主從互聯(lián)式高精度旋轉(zhuǎn)LED顯示器的研究

楊宇航 羅曉雨 黃成洋 昝立宇 程渭東 徐慧平

(1.成都理工大學(xué)核技術(shù)與自動(dòng)化工程學(xué)院 四川成都 610059；2.成都理工大學(xué)外國(guó)語(yǔ)學(xué)院 四川成都 610059；3.四川福祥建設(shè)工程有限公司 四川眉山 620360)

在商業(yè)、醫(yī)學(xué)、交通、娛樂(lè)等各行各業(yè)方面，LED顯示器需求越來(lái)越大、應(yīng)用越來(lái)越普及。但在實(shí)際生活運(yùn)用中，傳統(tǒng)的LED顯示器需要大量的驅(qū)動(dòng)器及復(fù)雜的控制單元，導(dǎo)致顯示單一、造價(jià)高、體積大等一系列弊端。針對(duì)現(xiàn)有LED平板顯示器存在的缺陷，提出并實(shí)現(xiàn)一種基于主從互聯(lián)式高精度新型智能旋轉(zhuǎn)LED顯示器，通過(guò)旋轉(zhuǎn)RGB三色LED燈載體利用人眼視覺(jué)暫留效應(yīng)（POV）原理顯示圖片和視頻資料，實(shí)現(xiàn)人眼可直接觀賞的懸浮3D效果。

一、設(shè)計(jì)原理

整體設(shè)計(jì)包含主控設(shè)計(jì)、LED顯示設(shè)計(jì)、電機(jī)傳動(dòng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)以及其他電路設(shè)計(jì)，整體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。在穩(wěn)定小功率磁耦合諧振式無(wú)線供能條件下，3D旋轉(zhuǎn)LED顯示器以STC15W408AS單片機(jī)[2]為主控制器，以STM32F103單片機(jī)[3]為從控制器，構(gòu)成主從互聯(lián)通訊模式，傳遞實(shí)際電機(jī)轉(zhuǎn)速與理論轉(zhuǎn)速的值并在程序上實(shí)現(xiàn)前饋反饋矯正，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速與顯示信號(hào)的高精度匹配，調(diào)用SD卡的預(yù)存數(shù)據(jù)，并利用POV原理以及256級(jí)灰度全彩、24位真彩的顯示方式，使一排載有RGB三色LED燈燈條圍繞其軸心進(jìn)行360°高速旋轉(zhuǎn)，達(dá)到優(yōu)質(zhì)的3D視覺(jué)效果。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

圖2 系統(tǒng)硬件框圖

二、硬件設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的3D旋轉(zhuǎn)LED顯示器硬件分為上主板和下底板兩個(gè)部分，系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。上主板包含STM32主控板、LED驅(qū)動(dòng)電路、全彩LED燈、無(wú)線供電接收電路、3.3V穩(wěn)壓電路、紅外接收電路、SD卡數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路。無(wú)線電接收裝置通過(guò)穩(wěn)壓電路向上主板進(jìn)行穩(wěn)定供電，并通過(guò)紅外接受裝置和與主控制系統(tǒng)的通訊進(jìn)行對(duì)轉(zhuǎn)速干擾的前饋矯正。以TH5024為驅(qū)動(dòng)芯片，借助Scrambled-PWM（SPWM技術(shù)），并加入脈寬調(diào)制功能，將導(dǎo)通的時(shí)間分散成很多個(gè)較短的時(shí)間，從而增加視覺(jué)更新率。盡量減小上主板的總質(zhì)量，保證幾何質(zhì)量中心與旋轉(zhuǎn)軸重合，確保旋轉(zhuǎn)LED顯示器運(yùn)行的穩(wěn)定性和低功耗性。下底板包括STC15主控板、12V穩(wěn)壓電路、紅外發(fā)射電路、無(wú)刷電機(jī)控制電路、無(wú)線供電發(fā)射電路、無(wú)線電遙控電路。外部電源通過(guò)12V穩(wěn)壓電路對(duì)整個(gè)系統(tǒng)供能，并采用一種小功率磁耦合諧振式無(wú)線供電系統(tǒng)確保無(wú)線供電的穩(wěn)定性和高效性。

三、軟件開(kāi)發(fā)

高精度旋轉(zhuǎn)LED顯示器難點(diǎn)在于LED亮滅時(shí)間的控制，也就是顯示信號(hào)變化率與電機(jī)轉(zhuǎn)速的匹配。本次設(shè)計(jì)創(chuàng)新性地將STC15W408AS單片機(jī)和STM32F103單片機(jī)聯(lián)合，前者作為主站后者作為從站，采用主從互聯(lián)通訊模式，并使用了光電對(duì)管，在下底板將紅外發(fā)射管探頭固定，并在上主板對(duì)應(yīng)位置安裝紅外接收管。這樣，在高速旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中，當(dāng)紅外接收管接收到信號(hào)時(shí)，從站將獲取一個(gè)基準(zhǔn)信號(hào)，通過(guò)計(jì)算并獲得實(shí)際轉(zhuǎn)速，與主站傳遞的理論轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較，構(gòu)成前饋環(huán)節(jié)，提前檢測(cè)轉(zhuǎn)速干擾，讓LED顯示信號(hào)變化率對(duì)干擾進(jìn)行隨動(dòng)校準(zhǔn)。另外，主站也將從從站獲取實(shí)際轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)亩纬煞答佂ǖ溃麄€(gè)轉(zhuǎn)速匹配控制系統(tǒng)聯(lián)合前饋調(diào)節(jié)和反饋調(diào)節(jié)，有效解決高速旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速容積延遲比較大而造成的視圖精度難以控制的弊端。為確保3D旋轉(zhuǎn)LED顯示器高效穩(wěn)定運(yùn)行，主從站除了通訊轉(zhuǎn)速信號(hào)以外，也會(huì)傳遞基準(zhǔn)時(shí)間、遙控信號(hào)、輸電效率等數(shù)據(jù)，從而對(duì)其他部件進(jìn)行有效控制，系統(tǒng)程序框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)程序框圖

四、結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)順從現(xiàn)代LED顯示器發(fā)展的主流趨勢(shì)，并且全文通過(guò)對(duì)系統(tǒng)整體介紹和硬軟件分析來(lái)證明方案的可行性和創(chuàng)新性。設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的3D旋轉(zhuǎn)顯示器LED燈條長(zhǎng)度為36cm，額定功耗為市面上同等大小顯示器的86.3%，設(shè)計(jì)成本為市面上同等大小顯示器售價(jià)的40%左右，轉(zhuǎn)速能精確穩(wěn)定在3000±6r/min，顯示圖像偏差小于0.5mm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的基于視覺(jué)暫留主從互聯(lián)式3D旋轉(zhuǎn)顯示器具有優(yōu)質(zhì)的穩(wěn)定性、實(shí)用性和觀賞性，滿足低功耗、低成本的市場(chǎng)規(guī)格要求，也實(shí)現(xiàn)了非矩形和高速旋轉(zhuǎn)場(chǎng)合下的應(yīng)用，并且對(duì)LED顯示技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程有參考意義。