基于TLC5947的旋转LED屏显示控制器设计

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引言
       
        　　在各种设备中，显示设备占有重要地位，少了显示设备就像人少了眼睛，很多内在的东西都看不见。显示设备很重要也很常见，然而它的外形总是那么单调，像一个个的模型。旋转LED屏以其新颖、可视角360°吸引了电子狂热者的眼光。本项目是通过主控芯片STM32F103，将触摸技术与旋转LED屏幕相结合，可以实现时钟的变换，还可以利用触摸技术在旋转LED上玩一些小游戏[1]，让旋转LED不再只是单一的观赏性的技术。
       
        　　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、可视视角达360°而得到了迅速的发展。目前,常见的LED显示屏都是采用扫描方式进行显示的,其实现原理是在不同时间段内控制不同批次的LED轮流点亮,根据人眼的视觉暂留特性,当扫描帧频达到24Hz以上时,人眼便感觉不到扫描过程,而是一幅稳定的图像。旋转显示屏则是通过控制一行或一列LED快速移动位置和改变点亮状态来实现图形的显示,如果LED在各位置循环变换速度足够快,同样可以显示出一幅稳定的图像。POV原理（即视觉滞留原理）将它用于显示屏，优势表现在可用少量LED实现传统方式下海量LED才能实现的显示屏。用单片机控制LED，触摸按键提供用户与系统交互。旋转中的LED漂浮在半空中的景观给视觉带来享受。
       
        　　基于这样的现状和原理，本文提出了基于TI公司TLC5947驱动芯片及STM32F103的旋转LED屏显示控制器设计。该旋转LED屏采用人眼视觉频率滞留原理，制作的旋转LED虚拟屏在微控制器的精确控制下，使用少量的LED便可完全实现传统方式下海量LED才能实现的一种新型显示技术。旋转三基色全彩LED是基于RGB原理，通过改变三种颜色的色调、饱和度、强度可以实现最高36色真彩图片显示，从而使显示更加绚烂夺目。该旋转LED屏与平板式LED显示屏和其他显示器技术(如CRT、LCD、PDP)相比较,旋转式线阵LED屏幕有着成本低、分辨率高、功耗小等几个明显优势[2]。
       
        1　系统硬件设计
       
        　　STM32F103通过TLC5947与LED连接[3]，用来控制旋转板上LED灯的显示。例如可以通过单片机STM32F103控制LED灯旋转显示时钟模样或各种图形[4]，如果条件允许的话，可以显示一些简单的游戏。LED与ARM处理器相连接，通过ARM处理器对触摸信号的处理来实现LED灯的显示样式的变化，从基态的指针式时钟变为数字显示式以及改变其显示的背景，还可以进行时间的校准操作。TLC5947驱动旋转LED屏显示控制电路如图1所示[5]。
       
        图1　TLC5947驱动旋转LED屏显示控制电路
       
        1.1　STM32F103简介
       
        　　选用了STM32F103控制器，STM32F103是增强型系列，最高工作时钟频率可达72 MHz，具有ARM CortexM3内核、128~256 KB Flash、20~48 KB RAM、8 MHz CPU晶振、32.768 kHz RTC晶振以及丰富的外设（64个快速I/O口）和4 GB的线性地址空间。ARM采用的仿真器很贵，而单片机的调试工具则非常便宜。相较之下，CortexM3参考单片机，专门拿出一个引脚来做调试，从而节约了大量的人力物力。CortexM3集成了大多数的存储器控制器，这样就可以直接在MCU外连接Flash，降低了设计难度和应用障碍。CortexM3处理器结合了多种突破性技术，使得它能实现低功耗、低成本、高性能三者(或二者)的结合。编程支持ISP下载功能，能通过USB端口和JLINK仿真器供电，使用起来非常方便[6]。
       
        1.2　TLC5947简介
       
        　　TLC5947是TI（德州仪器）公司推出的24通道，具有内部晶振的12位PWM脉宽调制的LED驱动芯片。TLC5947采用超小32引脚QFN的高级封装[7]。它为LED提供了精确的恒流值，通道与芯片之间的差异值只有±2%；高速的传输速率（单片芯片时30 MHz，级联为15 MHz）；输出通道之间交错时间迟滞，避免出现传输误差；该芯片内部具有温度检测系统，当芯片的温度过高时为了保护芯片，它会自动断开所有的输出通道，当温度恢复正常，芯片正常工作；该芯片支持级联，可以多个芯片共同工作以驱动更大规模的LED显示屏幕。24个通道的当前电流值是通过外部IREF与地之间的阻值来设置的，驱动电路中的电阻由所驱动LED灯的电流决定。芯片具有宽泛的操作电压30～55 V，含有4 MHz的内部晶振。TLC5947适用驱动全彩LED和显示屏。
       
        1.3　LED显示屏
       
        　　选用三色(RGB)LED灯， 实现多重色彩光源，绚丽多彩的输出。同时，LED本身也具备相当的稳定度、高效率、单色彩纯度高、光强度可调等功能。LED与ARM处理器相连接，通过ARM处理器对触摸信号的处理来实现LED灯的显示样式的变化，从基态的指针式时钟变为数字显示式，以及改变其显示的背景，还可以进行时间的校准操作。
       
        2　系统软件设计
       
        2.1　点亮点线圆的设计及其算法和公式
       
        　　点设计主要应用直角坐标到圆坐标转换[8]，通过坐标转换点亮任何位置的灯。线设计源于点设计，在点设计基础上采用Bresenham直线演算法画出所需的直线、斜线、曲线。在线设计基础上衍生出矩形绘画、绘图、填充等功能。
       
        　　程序初始化完了，接着定义由直角坐标转换到极坐标，在程序中将弧度转到角度，在转换的时候考虑到会有负数数据的输入，加入360+0.5均是为了优化程序，防止出现误差。程序中距离r=x2+y2，角度a=180×arctanxyπ+360+0.5。
       
        　　直角坐标到圆坐标转换算法如下[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;
        }
       
        　　直角坐标转换完后，可以设置点的亮灭，接着用Bresenham直线演算法画出直线。
        　　程序的整体流程如图2所示。系统上电后，首先读取系统的初始状态，设置ARM和TLC5947的工作状态，开启无线通信；然后等待旋转屏幕稳定，初始化菜单，等待输入指令；利用Qtouch控制传输命令到STM32F103,执行指令（用户交互过程）；执行用户命令操作。
       
        2.2　TLC5947芯片时序
       
        　　TLC5947时序如图3所示，芯片的主要控制引脚有4个[10]：数据输入端SIN、外部时钟输入端SCLK、灰度寄存器控制端XLAT以及输出控制端BLANK。通过数据输入端口将所需要的灰度数据送到SIN端，然后通过控制时钟信号SCLK将数据写入到芯片内部的灰度数据移位寄存器中，之后通过控制灰度寄存器的控制端XLAT的高低电平变换实现芯片TLC5947内部灰度数据的更新。当XLAT引脚的电平发生变化而产生一个上升沿时， TLC5947内部灰度数据将被更新一次，即图3中Grayscale LatchData 中被重新写入数据。芯片的数据输出分两部分，一部分是串行数据输出和恒流源数据输出。串行数据输出是接在灰度数据移位寄存器之后，当寄存器的数据满256位时，可以根据SCLK时钟的变化通过一个DQ触发器将数据从串行数据端口SOUT端输出，这一端口主要是芯片级联时后一级芯片的数据输入；而恒流源数据输出OUT0~OUT23则是通过输出控制端口BLANK和芯片内部自带时钟Oscillator Clock来共同控制，其中输出电流大小则可以通过芯片的VREF引脚的外接到地电阻来控制，根据外接LED的自身限流参数，保证LED正常工作。本系统中采用的是3.2 kΩ电阻，所以该芯片的控制主要是4个引脚端口的控制，操作上比较简单方便。
       
        图2　程序的整体流程
       
        3　结论
       
        　　实验中，通过主控制器STM32F103对两片级联的TLC5947芯片进行了测试，外围电路连接的是三色LED灯，外界供电电压为5 V稳压源，转换之后系统的供电电压为3.3 V稳压源。当写入相对应的程序控制字时，三色LED灯能够正确显示，单一色、混色两种工作模式均成功得以实现。而且LED灯之间的变化时间可以通过程序来控制，只要主控制器的时钟频率合适，变换时间均在人眼识别能力之外，这样就可以通过改变不同的程序控制字来实现全彩LED屏的设计。
       
        图3　TLC5947时序图