基于FPGA的LED雙軸旋轉顯示設計*

姜 勖，許 ?，鄭凌晨，湯勇明*

(1．東南大學電子科學與工程學院，南京210096;2．東南大學信息科學與工程學院，南京210096)

JIANGXu1，XU Yan2，ZHENGLingchen1，TANGYongming1*

(1．School of Electronic Science and Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，China;2．School of Information Scienceand Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，China)

顯示設備在各種系統中占有重要的地位，其中，旋轉LED顯示屏以其新穎、成本低、可視視角達360°等優點得到了迅速的發展［1］。目前，旋轉顯示的常用方案是高速掃描處于快速旋轉中的二維LED陣列［2］，通過控制發光二極管的亮滅來顯示文字、圖片、動畫、視頻等信息［3－4］。本系統來源于學科競賽項目［5］，設計了一種新型LED旋轉顯示方案，僅使用3個全彩LED作為發光器件，通過兩個轉軸的同時旋轉，以FPGA開發板平臺作為系統主控，利用視覺暫留原理實現三維球面顯示。

1 機械結構設計

作品利用兩個相互垂直的轉軸和3個全彩LED，通過控制兩個電機的轉速和LED亮滅周期，實現3個LED的雙軸旋轉，在空間中展現出絢麗的圖案。

電機A的轉軸與y軸方向平行，電機B的轉軸與z軸方向平行。通過控制兩電機的轉速和LED燈的亮滅和色調，可實現多種炫彩圖案的顯示?？刂菩盘柦浻?2路的兩個導電滑環A、B傳遞。

系統各部件的詳細信息如表1所示。

表1 各部件詳細參數信息

作品機械結構設計如圖1所示。

圖1 機械結構設計圖

2 視覺暫留原理模型建立及仿真驗證

2．1 原理介紹

視覺是在人眼晶狀體成像后，由感光細胞將光信號轉換為神經電流，傳回大腦形成的。感光所依賴的感光色素的形成需要一定時間，光對視網膜所產生的視覺在光停止作用后，仍會保留一段時間，這種現象稱為視覺暫留［3］。

目前，常見的LED顯示都是采用掃描方式，通過控制不同時間段，讓不同LED輪流點亮，根據視覺暫留原理，當掃描幀頻達到24 Hz以上時，人眼便感覺不到掃描過程，即當LED刷新足夠快時，人眼能看見一幅穩定圖像［6－7］。

2．2 模型建立及驗證

以圖2所示的旋轉中心點為坐標原點建立坐標系。

在不失一般性的情況下，僅討論一個LED的運動特性，并以此推廣到3個LED。

在圖2的柱面坐標系中，每個LED的位置可以由(ri，φi，θi)唯一確定:

圖2 坐標系的建立

其中:

用來仿真LED燈的亮滅情況，period定義為LED燈的亮滅周期，high定義為一個亮滅周期內燈亮的時間長度。

通過選擇合理的時間t來仿真人眼視覺暫留時間，同時選擇合理的vφ，vθ仿真LED繞兩垂直轉軸旋轉的速度，由MATLAB得到仿真圖像［8］。圖3給出了其中三幅不同(vφ，vθ，period，high)組合的仿真圖像，這3種以及其他圖案在后續實際設計中也被證明是可以實現的。

圖3 部分仿真圖案

3 系統介紹

系統的總體功能如圖4所示。

圖4 系統功能圖

系統以FPGA為控制平臺，已設計有3個模式:自動工作模式、紅外遙控模式、游戲互動模式。

自動工作模式:按照預先設定好圖案，系統自動切換，通過AD采樣及信號處理，使圖案隨著音樂的節奏的變化而變化。

紅外遙控模式:用戶可以使用遙控器實時控制系統的開啟、停止以及圖案變更，實現人機交互。

游戲互動模式:通過外部調節旋鈕，改變電機轉速、LED亮度和閃爍頻率，用戶可自行定制圖案，增加用戶體驗感和趣味性。

4 硬件設計

4．1 控制平臺

系統采用Xilinx的Basys2 FPGA開發板作為主控部分。

Basys2開發板采用Spartan3E－CP132芯片，內置18 bit乘法器，集成了大量I/O端口和FPGA的常規可編程邏輯單元電路，具有高速運算能力，滿足系統所需資源要求。

4．2 LED 驅動模塊

LED驅動采用TI公司具有12路通道，16 bit增強型PWM控制的RGB-LED驅動器TLC5971，其驅動電流達60mA/channel，且具有65536階色度調制，完全可以滿足設計需求。

使用該驅動芯片，僅使用兩個I/O管腳，即可通過FPGA時序編程，構建移位寄存器，經9個通道的輸出對3個RGB-LED進行相應的控制。

4．3 AD 模塊

圖5 TLC5971應用電路圖［9］

系統有兩部分需要AD轉換，一部分是音頻信號采集，以使顯示圖案受外部音頻信號控制;另一部分是手動調節旋鈕端電壓采集，即通過對電位器分壓電路電壓值的采樣，實現外部手動控制信號的輸入，經過FPGA分析處理后控制兩個電機的轉速、LED的閃爍頻率和亮度，實現游戲互動模式中的人機交互。

為配合以上功能的實現，我們采用多片TI公司的TLV1572 AD轉換芯片，使用FPGA配合相應時序，對轉換后的數字信號進行后續處理。

4．4 紅外遙控模塊

紅外遙控技術具有體積小、功耗低、功能強、成本低等特點，其廣泛應用于家用電器、工業設備等領域。紅外遙控系統分為發射部分和接收部分，其信息傳輸的編碼方式主要分為NEC碼和RC5碼［10］。本系統采用HX1838寬電壓一體紅外接收頭作為模塊主體，使用NEC編碼方式，FPGA配合相應的時序，對紅外信號進行解碼。

紅外遙控模塊的引入，實現了良好的人機交互，方便用戶對系統模式的切換。

5 軟件設計

系統采用FPGA硬件編程的形式，主要利用狀態機和分層設計的設計方法［11－12］，實現全部功能。

5．1 頂層狀態機

系統的整體狀態機示意圖如圖6所示。

狀態機各狀態名稱解釋如下:

(1)APP_MOD:自動工作模式;

(2)DIS_MOD:紅外遙控模式;

(3)GAME_MOD:游戲互動模式;

(4)dis_mod0～dis_mod6:紅外遙控模式的6個子模式;

(5)app_mod0～app_mod4:自動工作模式的6個子模式。

用戶僅需要通過紅外遙控器相應按鍵，即可實現各狀態之間的切換。

圖6 系統狀態機示意圖

5．2 中間層算法實現部分

系統中間層部分，是對各種不同圖案的算法設計部分。根據當前時刻上層狀態機的狀態碼，選擇不同圖案的算法實現。

圖案算法核心思想主要有以下幾個方面:

(1)控制電機A、電機B的轉速。

(2)控制3個RGB-LED的亮滅和亮滅周期。

(3)控制3個RGB-LED的顏色。

通過對以上3個方面的合理調配，并將控制信號傳給下邊的驅動層，即可實現不同炫彩圖案的顯示。

5．3 底層電機驅動及LED驅動部分

為節約FPGA資源以及規范設計過程，我們將底層驅動部分與上層算法部分分開。

驅動部分僅根據上層算法傳遞進來的控制信號，改變向電機傳輸的PWM占空比和LED驅動芯片移位寄存器中的內容，實現機械結構的運轉和LED亮滅的變換，從而最終實現三維球面圖案的顯示。

5．4 其他外設部分

其他外設主要包括紅外遙控解碼部分、AD采樣處理部分。

紅外遙控解碼部分對外部控制信號進行解碼，確定系統的工作模式，從而根據工作模式的不同調用不同的功能模塊。此外，在紅外遙控模式下，該部分還對用戶的交互操作進行解碼，實現圖案的變更等功能。

AD采樣處理部分僅在自動工作模式和游戲互動模式時有效。該部分以1．25 Msample/s的采樣速率持續對外部音頻信號、電位器分壓信號進行采樣，并將轉換結果存在寄存器中，供其他控制模塊讀取，實現自動工作和游戲互動等功能。

5．5 系統控制流程圖

系統的控制流程圖如圖7所示。通過處理分析用戶發出的紅外控制信號，進入3種不同的工作模式，并輸出相應的電機和LED控制信號。

圖7 系統控制流程圖

圖8 實現效果圖

圖9 系統實物圖

6 總結

系統最終能實現自動工作模式、紅外遙控模式、游戲互動模式等多種模式功能，通過FPGA控制3個RGB-LED繞兩正交軸旋轉實現絢麗的三維顯示效果，用戶可以通過使用紅外遙控器進行模式轉換，也可以通過手動調節任意改變圖案，實現實時圖像變換。

本設計提出了一種全新的旋轉LED顯示思路，在給用戶帶來視覺體驗的同時，也實現了良好的人機交互，同時具有一定的娛樂性和應用前景。

［1］ 邱元瑞，溫堅，劉路平，等．基于TLC5947的旋轉LED屏顯示控制器設計［J］．單片機與嵌入式系統應用，2012，12(3):33－36．

［2］ 林遠芳，劉向東，劉旭，等．基于二維旋轉屏的體三維顯示系統像素屬性分析［J］．光子學報，2004，33(4):476－480．

［3］ 胡陽．基于視覺暫留的動態掃描LED旋轉屏［J］．現代電子技術，2012，35(5):186 －188．

［4］ 鄧宏貴，李志堅，謝素霞，等．機械掃描式平面LED顯示屏的設計［J］．液晶與顯示，2009，24(3):419－422．

［5］ 康志強，汪佳，湯勇明．基于FPGA的3D光立方設計［J］．電子器件，2012，35(6):683 －686．

［6］ 鄧宏貴，李志堅，吳讓亮，等．基于步進電機細分驅動技術的旋轉 LED 顯示屏設計［J］．液晶與顯示，2008，23(5):595－598．

［7］ 郝國法，楊姣．LED大屏幕控制電路設計方案研究［J］．電視技術，2006，12(11):94 －96．

［8］ 王正林，劉明．精通MATLAB7［M］．北京:電子工業出版社，2006:301－323．

［9］ 德州儀器．TLC5971 datasheet［EB/OL］．［2012－9］．http://www．ti．com．cn/product/cn/tlc5971．

［10］歐陽．基于Android平臺的智能家居紅外控制系統的研究［D］．電子科技大學，2012．

［11］夏宇聞．Verilog數字系統設計教程［M］．2版．北京:北京航空航天大學出版社，2008:156－193．

［12］Palnitkar S．Verilog HDL數字設計與綜合［M］．2版．夏宇聞，胡燕祥，刁嵐松，等譯．北京:電子工業出版社，2009:78－111．