基于TLC5947的旋轉(zhuǎn)LED屏顯示控制器設計方案詳解

引言

在各種設備中，顯示設備占有重要地位，少了顯示設備就像人少了眼睛，很多內(nèi)在的東西都看不見。顯示設備很重要也很常見，然而它的外形總是那么單調(diào)，像一個個的模型。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，可以實現(xiàn)時鐘的變換，還可以利用觸摸技術(shù)在旋轉(zhuǎn)LED上玩一些小游戲，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)位置和點亮狀態(tài)來實現(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行顯示的,其實現(xiàn)原理是在不同時間段內(nèi)控制不同批次的LED輪流點亮，根據(jù)人眼的視覺暫留特性，當掃描幀頻達到24Hz以上時，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快速移動位置和改變點亮狀態(tài)來實現(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)勢表現(xiàn)在可用少量LED實現(xiàn)傳統(tǒng)方式下海量LED才能實現(xiàn)的顯示屏。用單片機控制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)動芯片及STM32F103的旋轉(zhuǎn)LED屏顯示控制器設計。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便可完全實現(xiàn)傳統(tǒng)方式下海量LED才能實現(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、強度可以實現(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、功耗小等幾個明顯優(yōu)勢。

1　系統(tǒng)硬件設計

STM32F103通過TLC5947與LED連接，用來控制旋轉(zhuǎn)板上LED燈的顯示。例如可以通過單片機STM32F103控制LED燈旋轉(zhuǎn)顯示時鐘模樣或各種圖形，如果條件允許的話，可以顯示一些簡單的游戲。LED與ARM處理器相連接，通過ARM處理器對觸摸信號的處理來實現(xiàn)LED燈的顯示樣式的變化，從基態(tài)的指針式時鐘變?yōu)閿?shù)字顯示式以及改變其顯示的背景，還可以進行時間的校準操作。TLC5947驅(qū)動旋轉(zhuǎn)LED屏顯示控制電路如圖1所示。

圖1　TLC5947驅(qū)動旋轉(zhuǎn)LED屏顯示控制電路1.1STM32F103簡介

選用了STM32F103控制器，STM32F103是增強型系列，最高工作時鐘頻率可達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(64個快速I/O口)和4 GB的線性地址空間。ARM采用的仿真器很貴，而單片機的調(diào)試工具則非常便宜。相較之下，CortexM3參考單片機，專門拿出一個引腳來做調(diào)試，從而節(jié)約了大量的人力物力。CortexM3集成了大多數(shù)的存儲器控制器，這樣就可以直接在MCU外連接Flash，降低了設計難度和應用障礙。CortexM3處理器結(jié)合了多種突破性技術(shù)，使得它能實現(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。

1.2TLC5947簡介

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)動芯片。TLC5947采用超小32引腳QFN的高級封裝。它為LED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30MHz，級聯(lián)為15 MHz);輸出通道之間交錯時間遲滯，避免出現(xiàn)傳輸誤差;該芯片內(nèi)部具有溫度檢測系統(tǒng)，當芯片的溫度過高時為了保護芯片，它會自動斷開所有的輸出通道，當溫度恢復正常，芯片正常工作；該芯片支持級聯(lián)，可以多個芯片共同工作以驅(qū)動更大規(guī)模的LED顯示屏幕。24個通道的當前電流值是通過外部IREF與地之間的阻值來設置的，驅(qū)動電路中的電阻由所驅(qū)動LED燈的電流決定。芯片具有寬泛的操作電壓30～55 V，含有4MHz的內(nèi)部晶振。TLC5947適用驅(qū)動全彩LED和顯示屏。

1.3LED顯示屏

選用三色(RGB)LED燈， 實現(xiàn)多重色彩光源，絢麗多彩的輸出。同時，LED本身也具備相當?shù)姆€(wěn)定度、高效率、單色彩純度高、光強度可調(diào)等功能。LED與ARM處理器相連接，通過ARM處理器對觸摸信號的處理來實現(xiàn)LED燈的顯示樣式的變化，從基態(tài)的指針式時鐘變?yōu)閿?shù)字顯示式，以及改變其顯示的背景，還可以進行時間的校準操作。

2系統(tǒng)軟件設計

2.1點亮點線圓的設計及其算法和公式

點設計主要應用直角坐標到圓坐標轉(zhuǎn)換，通過坐標轉(zhuǎn)換點亮任何位置的燈。線設計源于點設計，在點設計基礎上采用Bresenham直線演算法畫出所需的直線、斜線、曲線。在線設計基礎上衍生出矩形繪畫、繪圖、填充等功能。