【導讀】隨著科學技術的發展，LED顯示屏得到了廣泛的應用，但大部分的顯示屏只能在屏幕上顯示，已經不能滿足人們的需求。本文通過對旋轉LED屏設計的關鍵因素、總體方案的設計、電路設計、系統軟件設計等方面進行了詳細的講解。
LED顯示屏已經廣泛應用于室內、室外需要進行服務內容和服務宗旨宣傳的公共場所，但是傳統的LED顯示屏由于操作不方便、放置位置固定從而導致不易挪動、應用面狹窄等因素，顯得十分不便，旋轉LED顯示屏幕正好填補了這個空缺。
一、旋轉LED屏基本原理
旋轉LED顯示屏是一種通過同步控制發光二極管（LED）位置和點亮狀態來實現圖文顯示的新型顯示屏，因其結構新穎，成本低廉，可視范圍達360度而得到了迅速的發展，其核心技術在于精確控制LED位置與發光狀態的同步。旋轉LED屏的顯示器件只有一列，并且這一列LED由轉速恒定的LED帶動進行旋轉，同時由控制電路對LED的點亮狀態進行同步控制，使電機每轉過一定角度，這一列LED的顯示內容就改變一次，在旋轉到任何一個位置都有唯一確定的顯示內容，也就是說旋轉LED屏是采用逐列顯示的，并且采用了機械轉動來替代替代掃描顯示，圖1中a，b,c,d是旋轉LED屏在不同時刻的顯示狀態，d是人眼視覺看到的完整的畫面"3"。
圖1：旋轉LED屏顯示原理
本文采用了三基色LED來實現彩色像素的顯示，為了能實現豐富多彩的顏色顯示，需要對LED的顏色灰度進行控制。這主要有兩種即驅動電流控制法和驅動脈沖占空比控制法，但前一種方法實現難度較大成本較高，而后者原理簡單，容易采用數字設計方法實現，因此本文的LED灰度控制采用了占空比控制法。
占空比控制法控制LED的亮度實際上是控制LED點亮的時間。周期性地改變LED在一個周期內的點亮時間的長短，從而實現LED的亮度變化。在工作狀態下連續地改變LED在循環周期中的點亮時間就可以實現LED亮度灰度等級的連續變化。對于256色顯示，只需要采用8bit色度數據來控制LED的灰度，列數據位與占空比關系如下圖2所示：
圖2：占空比與灰度控制數據位關系
二、轉LED屏設計的關鍵
旋轉LED屏的原理并不復雜，其硬件結構也相對簡單，但是要使旋轉LED屏能夠穩定的顯示設定的圖像或文字，需要克服三個技術難點：
1.旋轉屏控制控制電路的供電。在系統工作時，控制電路隨著電機的轉子轉動，因此給旋轉著的控制電路和LED提供一個穩定的供電電源具有一定的難度。
2.旋轉屏橫向顯示拖影問題。由于旋轉屏采用了單列LED旋轉掃描實現柱面圖像顯示，這使得像數點顯示在橫向上出現了粘滯，形成拖影現象。
3.解決顯示亮度不足，由于旋轉LED電子屏的工作原理決定了相比于普通的平面LED屏，顯示每一列的時間要少許多，因此亮度也會大大減小。
要使設計的旋轉LED屏具有較好的顯示效果，需要在設計解決好這三個問題。對于旋轉LED屏的供電來說，采用固定在底座的電刷片和旋轉的金屬導軌或者金屬輪軸接觸的方式給系統供電，是比較簡單而可靠的方法。本文的設計就是通過電刷提供一個恒定的12V直流電壓，再由DC-DC芯片轉成2.5V、3.3V、5V等電壓來維持控制系統工作。解決旋轉屏的橫向拖影，主要是根據旋轉掃描的特點，在兩列像素點之間插入一個 全黑時隙，這樣就可消除兩列圖像顯示點的粘滯感。而對于解決亮度顯示不足的問題，本文的設計在不繼續加大LED燈亮度的情況下，采用的是用四列LED燈來輪流顯示每個旋轉屏上的每個象素點，這樣亮度在旋轉速率不變的情況下就變為原來的四倍。
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三、總體方案系統設計
本文的設計是以FPGA為核心，利用霍爾傳感器，紅外遙控以及三基色LED顯示陣列搭建的柱式旋轉LED屏系統。該系統主要由電機，控制電路，LED顯示陣列三部分組成。
電機的作用就是帶動電路部分進行旋轉，這個部分的關鍵就在于電機的轉速要均勻，這樣才能夠保證圖像在水平方向不會會被局部伸展或者壓縮。為了能使LED轉速保持穩定，一般在設計的時候，都是使用勻速的直流電機，或者是步進電機。
LED整列是旋轉屏的顯示主體，為了實現較好的顯示效果，本文的設計采用了三基色的LED燈，通過電路的控制LED的顏色灰度等級，LED電子屏可以顯示出復雜多變的色彩，雖然這樣在控制電路的設計上更為復雜，但是具有更好的顯示效果。
LED顯示控制電路的作用是將存儲在RAM內圖像或符號，在旋轉位置感應信號的同步下，根據旋轉的位置按列掃描顯示在LED陣列上。這部分是整個系統的核心。
四、旋轉LED控制電路的SOPC設計
本設計硬件平臺采用Altera公司的CycloneⅡ系列中EP2C20Q204C8作為FPGA為平臺，通過使用Quartus II軟件搭建的采用Nios軟核處理、DMA、SDRAM控制器等外圍模塊以及自定義的LED驅動控制模塊等搭建了旋轉LED屏的控制系統。
4.1控制電路的結構
為旋轉LED屏的核心部分，本文所設計的旋轉LED屏控制系統電路主要由以下一個部分組成，如圖3所示。
圖3：旋轉LED屏控制系統結構
電源供電模塊，主要功能是為旋轉LED電子屏控制系統以及LED顯示陣列提供連續穩定的電源。
FPGA及其配置電路，FPGA電路整個控制系統的核心，是實現Nios II處理器及相關功能模塊的載體。
彩色LED陣列驅動控制電路，主要由LED的驅動芯片及相關器件組成。LED驅動芯片在控制器的控制下按照相應的順序、顏色和亮度顯示圖形文字內容。
外圍存儲電路，包括SDRAM和CF卡。SDRAM作為Nios II處理器的程序運行空間，而大容量的CF卡則用于存儲LED屏要顯示的圖像或者文字內容。
旋轉位置感應電路，由一片集成的霍爾感應器件及相關器件組成，用于感應LED屏旋轉的位置，使得輸出內容與旋轉位置相對應。
無線控制電路，由紅外（irDA）接收芯片和手持式紅外遙控器組成，主要實現對旋轉LED顯示內容的切換紅外遙控。
實時時鐘電路（RTC），由外接實時時鐘芯片組成，實現顯示時鐘的功能。
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4.2 LED驅動控制模塊設計
LED驅動控制模塊是旋轉LED屏控制系統的最重要部分，主要分為Avalon接口子模塊，雙口RAM子模塊，串行移位輸出子模塊，輸出同步子模塊，灰度控制子模塊等組成，其結構圖如下圖4所示。
圖4：LED驅動控制模塊結構圖
在設計中，雙口RAM子模塊可以使系統可以在輸出顯示圖像的同時，可以同步更新顯示內容數據。旋轉LED屏有四個顯示LED列陣，整個顯示柱面分為四個區，每個區占1/4個柱面。為了實現四個區的同步掃描，需要有四個獨立的雙口RAM,其位寬為24bit,剛好可以存儲一個像素數據，使R、G、B各占 8bit,以滿足256顯示的需要。雙口RAM使用QuartusII 軟件內嵌的MegaCore生成，每個RAM的大小為768x24bit。
串行移位輸出子模塊和輸出同步控制子模塊是用于將并行的圖像數據從RAM中取出，并在霍爾感應器輸入的位置信號的同步控制下把數據串行化輸出的。圖像灰度 控制的方法是采用前文提到的占空比控制法來實現的，灰度控制子模塊主要由計數器和比較器組成，計數器在灰度時鐘GRY_CLK上升沿計數，當計數值>=0并小于比較器的值時，灰度控制輸出信號GRY為高，否者為低，該信號送往驅動芯片74HC595的使能端EN用于控制LED燈的點亮時間， 可控制色彩灰度和在兩列圖像顯示列中增加黑的時隙。
五、系統軟件設計
整個旋轉LED電子屏的控制電路的控制核心是Nios處理器，圖像數據的讀取，旋轉位置的感應，以及LED的顯示驅動都是由Nios處理器來實現控制調度的。對于Nios軟核處理器來說，其軟件開發是在SOPC Builder下的Nios IDE集成開發環境下完成的。Nios處理器軟件的流程結構如下圖5所示：
圖5：系統軟件流程圖
旋轉LED屏可以經常變換內容，方便攜帶，價格低廉，形成一個360度的環形畫面，創造立體效果等優點，得到越來越多的應用。經過本文的講解，相信大家對LED旋轉屏的設計有了良好的理解。
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