轻松五步设计旋转LED屏
品慧电子讯随着科学技术的发展，LED显示屏得到了广泛的应用，但大部分的显示屏只能在屏幕上显示，已经不能满足人们的需求。本文通过对旋转LED屏设计的关键因素、总体方案的设计、电路设计、系统软件设计等方面进行了详细的讲解。
LED显示屏已经广泛应用于室内、室外需要进行服务内容和服务宗旨宣传的公共场所，但是传统的LED显示屏由于操作不方便、放置位置固定从而导致不易挪动、应用面狭窄等因素，显得十分不便，旋转LED显示屏幕正好填补了这个空缺。
一、旋转LED屏基本原理
旋转LED显示屏是一种通过同步控制发光二极管（LED）位置和点亮状态来实现图文显示的新型显示屏，因其结构新颖，成本低廉，可视范围达360度而得到了迅速的发展，其核心技术在于精确控制LED位置与发光状态的同步。旋转LED屏的显示器件只有一列，并且这一列LED由转速恒定的LED带动进行旋转，同时由控制电路对LED的点亮状态进行同步控制，使电机每转过一定角度，这一列LED的显示内容就改变一次，在旋转到任何一个位置都有唯一确定的显示内容，也就是说旋转LED屏是采用逐列显示的，并且采用了机械转动来替代替代扫描显示，图1中a，b,c,d是旋转LED屏在不同时刻的显示状态，d是人眼视觉看到的完整的画面"3"。
图1：旋转LED屏显示原理
本文采用了三基色LED来实现彩色像素的显示，为了能实现丰富多彩的颜色显示，需要对LED的颜色灰度进行控制。这主要有两种即驱动电流控制法和驱动脉冲占空比控制法，但前一种方法实现难度较大成本较高，而后者原理简单，容易采用数字设计方法实现，因此本文的LED灰度控制采用了占空比控制法。
占空比控制法控制LED的亮度实际上是控制LED点亮的时间。周期性地改变LED在一个周期内的点亮时间的长短，从而实现LED的亮度变化。在工作状态下连续地改变LED在循环周期中的点亮时间就可以实现LED亮度灰度等级的连续变化。对于256色显示，只需要采用8bit色度数据来控制LED的灰度，列数据位与占空比关系如下图2所示：
图2：占空比与灰度控制数据位关系
二、转LED屏设计的关键
旋转LED屏的原理并不复杂，其硬件结构也相对简单，但是要使旋转LED屏能够稳定的显示设定的图像或文字，需要克服三个技术难点：
1.旋转屏控制控制电路的供电。在系统工作时，控制电路随着电机的转子转动，因此给旋转着的控制电路和LED提供一个稳定的供电电源具有一定的难度。
2.旋转屏横向显示拖影问题。由于旋转屏采用了单列LED旋转扫描实现柱面图像显示，这使得像数点显示在横向上出现了粘滞，形成拖影现象。
3.解决显示亮度不足，由于旋转LED电子屏的工作原理决定了相比于普通的平面LED屏，显示每一列的时间要少许多，因此亮度也会大大减小。
要使设计的旋转LED屏具有较好的显示效果，需要在设计解决好这三个问题。对于旋转LED屏的供电来说，采用固定在底座的电刷片和旋转的金属导轨或者金属轮轴接触的方式给系统供电，是比较简单而可靠的方法。本文的设计就是通过电刷提供一个恒定的12V直流电压，再由DC-DC芯片转成2.5V、3.3V、5V等电压来维持控制系统工作。解决旋转屏的横向拖影，主要是根据旋转扫描的特点，在两列像素点之间插入一个 全黑时隙，这样就可消除两列图像显示点的粘滞感。而对于解决亮度显示不足的问题，本文的设计在不继续加大LED灯亮度的情况下，采用的是用四列LED灯来轮流显示每个旋转屏上的每个象素点，这样亮度在旋转速率不变的情况下就变为原来的四倍。
相关阅读：
解决LED显示屏三高一低技术难题
http://www.cntronics.com/gptech-art/80018847
设计可靠LED显示屏的要素
http://www.cntronics.com/opto-art/80018528
高精度LED显示屏灰度显示方案设计
http://www.cntronics.com/opto-art/80013845
- 第一页：旋转LED屏基本原理与设计关键
- 第二页：总体方案设计与电路设计
- 第三页：系统软件设计
三、总体方案系统设计
本文的设计是以FPGA为核心，利用霍尔传感器，红外遥控以及三基色LED显示阵列搭建的柱式旋转LED屏系统。该系统主要由电机，控制电路，LED显示阵列三部分组成。
电机的作用就是带动电路部分进行旋转，这个部分的关键就在于电机的转速要均匀，这样才能够保证图像在水平方向不会会被局部伸展或者压缩。为了能使LED转速保持稳定，一般在设计的时候，都是使用匀速的直流电机，或者是步进电机。
LED整列是旋转屏的显示主体，为了实现较好的显示效果，本文的设计采用了三基色的LED灯，通过电路的控制LED的颜色灰度等级，LED电子屏可以显示出复杂多变的色彩，虽然这样在控制电路的设计上更为复杂，但是具有更好的显示效果。
LED显示控制电路的作用是将存储在RAM内图像或符号，在旋转位置感应信号的同步下，根据旋转的位置按列扫描显示在LED阵列上。这部分是整个系统的核心。
四、旋转LED控制电路的SOPC设计
本设计硬件平台采用Altera公司的CycloneⅡ系列中EP2C20Q204C8作为FPGA为平台，通过使用Quartus II软件搭建的采用Nios软核处理、DMA、SDRAM控制器等外围模块以及自定义的LED驱动控制模块等搭建了旋转LED屏的控制系统。
4.1控制电路的结构
为旋转LED屏的核心部分，本文所设计的旋转LED屏控制系统电路主要由以下一个部分组成，如图3所示。
图3：旋转LED屏控制系统结构
电源供电模块，主要功能是为旋转LED电子屏控制系统以及LED显示阵列提供连续稳定的电源。
FPGA及其配置电路，FPGA电路整个控制系统的核心，是实现Nios II处理器及相关功能模块的载体。
彩色LED阵列驱动控制电路，主要由LED的驱动芯片及相关器件组成。LED驱动芯片在控制器的控制下按照相应的顺序、颜色和亮度显示图形文字内容。
外围存储电路，包括SDRAM和CF卡。SDRAM作为Nios II处理器的程序运行空间，而大容量的CF卡则用于存储LED屏要显示的图像或者文字内容。
旋转位置感应电路，由一片集成的霍尔感应器件及相关器件组成，用于感应LED屏旋转的位置，使得输出内容与旋转位置相对应。
无线控制电路，由红外（irDA）接收芯片和手持式红外遥控器组成，主要实现对旋转LED显示内容的切换红外遥控。
实时时钟电路（RTC），由外接实时时钟芯片组成，实现显示时钟的功能。
相关阅读：
解决LED显示屏三高一低技术难题
http://www.cntronics.com/gptech-art/80018847
设计可靠LED显示屏的要素
http://www.cntronics.com/opto-art/80018528
高精度LED显示屏灰度显示方案设计
http://www.cntronics.com/opto-art/80013845
<上一页123下一页>
- 第一页：旋转LED屏基本原理与设计关键
- 第二页：总体方案设计与电路设计
- 第三页：系统软件设计
4.2 LED驱动控制模块设计
LED驱动控制模块是旋转LED屏控制系统的最重要部分，主要分为Avalon接口子模块，双口RAM子模块，串行移位输出子模块，输出同步子模块，灰度控制子模块等组成，其结构图如下图4所示。
图4：LED驱动控制模块结构图
在设计中，双口RAM子模块可以使系统可以在输出显示图像的同时，可以同步更新显示内容数据。旋转LED屏有四个显示LED列阵，整个显示柱面分为四个区，每个区占1/4个柱面。为了实现四个区的同步扫描，需要有四个独立的双口RAM,其位宽为24bit,刚好可以存储一个像素数据，使R、G、B各占 8bit,以满足256显示的需要。双口RAM使用QuartusII 软件内嵌的MegaCore生成，每个RAM的大小为768x24bit。
串行移位输出子模块和输出同步控制子模块是用于将并行的图像数据从RAM中取出，并在霍尔感应器输入的位置信号的同步控制下把数据串行化输出的。图像灰度 控制的方法是采用前文提到的占空比控制法来实现的，灰度控制子模块主要由计数器和比较器组成，计数器在灰度时钟GRY_CLK上升沿计数，当计数值>=0并小于比较器的值时，灰度控制输出信号GRY为高，否者为低，该信号送往驱动芯片74HC595的使能端EN用于控制LED灯的点亮时间， 可控制色彩灰度和在两列图像显示列中增加黑的时隙。
五、系统软件设计
整个旋转LED电子屏的控制电路的控制核心是Nios处理器，图像数据的读取，旋转位置的感应，以及LED的显示驱动都是由Nios处理器来实现控制调度的。对于Nios软核处理器来说，其软件开发是在SOPC Builder下的Nios IDE集成开发环境下完成的。Nios处理器软件的流程结构如下图5所示：
图5：系统软件流程图
旋转LED屏可以经常变换内容，方便携带，价格低廉，形成一个360度的环形画面，创造立体效果等优点，得到越来越多的应用。经过本文的讲解，相信大家对LED旋转屏的设计有了良好的理解。
