在各種設(shè)備中，顯示設(shè)備占有重要地位，少了顯示設(shè)備就像人少了眼睛，很多內(nèi)在的東西都看不見。顯示設(shè)備很重要也很常見，然而它的外形總是那么單調(diào)，像一個(gè)個(gè)的模型。旋轉(zhuǎn)LED屏以其新穎、可視角360°吸引了電子狂熱者的眼光。本項(xiàng)目是通過主控芯片STM32F103，將觸摸技術(shù)與旋轉(zhuǎn)LED屏幕相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘的變換，還可以利用觸摸技術(shù)在旋轉(zhuǎn)LED上玩一些小游戲[1]，讓旋轉(zhuǎn)LED不再只是單一的觀賞性的技術(shù)。
旋轉(zhuǎn)LED顯示屏是一種通過同步控制發(fā)光二極管(LED)位置和點(diǎn)亮狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)圖文顯示的新型顯示屏,因其結(jié)構(gòu)新穎、成本低、可視視角達(dá)360°而得到了迅速的發(fā)展。目前,常見的LED顯示屏都是采用掃描方式進(jìn)行顯示的,其實(shí)現(xiàn)原理是在不同時(shí)間段內(nèi)控制不同批次的LED輪流點(diǎn)亮,根據(jù)人眼的視覺暫留特性,當(dāng)掃描幀頻達(dá)到24Hz以上時(shí),人眼便感覺不到掃描過程,而是一幅穩(wěn)定的圖像。旋轉(zhuǎn)顯示屏則是通過控制一行或一列LED快速移動(dòng)位置和改變點(diǎn)亮狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)圖形的顯示,如果LED在各位置循環(huán)變換速度足夠快,同樣可以顯示出一幅穩(wěn)定的圖像。POV原理(即視覺滯留原理)將它用于顯示屏，優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在可用少量LED實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)方式下海量LED才能實(shí)現(xiàn)的顯示屏。用單片機(jī)控制LED，觸摸按鍵提供用戶與系統(tǒng)交互。旋轉(zhuǎn)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(xiàn)狀和原理，本文提出了基于TI公司TLC5947驅(qū)動(dòng)芯片及STM32F103的旋轉(zhuǎn)LED屏顯示控制器設(shè)計(jì)。該旋轉(zhuǎn)LED屏采用人眼視覺頻率滯留原理，制作的旋轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)方式下海量LED才能實(shí)現(xiàn)的一種新型顯示技術(shù)。旋轉(zhuǎn)三基色全彩LED是基于RGB原理，通過改變?nèi)N顏色的色調(diào)、飽和度、強(qiáng)度可以實(shí)現(xiàn)最高36色真彩圖片顯示，從而使顯示更加絢爛奪目。該旋轉(zhuǎn)LED屏與平板式LED顯示屏和其他顯示器技術(shù)(如CRT、LCD、PDP)相比較,旋轉(zhuǎn)式線陣LED屏幕有著成本低、分辨率高、功耗小等幾個(gè)明顯優(yōu)勢(shì)[2]。
1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
STM32F103通過TLC5947與LED連接[3]，用來控制旋轉(zhuǎn)板上LED燈的顯示。例如可以通過單片機(jī)STM32F103控制LED燈旋轉(zhuǎn)顯示時(shí)鐘模樣或各種圖形[4]，如果條件允許的話，可以顯示一些簡(jiǎn)單的游戲。LED與ARM處理器相連接，通過ARM處理器對(duì)觸摸信號(hào)的處理來實(shí)現(xiàn)LED燈的顯示樣式的變化，從基態(tài)的指針式時(shí)鐘變?yōu)閿?shù)字顯示式以及改變其顯示的背景，還可以進(jìn)行時(shí)間的校準(zhǔn)操作。TLC5947驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)LED屏顯示控制電路如圖1所示[5]。
圖1 TLC5947驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)LED屏顯示控制電路
1.1 STM32F103簡(jiǎn)介
選用了STM32F103控制器，STM32F103是增強(qiáng)型系列，最高工作時(shí)鐘頻率可達(dá)72 MHz，具有ARM CortexM3內(nèi)核、128~256 KB Flash、20~48 KB RAM、8 MHz CPU晶振、32.768 kHz RTC晶振以及豐富的外設(shè)(64個(gè)快速I/O口)和4 GB的線性地址空間。ARM采用的仿真器很貴，而單片機(jī)的調(diào)試工具則非常便宜。相較之下，CortexM3參考單片機(jī)，專門拿出一個(gè)引腳來做調(diào)試，從而節(jié)約了大量的人力物力。CortexM3集成了大多數(shù)的存儲(chǔ)器控制器，這樣就可以直接在MCU外連接Flash，降低了設(shè)計(jì)難度和應(yīng)用障礙。CortexM3處理器結(jié)合了多種突破性技術(shù)，使得它能實(shí)現(xiàn)低功耗、低成本、高性能三者(或二者)的結(jié)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(jiǎn)介
TLC5947是TI(德州儀器)公司推出的24通道，具有內(nèi)部晶振的12位PWM脈寬調(diào)制的LED驅(qū)動(dòng)芯片。TLC5947采用超小32引腳QFN的高級(jí)封裝[7]。它為L(zhǎng)ED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(shí)30 MHz，級(jí)聯(lián)為15 MHz);輸出通道之間交錯(cuò)時(shí)間遲滯，避免出現(xiàn)傳輸誤差;該芯片內(nèi)部具有溫度檢測(cè)系統(tǒng)，當(dāng)芯片的溫度過高時(shí)為了保護(hù)芯片，它會(huì)自動(dòng)斷開所有的輸出通道，當(dāng)溫度恢復(fù)正常，芯片正常工作;該芯片支持級(jí)聯(lián)，可以多個(gè)芯片共同工作以驅(qū)動(dòng)更大規(guī)模的LED顯示屏幕。24個(gè)通道的當(dāng)前電流值是通過外部IREF與地之間的阻值來設(shè)置的，驅(qū)動(dòng)電路中的電阻由所驅(qū)動(dòng)LED燈的電流決定。芯片具有寬泛的操作電壓30～55 V，含有4 MHz的內(nèi)部晶振。TLC5947適用驅(qū)動(dòng)全彩LED和顯示屏。
1.3 LED顯示屏
選用三色(RGB)LED燈， 實(shí)現(xiàn)多重色彩光源，絢麗多彩的輸出。同時(shí)，LED本身也具備相當(dāng)?shù)姆€(wěn)定度、高效率、單色彩純度高、光強(qiáng)度可調(diào)等功能。LED與ARM處理器相連接，通過ARM處理器對(duì)觸摸信號(hào)的處理來實(shí)現(xiàn)LED燈的顯示樣式的變化，從基態(tài)的指針式時(shí)鐘變?yōu)閿?shù)字顯示式，以及改變其顯示的背景，還可以進(jìn)行時(shí)間的校準(zhǔn)操作。
2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
2.1 點(diǎn)亮點(diǎn)線圓的設(shè)計(jì)及其算法和公式
點(diǎn)設(shè)計(jì)主要應(yīng)用直角坐標(biāo)到圓坐標(biāo)轉(zhuǎn)換[8]，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換點(diǎn)亮任何位置的燈。線設(shè)計(jì)源于點(diǎn)設(shè)計(jì)，在點(diǎn)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上采用Bresenham直線演算法畫出所需的直線、斜線、曲線。在線設(shè)計(jì)基礎(chǔ)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(biāo)轉(zhuǎn)換到極坐標(biāo)，在程序中將弧度轉(zhuǎn)到角度，在轉(zhuǎn)換的時(shí)候考慮到會(huì)有負(fù)數(shù)數(shù)據(jù)的輸入，加入360+0.5均是為了優(yōu)化程序，防止出現(xiàn)誤差。程序中距離r=x2+y2，角度a=180×arctanxyπ+360+0.5。
直角坐標(biāo)到圓坐標(biāo)轉(zhuǎn)換算法如下[9]：
void ConCoor(int x,int y,int *rad,int *angle) {
double r,a;
r=sqrt(x*x+y*y);
a=(180*atan2(x,y))/PI+360+0.5;
if(a>=360)
a=a-360;
(*rad)=r;
(*angle)=a;
}
直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換完后，可以設(shè)置點(diǎn)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(tǒng)上電后，首先讀取系統(tǒng)的初始狀態(tài)，設(shè)置ARM和TLC5947的工作狀態(tài)，開啟無線通信;然后等待旋轉(zhuǎn)屏幕穩(wěn)定，初始化菜單，等待輸入指令;利用Qtouch控制傳輸命令到STM32F103,執(zhí)行指令(用戶交互過程);執(zhí)行用戶命令操作。
