由于RC振蕩電路頻率由下面公式確定：

通過在固定電阻Rs上并聯可變電阻Rh使得頻率f可以調節。Rh的減小使得R減小，從而振蕩頻率f提高。實驗波形顯示，隨著R的減小，輸入電壓輕微上升，發射頻率顯著抬升。在120KHz的發射頻率下，接收的波形發生了變化，在帶負載情況下，電壓明顯提升，如圖2所示。

圖2 調整后的輸出與輸入波形

經過上述分析，可以得知，無線能量的傳送，可以通過增加磁芯來提高傳輸效率，也可以在其它條件不變的情況下提高發射頻率，獲得較高的傳輸效率。通過提高發射頻率，最終帶負載電壓穩定在2.8V，單片機系統可以正常工作。

3 RGB POV系統的硬件及軟件設計

3.1 硬件框圖分析

控制系統以S T C公司的STC89LE52RC低電壓低功耗3V單片機為控制計算核心，整個硬件結構如圖3所示。

圖3 POV LED硬件框圖

由無線能量傳送電路發射低頻振蕩信號，接收電路感應產生交變電流，經過全橋整流形成脈動直流信號，再由電容濾波、穩壓之后驅動整個系統工作。單片機負責處理傳感器收集的信息，并利用軟件壓縮數據，輸出高低電平控制彩色發光二極管，顯示出需要的文字、圖片等信息。

3.2 單色POV系統與RGB POV系統數據量比較

彩色信息的顯示實際上是R、G、B三種信號疊加、組合形成的[5]。在單色系統中，1位信息即可控制1個LED亮滅，對于顯示一個16×16分辨率漢字，信息量為16×16×1÷8=32字節。

而對于彩色系統，3位信息控制1個RGB LED亮滅，同樣顯示一個16×16分辨率漢字，需要IO口16×3=48個，故在硬件設計上采用鎖存器芯片減少IO使用量。本例中使用8個IO口作為數據通道，協同8組74HC573八進制3態非反轉透明鎖存器[6]，每組控制2個RGB LED。這樣6位數據占據了8位數據通道，犧牲了信息傳輸率，但是硬件上邏輯清晰。通過以上闡述，4位（3位有效數據，1位冗余數據）信息控制1個彩色LED亮滅，故所需信息量為16×16×4÷8=128字節，即顯示同樣的信息，彩色系統需要的信息量是單色系統的四倍。

3.3 軟件數據壓縮

所謂軟件數據壓縮，既使用單色系統的字庫數據作為數據流，將彩色信息從數據流中剔除，作為信息流。故從單色字庫數據讀出的0或1，由信息流控制之后可翻譯為4位數據（冗余位數據任意態）實現彩色信息顯示。這樣128字節數據可由32字節數據翻譯得到，僅需要4位的信息流數據，即32字節數據流需要附加0.5字節信息流，數據量為未壓縮之前的2v5.39%，極大的提高了數據讀取效率及存儲空間利用率。

4 結論

4.1 實現了基于視覺暫留現象的彩色文字、圖片信息顯示，系統運行穩定，無閃爍、抖動現象。

4.2 采用無線供電電源解決方案，配合STC低電壓單片機作為整個系統控制核心，采用數據壓縮，使得軟硬件系統結構緊湊、響應快、控制方便、抗干擾能力強，且可以完全兼容使用單色系統的字模數據庫。

4.3 實驗表明，該種彩色顯示屏可以長時間、低噪聲、無故障運轉，完美解決了電池供電續航短的缺點。

[1]胡陽. 基于視覺暫留的動態掃描LED旋轉屏[J].現代電子技術, 2012, (03）

[2]沈新創,錢平. 基于視覺暫留原理的旋轉式線陣LED顯示屏開發[J]. 上海應用技術學院學報(自然科學版）, 2007, (02）

[3]邱寄帆. LED電子顯示屏原理與實現[J]成都航空職業技術學院學報, 2001, (01）

[4]馬文蔚.物理學(中冊）[M]. 北京:高等教育出版社,2001

[5]吳君欽，苗瑞瑞，李艷麗.彩色LED 屏驅動掃描關鍵技術研究[J].液晶與顯示,2010,（4）:253～256

[6]郭速學. 圖解單片機功能與應用[M]. 北京:中國電力出版社,2007

RGB POV in the Application of Lattice Rotation Display and Power Solutions

Hu Yang Anhui University Of Science & Technology,232001,China

In order to study and optimize the RGB POV rotating display and power solutions, based on the system simulation, design and improved wireless power transmission circuits, wireless power receiver circuits and low voltage control system. Under Keil environment, written assembly language to control MCU, produce a PCB circuit board and finished hardware and software debugging. The results show that: the design of the RGB POV rotation display have good practicability, the energy supply solution of wireless transmission solve the power problem perfectly and providing a strong support for productize.

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.07.068

胡陽，安徽省績溪縣人，安徽理工大學在讀碩士研究生、研究方向：電路與系統。