旋轉(zhuǎn)LED屏的基本原理以及關(guān)鍵性技術(shù)介紹
旋轉(zhuǎn)LED屏作為一種新型的LED顯示屏以其成本低，可視范圍大等獨特優(yōu)點，也越來越受到人們的重視。本文根據(jù)旋轉(zhuǎn)LED屏的工作原理以及設(shè)計要求，將基于Nios軟核的SOPC技術(shù)引入到設(shè)計中來，實現(xiàn)了基于SOPC的彩色旋轉(zhuǎn)LED屏的設(shè)計。該設(shè)計把微處理器和用戶邏輯接口都集成在一塊FPGA芯片上，其接口可以靈活地被編程人員定義，用戶能根據(jù)顯示屏的大小靈活調(diào)整硬件邏輯設(shè)計以實現(xiàn)對屏的控制，而不需要改變其原有硬件構(gòu)成，因此具有很大的靈活性，是旋轉(zhuǎn)LED屏控制電路設(shè)計的一個新方向。
目前市場上的LED屏基本上均為平板LED屏，這種屏具有顯示穩(wěn)定，顯示內(nèi)容易修改的優(yōu)點。但是平板顯示屏的原理決定了顯示屏上的每一像素點均與單獨的LED一一對應(yīng)，這必然造成平板顯示系統(tǒng)造價過高顯示控制系統(tǒng)龐大的等缺點，而且由于幾何機(jī)構(gòu)的限制，決定了平板顯示屏的視場較小。而新型的旋轉(zhuǎn)柱式LED屏可以克服平板LED屏的上述不足-它以機(jī)械轉(zhuǎn)動掃描方式代替逐行掃描，使用的LED數(shù)量大大減少，這使成本大大減低，而且可是屏幕范圍達(dá)到了360°。
一、旋轉(zhuǎn)屏基本原理及關(guān)鍵技術(shù)
LED（1ight emitting diode）顯示屏由發(fā)光二極管陣列構(gòu)成。發(fā)光二極管（LED）是一種電流控制器件，具有亮度高、體積小、單色性好、響應(yīng)速度快、驅(qū)動簡單、壽命長等優(yōu)點，能勝任各種場合實時性、多樣性、動態(tài)性的信息發(fā)布任務(wù)，因此得到了廣泛的應(yīng)用。LED大屏幕是通過一定的控制方式，用于顯示文字、圖像行情等各種信息以及電視、錄像信號，并由LED器件陣列組成的顯示屏幕。LED大屏幕作為現(xiàn)代信息發(fā)布的重要媒體，正受到社會各界尤其是商業(yè)界、廣告界的極大重視，被廣泛應(yīng)用于上業(yè)、交通、商業(yè)、廣告、金融、體育比賽、電子景觀等。
SOPC是嵌入式設(shè)計的一個新的方向，利用SOPC技術(shù)可以將多個功能模塊集成到一塊可編程芯片上構(gòu)成可編程芯片上。將SOPC技術(shù)和旋轉(zhuǎn)LED控制有機(jī)結(jié)合起來可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊，功能穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)LED控制系統(tǒng)，同時也有利于控制系統(tǒng)的功能升級和維護(hù)。
要使設(shè)計的旋轉(zhuǎn)LED屏具有較好的顯示效果，需要在設(shè)計解決好這三個問題。對于旋轉(zhuǎn)LED屏的供電來說，采用固定在底座的電刷片和旋轉(zhuǎn)的金屬導(dǎo)軌或者金屬輪軸接觸的方式給系統(tǒng)供電，是比較簡單而可靠的方法。本文的設(shè)計就是通過電刷提供一個恒定的12V直流電壓，再由DC-DC芯片轉(zhuǎn)換成2.5V、3.3V、5V等電壓來維持控制系統(tǒng)工作。解決旋轉(zhuǎn)屏的橫向拖影，主要是根據(jù)旋轉(zhuǎn)掃描的特點，在兩列像素點之間插入一個全黑時隙，這樣就可消除兩列圖像顯示點的粘滯感。而對于解決亮度顯示不足的問題，本文的設(shè)計在不繼續(xù)加大LED燈亮度的情況下，采用的是用四列LED燈來輪流顯示每個旋轉(zhuǎn)屏上的每個象素點，這樣亮度在旋轉(zhuǎn)速率不變的情況下就變?yōu)樵瓉淼乃谋丁?
二、總體方案系統(tǒng)設(shè)計
本文的設(shè)計是以FPGA為核心，利用霍爾傳感器，紅外遙控以及三基色LED顯示陣列搭建的柱式旋轉(zhuǎn)LED屏系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由電機(jī)，控制電路，LED顯示陣列三部分組成。 電機(jī)的作用就是帶動電路部分進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，這個部分的關(guān)鍵就在于電機(jī)的轉(zhuǎn)速要均勻，這樣才能保證圖像在水平方向不會被局部伸展或者壓縮。為了使LED轉(zhuǎn)速保持穩(wěn)定，一般在設(shè)計時，都是使用勻速的直流電機(jī)，或者是步進(jìn)電機(jī)。LED整列是旋轉(zhuǎn)屏的顯示主體，為了實現(xiàn)較好的顯示效果，本文的設(shè)計采用了三基色的LED燈，通過電路的控制LED的顏色灰度等級，LED電子屏可以顯示出復(fù)雜多變的色彩，雖然這樣在控制電路的設(shè)計上更為復(fù)雜，但是具有更好的顯示效果。
本設(shè)計硬件平臺采用Altera公司的CycloneⅡ系列中EP2C20Q204C8作為FPGA為平臺，通過使用Quartus II軟件搭建的采用Nios軟核處理、DMA、SDRAM控制器等外圍模塊以及自定義的LED驅(qū)動控制模塊等搭建了旋轉(zhuǎn)LED屏的控制系統(tǒng)。在設(shè)計中，雙口RAM子模塊可以使系統(tǒng)可以在輸出顯示圖像的同時，可以同步更新顯示內(nèi)容數(shù)據(jù)。旋轉(zhuǎn)LED屏有四個顯示LED列陣，整個顯示柱面分為四個區(qū)，每個區(qū)占1/4個柱面。為了實現(xiàn)四個區(qū)的同步掃描，需要有四個獨立的雙口RAM,其位寬為24bit,剛好可以存儲一個像素數(shù)據(jù)，使R、G、B各占8bit,以滿足256顯示的需要。雙口RAM使用QuartusII 軟件內(nèi)嵌的MegaCore生成，每個RAM的大小為768x24bit.
串行移位輸出子模塊和輸出同步控制子模塊是用于將并行的圖像數(shù)據(jù)從RAM中取出，并在霍爾感應(yīng)器輸入的位置信號的同步控制下把數(shù)據(jù)串行化輸出的。圖像灰度控制的方法是采用前文提到的占空比控制法來實現(xiàn)的，灰度控制子模塊主要由計數(shù)器和比較器組成，計數(shù)器在灰度時鐘GRY_CLK上升沿計數(shù)，當(dāng)計數(shù)值>=0并小于比較器的值時，灰度控制輸出信號GRY為高，否者為低，該信號送往驅(qū)動芯片74HC595的使能端EN用于控制LED燈的點亮?xí)r間，可控制色彩灰度和在兩列圖像顯示列中增加黑的時隙。整個旋轉(zhuǎn)LED電子屏的控制電路的控制核心是Nios處理器，圖像數(shù)據(jù)的讀取，旋轉(zhuǎn)位置的感應(yīng)，以及LED的顯示驅(qū)動都是由Nios處理器來實現(xiàn)控制調(diào)度的。對于Nios軟核處理器來說，其軟件開發(fā)是在SOPC Builder下的Nios IDE集成開發(fā)環(huán)境下完成的。