顧菊芬

（蘇州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 通信與信息工程系，江蘇 蘇州 215200）

1 引言

隨著計(jì)算機(jī)及相關(guān)的微電子、光電子技術(shù)的發(fā)展，LED電子顯示屏作為視覺傳播的重要載體也有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。目前，常見的LED顯示屏大多都是采用全鋪方式，把LED進(jìn)行逐行逐列地固定排列，每一個LED對應(yīng)一個像素點(diǎn)，用以顯示文字和圖片。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、易于控制，但它硬件復(fù)雜、成本大、不易移動，只能用于平面展示、畫面顯示單調(diào)，容易形成視覺疲勞[1-3]。針對傳統(tǒng)點(diǎn)陣顯示屏宣傳展示效果普通、尺寸大、成本高的問題，設(shè)計(jì)了一套無線感應(yīng)供電的旋轉(zhuǎn)LED動態(tài)顯示屏系統(tǒng)，只要少量LED實(shí)現(xiàn)顯示，具有成本低、控制方便、展示效果好的優(yōu)點(diǎn)，具有較好的推廣價值。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

創(chuàng)意LED旋轉(zhuǎn)動態(tài)顯示屏是利用視覺暫留原理，通過發(fā)光體的運(yùn)動，產(chǎn)生一系列運(yùn)動軌跡的殘留影像，達(dá)到飄浮在空中似的神奇夢幻般顯示效果。整個系統(tǒng)包括無線供電系統(tǒng)、單片機(jī)控制系統(tǒng)、時鐘日歷芯片、LED燈列、傳感器、通信端口等，結(jié)構(gòu)分為固定底座和旋轉(zhuǎn)部分，電機(jī)固定在底座帶動控制板及LED燈列旋轉(zhuǎn)，無線供電系統(tǒng)采用線圈耦合布局在軸心圓周處，不通過物理連接或接觸進(jìn)行電能傳輸，系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 無線感應(yīng)供電的創(chuàng)意LED旋轉(zhuǎn)動態(tài)顯示屏的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 無線電磁感應(yīng)供電電源的設(shè)計(jì)

無線感應(yīng)供電技術(shù)是借助電磁場或電磁波進(jìn)行能量傳遞的一種技術(shù)，其基本原理為初級線圈即發(fā)射線圈與交流電源相連，基于電磁感應(yīng)原理，發(fā)射線圈與接收線圈之間便會產(chǎn)生變化的磁場，然后變化的磁場在接收線圈內(nèi)產(chǎn)生電動勢，當(dāng)接收線圈連有負(fù)載時，負(fù)載便開始工作，此時，便實(shí)現(xiàn)了電能的無線傳遞，無線感應(yīng)供電原理圖如圖2所示。

圖2 無線感應(yīng)供電示意圖

為了實(shí)現(xiàn)裝置的便攜性，直接采用交流電源作為初級線圈的輸入是不合適的。因此采用直流電源供電，通過自激振蕩電路實(shí)現(xiàn)一定頻率的交流振蕩信號作為驅(qū)動信號。由于通過高頻功率放大電路模塊放大后的振蕩輸出是用于能量功率，而不是傳遞信號，因此對波形的要求并不是很高。所以，波形的失真并不重要，需要的是輸出信號要有足夠的振幅。無線供電部分原理框圖如圖3所示。

圖3 無線感應(yīng)供電系統(tǒng)的原理框圖

電磁感應(yīng)式無線供電的初級線圈需要300kHz的交流信號，頻率太低不能達(dá)到較高的能量[4]。直流信號變高頻交流信號采用自激振蕩電路實(shí)現(xiàn)，可實(shí)現(xiàn)輸出高頻交流信號，以此作為初級線圈的輸入驅(qū)動信號，具體實(shí)現(xiàn)電路如圖4所示。該模塊由輸入、輸出兩部分組成，其輸入端為5V的直流電壓，通過中級功率三極管B772構(gòu)成自激振蕩電路，將直流電壓轉(zhuǎn)化成交流電壓并連接到初級線圈。該電路包含互補(bǔ)的2個三極管8050和B772，同時工作在開關(guān)狀態(tài)，B772為功率管。LC振蕩電路實(shí)現(xiàn)選頻，根據(jù)頻率要求選擇222pF的滌綸電容，初級線圈電感量大約為1.35mH。通過電容引入正反饋，將輸出的交流振蕩信號反饋至三極管8050的基極實(shí)現(xiàn)持續(xù)不斷的交流信號輸出。

圖4 三極管實(shí)現(xiàn)的自激振蕩電路

實(shí)測三極管8050基極信號、三極管B772集電極信號（即初級線圈驅(qū)動信號），輸出頻率在290kHz，跟期望值吻合，該頻率下信號可以高效實(shí)現(xiàn)無線電能的傳輸。

圖5 三極管8050基極信號

圖6 三極管B772集電極信號

另外初級線圈和次級線圈之間的距離也會影響次級電壓的大小，經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，最終得出初次級線圈距離0.5mm最合適，輸出的交流電壓經(jīng)過整流、穩(wěn)壓、濾波后得到的直流電壓完全能夠滿足旋轉(zhuǎn)屏上的單片機(jī)和LED的供電要求。

圖7 次級線圈整流濾波穩(wěn)壓電路

次級線圈通過電磁感應(yīng)得到感應(yīng)電流，之后采用全波整流后濾波穩(wěn)壓得到單片機(jī)的供電電壓，具體實(shí)現(xiàn)過程：次級線圈在直流電機(jī)的帶動下經(jīng)過由VD3、VD4、VD5、VD6 組成的橋式整流電路，以及 C1組成的濾波電路后，再經(jīng)穩(wěn)壓管穩(wěn)壓輸出5V的直流電壓，向主控電路供電。

4 主控單片機(jī)控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

主控電路主要通過控制代碼實(shí)現(xiàn)側(cè)面燈列和平面燈列運(yùn)動成像，硬件資源主要包含位置同步信號、平面燈列和側(cè)面燈列、時鐘萬年歷芯片、紅外遙控通信電路，以上模塊電路采用常規(guī)電路實(shí)現(xiàn)，具體實(shí)現(xiàn)電路如圖8所示。

圖8 主控電路原理圖

帶動主控電路旋轉(zhuǎn)的電機(jī)轉(zhuǎn)速至少要能夠符合視覺暫留時間，因此電機(jī)轉(zhuǎn)速不能低于1500轉(zhuǎn)/分。這個速度下產(chǎn)生的離心力較大，主控電路板需要平衡配重，采用在側(cè)面燈列的另外一端增加兩個銅柱，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)兩側(cè)的平衡配重。實(shí)現(xiàn)燈列視覺暫留效果的另一個重要保障是位置同步信號反饋電路，要使運(yùn)動的發(fā)光體形成的顯示畫面顯示正常和穩(wěn)定，LED旋轉(zhuǎn)顯示系統(tǒng)需要通過傳感器來感知發(fā)光體的運(yùn)動位置或狀態(tài)，確定顯示的起始位置。通過多種方案比較，采用紅外發(fā)射和接收管實(shí)現(xiàn)信號同步，其中紅外發(fā)射管固定、紅外接收管參與旋轉(zhuǎn)，因而每旋轉(zhuǎn)一周可獲取一次信號。最終的旋轉(zhuǎn)動態(tài)顯示屏實(shí)物如圖9，紅色框部分為紅外發(fā)射和接收管安裝位置。

圖9 主控電路同步電路位置實(shí)物圖

5 旋轉(zhuǎn)視覺動態(tài)顯示屏的程序設(shè)計(jì)

5.1 控制功能分析

旋轉(zhuǎn)視覺動態(tài)顯示屏控制系統(tǒng)待實(shí)現(xiàn)的控制功能分解如下：

（1）紅外遙控信號的解碼：對信號解碼需要占用一個定時器、信號入口對應(yīng)的端口為P3.3，為了響應(yīng)的實(shí)時性，開啟外部中斷1下降沿觸發(fā)，配合定時器進(jìn)行解碼。此為隨機(jī)低頻事件。

（2）紅外對管的同步信號：占用端口P3.2，開啟外部中斷0，此為固定周期的高頻事件。

（3）主程序完成對紅外遙控解碼后的命令進(jìn)行狀態(tài)的跳轉(zhuǎn)，采用狀態(tài)機(jī)完成切換。不同狀態(tài)下的相應(yīng)分別編寫相應(yīng)的函數(shù)實(shí)現(xiàn)。

（4）其他功能分析。滴答時間片占用定時器0，作為系統(tǒng)時間調(diào)度的依據(jù)。同時利用滴答時間片進(jìn)行延時，以提高系統(tǒng)響應(yīng)實(shí)時性。

5.2 實(shí)時多任務(wù)調(diào)度器設(shè)計(jì)

根據(jù)控制功能分析設(shè)計(jì)實(shí)時多任務(wù)調(diào)度器，將優(yōu)先級高的任務(wù)通過中斷實(shí)現(xiàn)，主程序和中斷程序之間通過全局變量傳遞參數(shù)，這樣既保證了實(shí)時性也保證了任務(wù)有序運(yùn)轉(zhuǎn)[5-7]。實(shí)時多任務(wù)調(diào)度器流程如圖10所示，其中外部中斷0為紅外接收的同步信號，是一個高頻周期事件，完成實(shí)時性要求最高的燈列顯示刷新任務(wù)。紅外遙控信號的解碼作為一個隨機(jī)事件實(shí)時性要求也高，因此采用外部中斷1，解碼過程會占用定時器T1以實(shí)現(xiàn)正確的解碼。中斷服務(wù)程序編寫主要是獲取標(biāo)志，獲取事件觸發(fā)標(biāo)志、時間觸發(fā)標(biāo)志，這些標(biāo)志位采用全局變量，以方便在各個模塊之間傳遞信息。主程序?yàn)橐粋€標(biāo)準(zhǔn)的散轉(zhuǎn)程序，通過解碼后的命令字實(shí)現(xiàn)各個狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)。

圖10 實(shí)時多任務(wù)調(diào)度器流程圖

該實(shí)時多任務(wù)調(diào)度器在智能視覺旋轉(zhuǎn)視覺動態(tài)顯示屏上能夠穩(wěn)定地運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)不同優(yōu)先級的多任務(wù)調(diào)度，效率高且可靠。

6 結(jié)束語

無線供電的旋轉(zhuǎn)LED動態(tài)顯示屏利用視覺暫留原理可以實(shí)現(xiàn)側(cè)面和平面燈列的圖文顯示、時間顯示等，各種畫面的展示可以通過遙控器切換，運(yùn)行時顯示平面時鐘和側(cè)面圖案效果如圖11所示。

圖11 平面和側(cè)面動態(tài)顯示屏成像效果

采用無線感應(yīng)供電的創(chuàng)意LED旋轉(zhuǎn)動態(tài)顯示屏不通過物理連接或接觸進(jìn)行電能傳輸，可以有效避免固定部分和旋轉(zhuǎn)部分電源線路的連接，避免了電源線路纏繞和磨損帶來的麻煩。利用人眼視覺暫留原理實(shí)現(xiàn)燈列的動態(tài)成像，仿佛神奇的空中幻影，相對于傳統(tǒng)LED顯示裝置只要少量LED實(shí)現(xiàn)顯示，具有成本低、控制方便、展示效果好的優(yōu)點(diǎn)，具有良好的推廣價值。