RGB POV在点阵旋转屏中的应用及其电源解决方案

胡阳 安徽理工大学，淮南 232001

RGB POV在点阵旋转屏中的应用及其电源解决方案

胡阳 安徽理工大学，淮南 232001

为了研究并优化RGB发光二极管旋转显示屏及其电源解决方案，在系统仿真研究的基础上，设计并改善了无线能量传送电路、无线能量接收电路以及低电压单片机控制系统，在Keil-汇编语言环境下编写了单片机控制程序，制作出PCB电路板并进行了软硬件调试。实验结果表明：所设计的RGB发光二极管旋转显示屏具有良好实用性，其无线能量传送的供电方案完美解决了电源问题，为产品化提供了有力支持。

RGB发光二极管；无线能量传送；无线能量接收；低电压；旋转显示屏；单片机

RGB LED；wireless power transmission；wireless power receiver；low voltage；rotating display；microcontroller

引言

POV LED单色显示屏（Persistence Of Vision Light Emitting Diode Monochromatic Display）又称基于视觉暂留的发光二极管旋转显示屏，由单列单色LED组成，通过旋转产生点阵[1]。利用控制点阵旋转屏中发光二极管亮灭并结合动态扫描以及视觉暂留现象来显示文字、图片、动画等信息[2]。POV LED的发展前景极为广阔，可以进行球面显示、圆面显示、圆柱面显示[3]。本文利用STC89LE52RC低电压单片机及无线能量传送电路，在POV LED单色显示屏的基础上优化、改进，实现一种小型化、易于控制的新型彩色2D电子显示屏。该种器件与POV LED单色显示屏比较有如下优特点：

(1）使用RGB发光二极管，通过色彩组合可以实现彩色显示，解决了POV LED显示屏色调单一的问题、丰富了可显示的内容。

(2）初步探索并采用无线能量传送技术，完美解决了电源问题。

(3）在完全不同的硬件结构上采用数据压缩，可以兼容使用单色显示屏的字模库数据。

1 电源解决方案分析

我们以单色POV LED为例，根据其物理特性，信息的显示需要旋转，对于高速旋转的PCB电路板，通常采用下述供电方案。

1.1 纽扣电池供电

我们以型号为CR1220，电压为3V的纽扣电池为例，其标称容量为40mAh。当使用导通电流为10mA的LED时，16分辨率的LED屏幕同时点亮需要的电流为10×16=160mA，即Imax=160mA。考虑到字模数据占的数据量为0位～16位，通常情况下可取4位～8位，即平均下来持续在亮的灯至少有4个至多有8个。首先取下限计算，所需最小平均电流为IAmin=4×10=40mA，2个CR1220电池并联提供3V电源，在不考虑单片机系统及外围电路的功耗下，仅可以维持(40mAh +40mAh）÷40mA=2h；再取上限计算，IAmax=8×10=80mA仅可以维持(40mAh +40mAh）÷80mA=1h。

即整个系统仅维持LED灯亮，不考虑其他功耗，仅仅可以工作1至2个小时。显然，对于产品化，纽扣电池供电绝对不是经济的解决方案。

电子关封读写器通过RS232串口与PC机通信，串口参数为：波特率9 600，校验位NONE，数据位8，停止位1。命令格式：0xaa+控制命令字+0x00+0x00[+数据内容]+0xab。

1.2 电机抽头供电

由于RGB POV在旋转的时候，转子相对PCB是静止的，故可以从电机线圈中抽头，经过整流后供电。该方法突出缺点是不实用，成品电机线圈抽头繁琐且易损坏线圈。

1.3 无线供电

该方案利用变压器耦合原理，由振荡电路产生振荡信号，通过初级线圈向空间传送能量。次级线圈感应到初级线圈的振荡信号，在线圈中产生交变的电流，通过整流桥获得直流，为单片机系统提供能量。该方法突出优点是产品可以无限续航，且由于摆脱了电池，可以大大减小PCB的体积及重量，该方案将在下节重点阐述。

2 使用无线供电的RGB POV系统

2.1 电磁耦合

电磁耦合对电源工程师来说，再也熟悉不过了，变压器就是利用这个原理来传递能量。如果把变压器的两个绕组分开，就是某种意义上的无线供电。电动牙刷的充电就是个典型案例，但是用电磁耦合的方式有很大的缺点，没有高磁导率的磁芯作为介质，磁力线会严重发散到空气中，导致传递效率下降，特别在两个线圈远离的时候，下降的非常厉害，所以不适合大功率、远距离的无线供电[4]。

2.2 无线供电在旋转屏中的应用

2.3 对于提升无线供电传送效率的探索

无线能量传送电路采用RC振荡电路，它适用于低频振荡，一般用于产生1Hz～1MHz的低频信号。在本例中，发射电路R、C固定，发射频率为10KHz，接收电路带负载后电压在2.2V左右，此时3V单片机系统处于不稳定工作状态。接收波形（上）和发射波形（下）如图1所示。

图1 无线供电接收与发射波形

由于RC振荡电路频率由下面公式确定：

通过在固定电阻Rs上并联可变电阻Rh使得频率f可以调节。Rh的减小使得R减小，从而振荡频率f提高。实验波形显示，随着R的减小，输入电压轻微上升，发射频率显著抬升。在120KHz的发射频率下，接收的波形发生了变化，在带负载情况下，电压明显提升，如图2所示。

图2 调整后的输出与输入波形

经过上述分析，可以得知，无线能量的传送，可以通过增加磁芯来提高传输效率，也可以在其它条件不变的情况下提高发射频率，获得较高的传输效率。通过提高发射频率，最终带负载电压稳定在2.8V，单片机系统可以正常工作。

3 RGB POV系统的硬件及软件设计

3.1 硬件框图分析

控制系统以S T C公司的STC89LE52RC低电压低功耗3V单片机为控制计算核心，整个硬件结构如图3所示。

图3 POV LED硬件框图

由无线能量传送电路发射低频振荡信号，接收电路感应产生交变电流，经过全桥整流形成脉动直流信号，再由电容滤波、稳压之后驱动整个系统工作。单片机负责处理传感器收集的信息，并利用软件压缩数据，输出高低电平控制彩色发光二极管，显示出需要的文字、图片等信息。

3.2 单色POV系统与RGB POV系统数据量比较

彩色信息的显示实际上是R、G、B三种信号叠加、组合形成的[5]。在单色系统中，1位信息即可控制1个LED亮灭，对于显示一个16×16分辨率汉字，信息量为16×16×1÷8=32字节。

而对于彩色系统，3位信息控制1个RGB LED亮灭，同样显示一个16×16分辨率汉字，需要IO口16×3=48个，故在硬件设计上采用锁存器芯片减少IO使用量。本例中使用8个IO口作为数据通道，协同8组74HC573八进制3态非反转透明锁存器[6]，每组控制2个RGB LED。这样6位数据占据了8位数据通道，牺牲了信息传输率，但是硬件上逻辑清晰。通过以上阐述，4位（3位有效数据，1位冗余数据）信息控制1个彩色LED亮灭，故所需信息量为16×16×4÷8=128字节，即显示同样的信息，彩色系统需要的信息量是单色系统的四倍。

3.3 软件数据压缩

所谓软件数据压缩，既使用单色系统的字库数据作为数据流，将彩色信息从数据流中剔除，作为信息流。故从单色字库数据读出的0或1，由信息流控制之后可翻译为4位数据（冗余位数据任意态）实现彩色信息显示。这样128字节数据可由32字节数据翻译得到，仅需要4位的信息流数据，即32字节数据流需要附加0.5字节信息流，数据量为未压缩之前的2v5.39%，极大的提高了数据读取效率及存储空间利用率。

4 结论

4.1 实现了基于视觉暂留现象的彩色文字、图片信息显示，系统运行稳定，无闪烁、抖动现象。

4.2 采用无线供电电源解决方案，配合STC低电压单片机作为整个系统控制核心，采用数据压缩，使得软硬件系统结构紧凑、响应快、控制方便、抗干扰能力强，且可以完全兼容使用单色系统的字模数据库。

4.3 实验表明，该种彩色显示屏可以长时间、低噪声、无故障运转，完美解决了电池供电续航短的缺点。

[1]胡阳. 基于视觉暂留的动态扫描LED旋转屏[J].现代电子技术, 2012, (03）

[2]沈新创,钱平. 基于视觉暂留原理的旋转式线阵LED显示屏开发[J]. 上海应用技术学院学报(自然科学版）, 2007, (02）

[3]邱寄帆. LED电子显示屏原理与实现[J]成都航空职业技术学院学报, 2001, (01）

[4]马文蔚.物理学(中册）[M]. 北京:高等教育出版社,2001

[5]吴君钦，苗瑞瑞，李艳丽.彩色LED 屏驱动扫描关键技术研究[J].液晶与显示,2010,（4）:253～256

[6]郭速学. 图解单片机功能与应用[M]. 北京:中国电力出版社,2007

RGB POV in the Application of Lattice Rotation Display and Power Solutions

Hu Yang Anhui University Of Science & Technology,232001,China

In order to study and optimize the RGB POV rotating display and power solutions, based on the system simulation, design and improved wireless power transmission circuits, wireless power receiver circuits and low voltage control system. Under Keil environment, written assembly language to control MCU, produce a PCB circuit board and finished hardware and software debugging. The results show that: the design of the RGB POV rotation display have good practicability, the energy supply solution of wireless transmission solve the power problem perfectly and providing a strong support for productize.

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.07.068

胡阳，安徽省绩溪县人，安徽理工大学在读硕士研究生、研究方向：电路与系统。