基于FPGA的LED体三维显示设计方案

1.4角度编码器与电机模块电路
　　本系统立体显示是通过快速显示旋转空间中的一系列二维截面来实现的， 把LED 屏旋转一周分成180 个截面， 即每转2°要刷新一次显示屏。为了准确刷新显示屏， 本系统选用角度编码器来识别显示屏转过的角度， 角度编码器通过测试电机旋转发出脉冲可识别电机的旋转角度。本系统选用的角度编码器型号为ZSP38062022G2360B25224E。此编码器旋转一周可输出360 个脉冲信号。这样电机每转2°， 角度编码器便可发出2 个脉冲信号，LED 显示屏控制系统通过计数采集的角度编码器输出脉冲数来控制刷新LED 屏。
　　同时， 利用角度编码器的输出脉冲再通过单片机的处理可测出电机的旋转速度， 并可送到数码管显示。此外， 单片机可对测得的电机速度进行判断，判断其是否超出一定的范围， 如超出范围可通知由单片机控制的报警电路报警。其电机模块电路图如图3 所示。

　　

　　电路中所用的电机为无源电机， 所以需要电机的驱动电路， 考虑电机在加负载时速度会减慢， 设计电机的速度可调， 其调节范围为0～ 4 200 r/m in。电路中电机与角度编码器套在一起， 其转速v （ r/s ） 与角度编码器的输出脉冲频率f （Hz） 具有如下关系：

　　v = f/360 （2）

　　通过此对应关系利用单片机可测出电机的旋转速度并可送到数码管显示。同时利用设计的报警器可达到对电机旋转速度的监控。
　　1.5　LED 寻址驱动电路
　　LED 寻址驱动控制电路主要是利用FPGA 芯片EP1C3 来控制LED的专门驱动芯片BHL2000， 并且EP1C3 根据采集的角度编码器的输出脉冲数按时读取存储器中的三维图像数据， 然后传送给BHL 2000， 从而来驱动LED 屏的列显示。同时， FP2GA 又将行扫描信号输出经后级放大来驱动L ED 屏的行显示， 其具体的原理框图如图4 所示。

　　

　　由于LED屏在旋转的过程中会造成亮度损失，所以FPGA 的行扫描信号输出需经过74HC245和UDN2981 的放大， 这样行信号输出最大电流可达到500 mA。此外，BHL 2000 属于灌电流型器件且每个数据输出端电流可达到80 mA ， 可直接驱动L ED 显示。驱动电路中的存储器选择STC62WV 5128， 其容量为512 k×8 b it， 而本系统一幅三维图像的数据量为6715 k×8 b it， 所以选择STC62WV 5128 是足够的。
　　值得说明的是， EP1C3 对BHL 2000 的写数据是在BHL 2000 写入时钟WR 的驱动下， 数据从D in02D in7 输入， 在内部移位寄存器中串行移位16 次后，由级联口SHO02SHO7移出。同时BHL 2000 行、场控制信号HS、VS确定数据在存储器中的存储位置， 最多可存8×16×32 个字节。此外，BHL 2000 的输出行、场控制信号HCL K 和CLR 确定取数位置， 在读出时钟CLK控制下进行灰度调制， 输出脉宽信号O02O15， 从而驱动LED显示屏。
　　2　软件设计

　　设计的主要原理是在逐行扫描信号的驱动下，在每次行扫描信号来临时， 送出8 位的列数据， 电机每旋转2°的时间内， FPGA 一直扫描同一幅切面图像数据， 然后每旋转两度后就刷新扫描另一幅切面图像数据， 值得注意的是， 每一行扫描信号后面要加一个消隐信号， 即再显示下一行数据时要把前一行L ED 灯关掉， 否则会产生串扰， 图5 所示即为加消隐信号后的16 个行扫描信号。

　　

　　3　分析与讨论

　　本文根据人眼所具有的视觉暂留特性及L ED高速发光特性实现了一套基于旋转24×16 二维LED 屏， 具有69120个体像素， 空间尺寸为Φ9414mm ×6618 mm 的体三维显示系统。从对此系统中的三维数据获取、数据的无线传输、电机旋转角度值的获取以及L ED 屏的寻址驱动电路等模块的分析和讨论来看， 本系统具有可行性高、技术实现容易、系统简单便于控制等特点。图6 所示为根据本系统显示的“茶壶”， 从图中可以看出显示的三维效果。

　　

　　当然， 从图中也可以看出本系统的LED 阵列尺寸还比较小，LED 灯排列还不够密， 其横向和纵向间距为412 mm。此外， 本系统也存在数据传输速度限制、不能实时显示以及亮度均匀性控制等问题， 但这同时也为以后实现更高质量的三维显示提供了努力的方向。体三维显示也将在包括科学可视化、虚拟现实、数字娱乐、空中交通控制、核磁共振成像、三维流体分析在内的很多领域有着广泛的应用前景。
来源：电子工程网