基于TLC5947的旋轉(zhuǎn)LED屏顯示控制器設(shè)計(jì)

摘要：為了更好地利用基于視覺暫留原理(POV原理)的旋轉(zhuǎn)式線陣LED顯示屏技術(shù)，采用Qtouch觸摸技術(shù)與旋轉(zhuǎn)LED屏相結(jié)合的方法，設(shè)計(jì)了一款基于TLC5947和ARM Cortex-M3核STM32F103的低成本、低功耗、高分辨率的LED屏顯示控制器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該旋轉(zhuǎn)LED屏幕能夠?qū)崿F(xiàn)時(shí)鐘、文字的顯示功能，并能夠在Qtouch觸摸信號(hào)的控制下實(shí)現(xiàn)各種顯示狀態(tài)的切換工作。
關(guān)鍵詞：TLC5947；ARM Cortex-M3；顯示控制器；LED

引言
    在各種設(shè)備中，顯示設(shè)備占有重要地位，少了顯示設(shè)備就像人少了眼睛，很多內(nèi)在的東西都看不見。顯示設(shè)備很重要也很常見，然而它的外形總是那么單調(diào)，像一個(gè)個(gè)的模型。旋轉(zhuǎn)LED屏以其新穎、可視角360°吸引了電子狂熱者的眼光。本項(xiàng)目是通過主控芯片STM32F103，將觸摸技術(shù)與旋轉(zhuǎn)LED屏幕相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘的變換，還可以利用觸摸技術(shù)在旋轉(zhuǎn)LED上玩一些小游戲，讓旋轉(zhuǎn)LED不再只是單一的觀賞性的技術(shù)。
    旋轉(zhuǎn)LED顯示屏是一種通過同步控制發(fā)光二極管(LED)位置和點(diǎn)亮狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)圖文顯示的新型顯示屏，因其結(jié)構(gòu)新穎、成本低、可視視角達(dá)360°而得到了迅速的發(fā)展。目前，常見的LED顯示屏都是采用掃描方式進(jìn)行顯示的，其實(shí)現(xiàn)原理是在不同時(shí)間段內(nèi)控制不同批次的LED輪流點(diǎn)亮，根據(jù)人眼的視覺暫留特性，當(dāng)掃描幀頻達(dá)到24Hz以上時(shí)，人眼便感覺不到掃描過程，而是一幅穩(wěn)定的圖像。旋轉(zhuǎn)顯示屏則是通過控制一行或一列LED快速移動(dòng)位置和改變點(diǎn)亮狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)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(wěn)定的圖像。  POV原理(即視覺滯留原理)將它用于顯示屏，優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在可用少量LED實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)方式下海量LED才能實(shí)現(xiàn)的顯示屏。用單片機(jī)控制LED，觸摸按鍵提供用戶與系統(tǒng)交互。旋轉(zhuǎn)中的LED漂浮在半空中的景觀給視覺帶來享受。
    基于這樣的現(xiàn)狀和原理，本文提出了基于TI公司TLC5947驅(qū)動(dòng)芯片及STM32F103的旋轉(zhuǎn)LED屏顯示控制器設(shè)計(jì)。該旋轉(zhuǎn)LED屏采用人眼視覺頻率滯留原理，制作的旋轉(zhuǎn)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(xiàn)傳統(tǒng)方式下海量LED才能實(shí)現(xiàn)的一種新型顯示技術(shù)。旋轉(zhuǎn)三基色全彩LED是基于RGB原理，通過改變?nèi)N顏色的色調(diào)、飽和度、強(qiáng)度可以實(shí)現(xiàn)最高36色真彩圖片顯示，從而使顯示更加絢爛奪目。該旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)式線陣LED屏幕有著成本低、分辨率高、功耗小等幾個(gè)明顯優(yōu)勢(shì)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    STM32F103通過TLC5947與LED連接，用來控制旋轉(zhuǎn)板上LED燈的顯示。例如可以通過單片機(jī)STM32F103控制LED燈旋轉(zhuǎn)顯示時(shí)鐘模樣或各種圖形，如果條件允許的話，可以顯示一些簡(jiǎn)單的游戲。LED與ARM處理器相連接，通過ARM處理器對(duì)觸摸信號(hào)的處理來實(shí)現(xiàn)LED燈的顯示樣式的變化，從基態(tài)的指針式時(shí)鐘變?yōu)閿?shù)字顯示式以及改變其顯示的背景，還可以進(jìn)行時(shí)間的校準(zhǔn)操作。TLC5947驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)LED屏顯示控制電路如圖1所示。

1．1 STM32F103簡(jiǎn)介
    選用了STM32F103控制器，STM32F103是增強(qiáng)型系列，最高工作時(shí)鐘頻率可達(dá)72 MHz，具有ARM Cortex-M3內(nèi)核、128～256 KB Flash、20～48 KB RAM、8 MHzCPU晶振、32．768 kHz RTC晶振以及豐富的外設(shè)(64個(gè)快速I／O口)和4 GB的線性地址空間。ARM采用的仿真器很貴，而單片機(jī)的調(diào)試工具則非常便宜。相較之下，Cortex-M3參考單片機(jī)，專門拿出一個(gè)引腳來做調(diào)試，從而節(jié)約了大量的人力物力。Cortex-M3集成了大多數(shù)的存儲(chǔ)器控制器，這樣就可以直接在MCU外連接Flash，降低了設(shè)計(jì)難度和應(yīng)用障礙。Cortex-M3處理器結(jié)合了多種突破性技術(shù)，使得它能實(shí)現(xiàn)低功耗、低成本、高性能三者(或二者)的結(jié)合。編程支持ISP下載功能，能通過USB端口和JLINK仿真器供電，使用起來非常方便。
1．2 TLC5947簡(jiǎn)介
    TLC5947是TI(德州儀器)公司推出的24通道，具有內(nèi)部晶振的12位PWM脈寬調(diào)制的LED驅(qū)動(dòng)芯片。TLC5947采用超小32引腳QFN的高級(jí)封裝。它為L(zhǎng)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)30 MHz，級(jí)聯(lián)為15 MHz)；輸出通道之間交錯(cuò)時(shí)間遲滯，避免出現(xiàn)傳輸誤差；該芯片內(nèi)部具有溫度檢測(cè)系統(tǒng)，當(dāng)芯片的溫度過高時(shí)為了保護(hù)芯片，它會(huì)自動(dòng)斷開所有的輸出通道，當(dāng)溫度恢復(fù)正常，芯片正常工作；該芯片支持級(jí)聯(lián)，可以多個(gè)芯片共同工作以驅(qū)動(dòng)更大規(guī)模的LED顯示屏幕。24個(gè)通道的當(dāng)前電流值是通過外部IREF與地之間的阻值來設(shè)置的，驅(qū)動(dòng)電路中的電阻由所驅(qū)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4 MHz的內(nèi)部晶振。TLC5947適用驅(qū)動(dòng)全彩LED和顯示屏。
1．3 LED顯示屏
    選用三色(RGB)LED燈，實(shí)現(xiàn)多重色彩光源，絢麗多彩的輸出。同時(shí)，LED本身也具備相當(dāng)?shù)姆€(wěn)定度、高效率、單色彩純度高、光強(qiáng)度可調(diào)等功能。LED與ARM處理器相連接，通過ARM處理器對(duì)觸摸信號(hào)的處理來實(shí)現(xiàn)LED燈的顯示樣式的變化，從基態(tài)的指針式時(shí)鐘變?yōu)閿?shù)字顯示式，以及改變其顯示的背景，還可以進(jìn)行時(shí)間的校準(zhǔn)操作。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
2．1 點(diǎn)亮點(diǎn)-線-圓的設(shè)計(jì)及其算法和公式
    點(diǎn)設(shè)計(jì)主要應(yīng)用直角坐標(biāo)到圓坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換點(diǎn)亮任何位置的燈。線設(shè)計(jì)源于點(diǎn)設(shè)計(jì)，在點(diǎn)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上采用Bresenham直線演算法畫出所需的直線、斜線、曲線。在線設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上衍生出矩形繪畫、繪圖、填充等功能。
    程序初始化完了，接著定義由直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到極坐標(biāo)，在程序中將弧度轉(zhuǎn)到角度，在轉(zhuǎn)換的時(shí)候考慮到會(huì)有負(fù)數(shù)數(shù)據(jù)的輸入，加入360+ 0．5均是為了優(yōu)化程序，防止出現(xiàn)誤差。程序中距離，角度
    直角坐標(biāo)到圓坐標(biāo)轉(zhuǎn)換算法如下：
   
    直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換完后，可以設(shè)置點(diǎn)的亮滅，接著用Bresenham直線演算法畫出直線。

    程序的整體流程如圖2所示。系統(tǒng)上電后，首先讀取系統(tǒng)的初始狀態(tài)，設(shè)置ARM和TLC5947的工作狀態(tài)，開啟無線通信；然后等待旋轉(zhuǎn)屏幕穩(wěn)定，初始化菜單，等待輸入指令；利用Qtouch控制傳輸命令到STM32F103，執(zhí)行指令(用戶交互過程)；執(zhí)行用戶命令操作。
2．2 TLC5947芯片時(shí)序
    TLC5947時(shí)序如圖3所示，芯片的主要控制引腳有4個(gè)：數(shù)據(jù)輸入端SIN、外部時(shí)鐘輸入端SCLK、灰度寄存器控制端XIAT以及輸出控制端BLANK。通過數(shù)據(jù)輸入端口將所需要的灰度數(shù)據(jù)送到SIN端，然后通過控制時(shí)鐘信號(hào)SCLK將數(shù)據(jù)寫入到芯片內(nèi)部的灰度數(shù)據(jù)移位寄存器中，之后通過控制灰度寄存器的控制端XLAT的高低電平變換實(shí)現(xiàn)芯片TLC5947內(nèi)部灰度數(shù)據(jù)的更新。當(dāng)XLAT引腳的電平發(fā)生變化而產(chǎn)生一個(gè)上升沿時(shí)，TLC5947內(nèi)部灰度數(shù)據(jù)將被更新一次，即圖3中Grayscale LatchData中被重新寫入數(shù)據(jù)。芯片的數(shù)據(jù)輸出分兩部分，一部分是串行數(shù)據(jù)輸出和恒流源數(shù)據(jù)輸出。串行數(shù)據(jù)輸出是接在灰度數(shù)據(jù)移位寄存器之后，當(dāng)寄存器的數(shù)據(jù)滿256位時(shí)，可以根據(jù)SCLK時(shí)鐘的變化通過一個(gè)DQ觸發(fā)器將數(shù)據(jù)從串行數(shù)據(jù)端口SOUT端輸出，這一端口主要是芯片級(jí)聯(lián)時(shí)后一級(jí)芯片的數(shù)據(jù)輸入；而恒流源數(shù)據(jù)輸出OUT0～OUT23則是通過輸出控制端口BLANK和芯片內(nèi)部自帶時(shí)鐘Oscillator Clock來共同控制，其中輸出電流大小則可以通過芯片的VREF引腳的外接到地電阻來控制，根據(jù)外接LED的自身限流參數(shù)，保證LED正常工作。本系統(tǒng)中采用的是3．2 kΩ電阻，所以該芯片的控制主要是4個(gè)引腳端口的控制，操作上比較簡(jiǎn)單方便。

3 結(jié)論
    實(shí)驗(yàn)中，通過主控制器STM32F103對(duì)兩片級(jí)聯(lián)的TLC5947芯片進(jìn)行了測(cè)試，外圍電路連接的是三色LED燈，外界供電電壓為5 V穩(wěn)壓源，轉(zhuǎn)換之后系統(tǒng)的供電電壓為3．3 V穩(wěn)壓源。當(dāng)寫入相對(duì)應(yīng)的程序控制字時(shí)，三色LED燈能夠正確顯示，單一色、混色兩種工作模式均成功得以實(shí)現(xiàn)。而且LED燈之間的變化時(shí)間可以通過程序來控制，只要主控制器的時(shí)鐘頻率合適，變換時(shí)間均在人眼識(shí)別能力之外，這樣就可以通過改變不同的程序控制字來實(shí)現(xiàn)全彩LED屏的設(shè)計(jì)。