旋转LED屏显示控制器设计方案
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
电子采购的好处，不仅仅是自动化
电路设计中如何防止静电放电?
清晰定位，厚积薄发的睿悦Nibiru
德州仪器推出五款搭载毫米波感测技术，为智能车辆发展提供更多可能性
LED驱动领域的后起之秀 比尔达为何会有如此自信
旋转LED屏显示控制器设计方案
安防监控设备存储芯片用底部填充胶
基于IrGT700的低功率无线音频应用
数字税将争取今年年中达成相关协议
如何利用物联网技术来管理景区
视觉ADAS解决方案大比拼，准备好为你爱车雇一个保镖了吗？
中国芯借势AI+IoT智能化浪潮把握全球嵌入式机遇的分析
8月新机汇总:诺基亚8、华硕ZenFone4、三星Note8和LG V30配置售价曝光,诺基亚8最值得期待?
用HI-TECH C写的使用PIC12C508读写93LC4
英特尔推新品牌计划 云计算入局添战力
基于生成式人工智能的工业软件自主创新路径分析
具有最低电压噪声的放大器
贝尔公司已正式开始推广V-22倾转旋翼机的VIP版
无线通信等新一代通信技术将引领轨道交通智能化发展
电感Q值对对射频巴伦的影响
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
电子采购的好处，不仅仅是自动化
电路设计中如何防止静电放电?
清晰定位，厚积薄发的睿悦Nibiru
德州仪器推出五款搭载毫米波感测技术，为智能车辆发展提供更多可能性
LED驱动领域的后起之秀 比尔达为何会有如此自信
旋转LED屏显示控制器设计方案
安防监控设备存储芯片用底部填充胶
基于IrGT700的低功率无线音频应用
数字税将争取今年年中达成相关协议
如何利用物联网技术来管理景区
视觉ADAS解决方案大比拼，准备好为你爱车雇一个保镖了吗？
中国芯借势AI+IoT智能化浪潮把握全球嵌入式机遇的分析
8月新机汇总:诺基亚8、华硕ZenFone4、三星Note8和LG V30配置售价曝光,诺基亚8最值得期待?
用HI-TECH C写的使用PIC12C508读写93LC4
英特尔推新品牌计划 云计算入局添战力
基于生成式人工智能的工业软件自主创新路径分析
具有最低电压噪声的放大器
贝尔公司已正式开始推广V-22倾转旋翼机的VIP版
无线通信等新一代通信技术将引领轨道交通智能化发展
电感Q值对对射频巴伦的影响