基于TLC5947的旋轉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，很多內在的東西都看不見(jiàn)。顯示設備很重要也很常見(jiàn)，然而它的外形總是那么單調，像一個(gè)個(gè)的模型。旋轉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(guò)主控芯片STM32F103，將觸摸技術(shù)與旋轉LED屏幕相結合，可以實(shí)現時(shí)鐘的變換，還可以利用觸摸技術(shù)在旋轉LED上玩一些小游戲，讓旋轉LED不再只是單一的觀(guān)賞性的技術(shù)。

旋轉LED顯示屏是一種通過(guò)同步控制發(fā)光二極管(LED)位置和點(diǎn)亮狀態(tài)來(lái)實(shí)現圖文顯示的新型顯示屏，因其結構新穎、成本低、可視視角達360°而得到了迅速的發(fā)展。目前，常見(jiàn)的LED顯示屏都是采用掃描方式進(jìn)行顯示的,其實(shí)現原理是在不同時(shí)間段內控制不同批次的LED輪流點(diǎn)亮，根據人眼的視覺(jué)暫留特性，當掃描幀頻達到24Hz以上時(shí)，人眼便感覺(jué)不到掃描過(guò)程,而是一幅穩定的圖像。旋轉顯示屏則是通過(guò)控制一行或一列LED快速移動(dòng)位置和改變點(diǎn)亮狀態(tài)來(lái)實(shí)現圖形的顯示，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定的圖像。POV原理(即視覺(jué)滯留原理)將它用于顯示屏，優(yōu)勢表現在可用少量LED實(shí)現傳統方式下海量LED才能實(shí)現的顯示屏。用單片機控制LED，觸摸按鍵提供用戶(hù)與系統交互。旋轉中的LED漂浮在半空中的景觀(guān)給視覺(jué)帶來(lái)享受。

基于這樣的現狀和原理，本文提出了基于TI公司TLC5947驅動(dòng)芯片及STM32F103的旋轉LED屏顯示控制器設計。該旋轉LED屏采用人眼視覺(jué)頻率滯留原理，制作的旋轉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(shí)現傳統方式下海量LED才能實(shí)現的一種新型顯示技術(shù)。旋轉三基色全彩LED是基于RGB原理，通過(guò)改變三種顏色的色調、飽和度、強度可以實(shí)現最高36色真彩圖片顯示，從而使顯示更加絢爛奪目。該旋轉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,旋轉式線(xiàn)陣LED屏幕有著(zhù)成本低、分辨率高、功耗小等幾個(gè)明顯優(yōu)勢。

1　系統硬件設計

STM32F103通過(guò)TLC5947與LED連接，用來(lái)控制旋轉板上LED燈的顯示。例如可以通過(guò)單片機STM32F103控制LED燈旋轉顯示時(shí)鐘模樣或各種圖形，如果條件允許的話(huà)，可以顯示一些簡(jiǎn)單的游戲。LED與ARM處理器相連接，通過(guò)ARM處理器對觸摸信號的處理來(lái)實(shí)現LED燈的顯示樣式的變化，從基態(tài)的指針式時(shí)鐘變?yōu)閿底诛@示式以及改變其顯示的背景，還可以進(jìn)行時(shí)間的校準操作。TLC5947驅動(dòng)旋轉LED屏顯示控制電路如圖1所示。

圖1　TLC5947驅動(dòng)旋轉LED屏顯示控制電路1.1STM32F103簡(jiǎn)介

選用了STM32F103控制器，STM32F103是增強型系列，最高工作時(shí)鐘頻率可達72 MHz，具有ARM CortexM3內核、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(gè)快速I(mǎi)/O口)和4 GB的線(xiàn)性地址空間。ARM采用的仿真器很貴，而單片機的調試工具則非常便宜。相較之下，CortexM3參考單片機，專(zhuān)門(mén)拿出一個(gè)引腳來(lái)做調試，從而節約了大量的人力物力。CortexM3集成了大多數的存儲器控制器，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處理器結合了多種突破性技術(shù)，使得它能實(shí)現低功耗、低成本、高性能三者(或二者)的結合。編程支持ISP下載功能，能通過(guò)USB端口和JLINK仿真器供電，使用起來(lái)非常方便。

1.2TLC5947簡(jiǎn)介

TLC5947是TI(德州儀器)公司推出的24通道，具有內部晶振的12位PWM脈寬調制的LED驅動(dòng)芯片。TLC5947采用超小32引腳QFN的高級封裝。它為L(cháng)ED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(shí)30MHz，級聯(lián)為15 MHz);輸出通道之間交錯時(shí)間遲滯，避免出現傳輸誤差;該芯片內部具有溫度檢測系統，當芯片的溫度過(guò)高時(shí)為了保護芯片，它會(huì )自動(dòng)斷開(kāi)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(gè)芯片共同工作以驅動(dòng)更大規模的LED顯示屏幕。24個(gè)通道的當前電流值是通過(guò)外部IREF與地之間的阻值來(lái)設置的，驅動(dòng)電路中的電阻由所驅動(dòng)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的內部晶振。TLC5947適用驅動(dòng)全彩LED和顯示屏。

1.3LED顯示屏

選用三色(RGB)LED燈， 實(shí)現多重色彩光源，絢麗多彩的輸出。同時(shí)，LED本身也具備相當的穩定度、高效率、單色彩純度高、光強度可調等功能。LED與ARM處理器相連接，通過(guò)ARM處理器對觸摸信號的處理來(lái)實(shí)現LED燈的顯示樣式的變化，從基態(tài)的指針式時(shí)鐘變?yōu)閿底诛@示式，以及改變其顯示的背景，還可以進(jìn)行時(shí)間的校準操作。

2系統軟件設計

2.1點(diǎn)亮點(diǎn)線(xiàn)圓的設計及其算法和公式

點(diǎn)設計主要應用直角坐標到圓坐標轉換，通過(guò)坐標轉換點(diǎn)亮任何位置的燈。線(xiàn)設計源于點(diǎn)設計，在點(diǎn)設計基礎上采用Bresenham直線(xiàn)演算法畫(huà)出所需的直線(xiàn)、斜線(xiàn)、曲線(xiàn)。在線(xiàn)設計基礎上衍生出矩形繪畫(huà)、繪圖、填充等功能。