基于视觉暂留的动态扫描LED旋转屏

摘要：为了研究并控制基于视觉暂留的发光二极管旋转显示屏，在系统仿真研究的基础上，设计并改善了红外驱动电路、磁电传感器电路以及单片机控制系统，在Keil-汇编语言环境下编写了单片机控制程序，制作出PCB电路板并进行了软硬件调试。实验结果表明，设计的基于视觉暂留的发光二极管旋转显示屏具有良好的可控制性和实用性，实现了非矩形及高速旋转场合下的应用。
关键词：视觉暂留；磁电传感器；红外传感器；动态扫描；LED旋转屏；单片机

0 引言
    LED显示屏(Light Emitting Diode Display)又称电子显示屏，由LED点阵组成，通过控制发光二极管亮灭来显示文字、图片、动画、视频等信息，可以由有线或者无线通信的方法随时更换内容，室内外均适用。其具有高亮度、低工作电压、小功耗、易小型化、长寿命、性能稳定等投影仪、电视墙、液晶屏无法比拟的优点。
    LED的发展前景极为广阔，目前正朝着更高亮度、更高耐气候性、更高的发光密度、更高的发光均匀性、可靠性、全彩化方向发展。本文利用STC89C51RC单片机及其外围接口电路实现一种小型化可由红外信号控制的，利用人眼视觉暂留，动态扫描出信息的新型LED电子显示屏。该种器件与LED点阵电子屏比较有如下优点：
    (1)显示分辨率为R×R的汉字，需要发光二极管仅R个，器件成本低，易于维护。
    (2)可应用于圆面、柱面、球面等非矩形场合下。
    (3)可应用于旋转物体表面，如风扇扇叶，汽车车轮等。

1 POVLED显示原理
1．1 视觉暂留与POV LED成像分析
    所谓视觉，实际上是在人眼晶状体成像后由感光细胞将光信号转换为神经电流，传回大脑形成的。感光所依赖的感光色素的形成需要一定时间，光对视网膜所产生的视觉在光停止作用后，仍会保留一段时间，这称为视觉暂留。本文中的POV LED显示屏(Persistence of Vision Light Emitting Diode Display)由16颗发光二极管组成，它们构成y轴，旋转时每颗发光二极管均会产生位移，该位移构成x轴，x轴位移量值受到半径R及转速V的精确控制，当PCB板旋转时，一个刷新周期TI内，可以通过控制属于TI的每一个Y0～Y16的亮灭来实现图片、信息及动画的显示。
1．2 字模的获取与显示
    如图1所示，将“电”字转换成分辨率为16×16的点阵，其中白色区域代表二极管灭，由数字量1表示；黑色区域代表二极管亮，由数字量0表示。对基于视觉暂留的LED，一个刷新周期TI内的各个时间区域(以下简称时区，该段延时时间大小的计算方法将在后文中介绍)依次送如下数据：
    I=1=2时区，Y0～Y16=11111111 11111111；
    I=3时区，Y0～Y16=11100000 00001111；
    I=4时区，Y0～Y16=11101101 11011111；
    I=16时区，Y0～Y16=11111111 11111111。
    完成一个分辨率为16×16的汉字的读取后，数组指针I自加1，读新时区数据，……，重复上述步骤直到TI=TMAX=T255，此时完成一轮动态刷新。

    与传统点阵LED显示屏类似，它们二者显示数据信息都需要动态刷新，但是不同之处在于，前者是为了减少芯片管脚数量的使用，并使物理连线更加简洁；而POV LED显示屏的动态刷新实质上是PCB板绕旋转轴在空间中的位移。
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2 POV LED硬件设计
2．1 硬件框图
    控制系统是以STC公司的STC89C51RC单片机为控制计算核心，POV LED硬件结构如图2所示。红外传感器接收红外信号，包括控制系统的控制信号及时钟芯片的数据信号，时钟芯片由主电源与备用电源双供电，主电源掉电时仍可保证数据安全。磁电传感器接收定位信号，该信号用于定位并开始一轮新的动态刷新，从而使信息稳定显示。单片机综合处理以上数据，将需要显示信息的二进制编码以高低电平形式传送至发光二极管。

2．2 显示定位与磁电传感器
    与点阵LED不同，POV LED每副画面刷新结束后，需要重新显示I=1及以后一系列时刻的图像，这些图像没有固定的坐标，若旋转转速不恒定，则画面将会发生抖动，无法稳定显示信息。如果人为在某点处放置一粒小磁钢，将该点作为刷新零点或物理零点，则磁电传感器在圆周运动时必将经过该点，由硬件产生一个中断信号，此时单片机认定运行至零点，指针自加并显示新信息直到完成该圈的图像刷新。
    显示定位所用磁电传感器AH3144E是由电压调整器、霍尔电压发生器、差分放大器、史密特触发器和集电极开路的输出级组成的磁敏传感电路，其输入为磁感应强度，输出是一个数字电压信号，是单磁极工作的磁敏电路，适合于矩形或者柱形磁体下工作。
    磁电传感器靠近物理零点时，磁通量密度B不断增加，当大于BOP极限时，输出端Vout是低电平，硬件产生一个中断信号。当磁电传感器经过物理零点并远离时，相应的磁通量密度B向BRP端移动。当B>BRP时，输出端管脚是闩锁低电平；当B<BRP时，输出端Vout输出进入高电平，如图3所示。

2．3 红外解码
    红外遥控器与电器之间的通信存在一个通信协议，一般是单向的通信协议。这个单向的通信协议称为红外遥控编码协议。本文使用NEC红外编码协议，当发射器按键按下后，即有遥控码发出，所按的键不同遥控编码也不同。这种遥控码具有以下特征：
    采用脉宽调制的串行码，以脉宽为0．565 ms，间隔为0．56ms，周期为1．125ms的组合表示逻辑“0”；以脉宽为0．565ms，间隔1．685 ms，周期为2．25 ms的组合表示逻辑“1”，波形如图4所示。

    上述逻辑“0”和逻辑“1”组成的32位二进制码由38 kHz的载频进行二次调制以提高发射效率，达到降低电源功耗的目的，然后再通过红外发射二极管产生红外线向空间发射。
    置于POV LED上的红外传感器接收空间红外信号并对之解码，所得到的信息用于控制电子屏显示画面的更换，如字幕与数字时钟切换；读取时钟芯片数据并显示；设置新数据并写入时钟芯片等。
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3 POV LED软件设计
3．1 程序流程图
    51常用的编程语言有汇编语言和C语言。汇编语言的机器代码生成效率很高，虽然可读性不强，但在深刻了解硬件结构上，有着C语言无法比拟的优势。本文的软件编写即是通过汇编语言实现，编程流程如图5所示。整个软件系统包括系统初始化程序、磁电检测程序、红外检测程序、红外解码程序、外部中断程序、SPI总线通信程序、时钟程序等模块组成。

    SPI总线的基本信号线为3根传输线，即SI，SO，SCK。传输的速率由时钟信号SCK决定，SI为数据输入、SO为数据输出，该种串行I／O口方式可以减少管脚的使用。
    以上模块中，磁电检测模块、SPI通信模块及红外解码模块是POV LED工作的核心。
3．2 延时程序的计算
    基于视觉暂留的电子屏读取数据并显示，这个过程需要持续一段时间，这段时间即是上文所提及的“时间区域”概念。在该段时间内，数据禁止被更新。超时之后，读取新一组数据，延时并保留一段时间，整个过程即为动态刷新显示。延时时间的长短，在转速稳定之后反映为字符的宽度，即延时时间越长，显示的信息在空间的位移越大，一个完整的字符就越宽，反之越窄。
    本文使用规格为50 mil×80 mil(1 mil=0．025 4 mm)，封装型号为0805的贴片二极管，相邻两个二极管之间间距与自身宽度相当。环形显示区宽度为16×2×0．0254×50≈40．6mm；由于显示区近轴点外侧与圆心距离为40mm，故显示区远轴点外侧与圆心距离为80．6mm，取60 mm处进行计算，环形显示区长度为2π×60≈377mm。可以显示正方形汉字个数为377÷40．6≈9．29，向下取整即为9个汉字。故一个刷新周期由9×16=144个延时区间构成，在2200r／min的恒定转速下，1s旋转圈数为2200÷60≈36．67，旋转一圈所需时间为1÷36．67≈27．27ms，可以计算出延时区间长度为27．27÷96≈189μs，如图6所示。

    实验表明：延时区间的长度设定在189μs可以获得良好的实验结果，显示效果美观，理论计算正确。

4 结论
    (1)实现了基于视觉暂留现象的文字信息显示，磁电传感信号与旋转PCB板物理零点精确同步，信息显示稳定，无闪烁、抖动现象。
    (2)采用STC单片机作为整个系统控制核心，软硬件系统结构紧凑、响应快、控制方便、抗干扰能力强，进一步改进后是一种集通信、显示、控制为一体的新型显示屏。
    (3)实验表明，该种显示屏可以方便地应用于环形、圆形、柱面、球面等非矩形旋转场合，只需要更换LED硬件显示部分的外形，就可以在以上四种形状中互相转换，成本低、可靠性高，应用前景良好。