CN102354480A - Led线阵旋转扫描圆盘屏幕 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种LED线阵旋转扫描圆盘屏幕，包括固定支架、供电单元、LED线阵单元、驱动电机和扫描控制单元。LED线阵单元主要由长条状的驱动电路板、以及沿驱动电路板的延伸方向呈直线排列安装在驱动电路板上的n个LED组成。LED线阵单元安装在驱动电机的转轴上，并在驱动电机的带动下旋转。扫描控制单元主要由角同步器、坐标转换器和图象缓存器组成；其中角同步器的输出端与坐标转换器的输入端相连，坐标转换器的输出端与图象缓存器地址线相连，图象缓存器的数据输出端连接LED线阵单元的驱动电路板。本发明能以低廉的成本实现高分辨率的图形显示，还能在节省能耗，减少发热量的同时提高散热效率，从而有效地提高显示装置的可靠性。

Description

LED线阵旋转扫描圆盘屏幕

技术领域

本发明设计一种LED电子显示屏，具体涉及一种LED线阵旋转扫描圆盘屏幕。

背景技术

在现有的公共场所显示装置如店标，招牌，路标，警示标志及广告牌中，广泛采用了LED(发光二极管)点阵显示设备，它以组成图象的象素信号来控制显示屏上相应LED的亮度来重现整幅图象，它的缺陷是：

1、结构复杂，仅一个100x100的点阵所需的LED数量就达到了一万只，不管是动态扫描驱动还是静态驱动，电路元件都非常密集，繁复，成本很高。

2、能耗太大，由于LED数量庞大，整机电流也随之加大，仍以10000只LED，按照每只20毫安的常规工作电流计算，总计可达20安培，光此一项的耗电就达100瓦。

3、可靠性低，由于整机功耗大，热量高，且由于LED密集排列安装，散热不易，遇到天气炎热时极易烧毁，造成图象局部缺失或长亮不熄的现象。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种LED线阵旋转扫描圆盘屏幕，它能以低廉的成本实现高分辨率的图形显示，还能在节省能耗，减少发热量的同时提高散热效率，从而有效地提高显示装置的可靠性。

为解决上述问题，本发明所设计的一种LED线阵旋转扫描圆盘屏幕，包括固定支架、供电单元、LED线阵单元、驱动电机和扫描控制单元；

驱动电机安装在固定支架上，驱动电机前端的转轴上安装有一法兰盘，且该法兰盘的中心与驱动电机的旋转轴线重合；驱动电机与供电单元电连接；

LED线阵单元主要由长条状的驱动电路板、以及沿驱动电路板的延伸方向呈直线排列安装在驱动电路板上的n个LED组成，其中n＞1；上述每两个LED之间的间距相等；驱动电路板与扫描控制单元电连接；LED线阵单元垂直安装在法兰盘前端，驱动电路板首端第一个的LED的中心点与法兰盘的中心重合，驱动电路板末端沿法兰盘的径向向外延伸，LED线阵单元的发光面朝向驱动电机的轴向前方；当法兰盘在驱动电机的带动下旋转时，LED线阵单元的驱动电路板的旋转运动轨迹在法兰盘前方的安装平面上形成一个与旋转轴线垂直的圆盘状屏幕，驱动电路板上的LED的旋转运动轨迹在此屏幕上形成n-1个以驱动电路板首端第一个的LED的中心点为圆心、且半径递加的同心圆扫描线；

扫描控制单元安装在法兰盘上，并跟随法兰盘一并旋转；所述扫描控制单元与安装在固定支架上的供电单元电连接，并主要由角同步器、坐标转换器和图象缓存器组成；其中角同步器的输出端与坐标转换器的输入端相连，坐标转换器的输出端与图象缓存器地址线相连，图象缓存器的数据输出端连接LED线阵单元的驱动电路板。

上述方案中，所述LED线阵单元的个数为1～8个。

上述方案中，所述角同步器包括霍尔开关、永久磁钢和微处理器；其中霍尔开关安装在扫描控制单元的边缘处，永久磁钢则安装在驱动电机前端设有的一个安装支架上，霍尔开关与永久磁钢位置相对；当驱动电机启动时，霍尔开关跟随LED线阵单元和扫描控制单元一同旋转，霍尔开关在靠近永久磁钢时闭合，远离后则断开；霍尔开关的输出端与微处理器的信号输入端电连接。

上述方案中，所述坐标转换器包括转换控制器、转换计数器、正弦函数锁存器组、余弦函数锁存器组、3个乘法器、3个加法器、屏幕半径寄存器和图象宽度寄存器；其中转换控制器的输入端与角同步器输出端的角同步信号Pt相连，转换控制器的输出端与转换计数器相连；正弦函数锁存器组和余弦函数锁存器组的输入端与角同步器输出端的数据信号相连；余弦函数锁存器组的输出端接至乘法器MX的一个输入端，正弦函数锁存器组的输出端连接至乘法器MY的一个输入端；乘法器MX和MY的另一个输入端则同时连接到转换计数器的输出端上；屏幕半径寄存器输出端同时连接到加法器AX和加法器AY的其中一个输入端，加法器AX的另一个输入端连接乘法器MX的输出端，加法器AY的另一个输入端连接乘法器MY的输出端；加法器AY的输出端和图象宽度寄存器输出端分别连接在乘法器MZ的2路输入端上，乘法器MZ的输出端和加法器AX的输出端分别连接在加法器AZ的2路输入端上；加法器AZ的输出端与图象缓存器相连。

上述方案中，当LED线阵单元的个数为2个或2个以上时，所述坐标转换器还包括有线阵选择器；此时正弦函数锁存器组所包含正弦函数锁存器的个数、以及余弦函数锁存器组所包含余弦函数锁存器的个数均与LED线阵单元的个数相同；上述线阵选择器的输入端连接在转换计数器高位输出端上，线阵选择器的多个输出端则分别与不同的LED线阵单元相连。

本发明的工作原理是：显示屏幕是由LED线阵单元旋转时在与轴线垂直的平面上的圆周运动轨迹构成，线阵上的各个LED的运动轨迹形成的是同心圆扫描线而非传统的逐行移动水平扫描线。在象素寻址前本发明采用角同步器和坐标转换器与LED线阵单元配合工作方式，来将LED在圆周上的位置从极坐标转换为直角坐标。它们的工作过程简述如下：通电后，驱动电机带动法兰盘旋转，LED线阵单元和扫描控制单元亦随着法兰盘旋转，LED线阵单元上的各个LED的同心圆运动轨迹在法兰盘前方形成一个垂直于旋转轴的圆盘状屏幕；角同步器在LED线阵单元转到每个刷新点时送出角同步信号Pt，然后送出下一个刷新点角度的正弦和余弦函数；坐标转换器则将LED线阵单元上的各个LED的极坐标参数换算成与图象缓冲矩阵相对应的直角坐标地址，这些地址的象素数据读出后送入LED线阵的寄存器中保存，在下一个刷新点的角同步信号Pt到来时同步刷新到对应的各个LED上，重现各个LED在相应点位的象素状态；随着LED线阵单元不断旋转扫描，上述过程周而复始，不断重复，顺序刷新的象素就在人眼的视觉暂留现象的作用下形成一幅完整的图象。

与现有技术相比，本发明具有如下特点：

1、动态扫描显示的方式可以节省大量的LED和驱动电路，成本低廉；

2、元件数量大幅减少，耗电节省，易于维护；

3、电路充分接触空气，散热良好，工作可靠。

附图说明

图1为本发明一种LED线阵旋转扫描圆盘屏幕的结构侧视图；

图2为本发明一种LED线阵旋转扫描圆盘屏幕的结构正视图；

图3为本发明优选实施例的结构正视图；

图4为本发明一种LED线阵旋转扫描圆盘屏幕的电路原理图；

图5为本发明一种LED线阵旋转扫描圆盘屏幕的角同步流程图；

图6为本发明一种LED线阵旋转扫描圆盘屏幕的坐标转换流程图。

图中标示：1、固定支架；2、供电单元；3、LED线阵单元；3-1、驱动电路板；3-2、LED；4、驱动电机；4-1、法兰盘；5、扫描控制单元；5-1、霍尔开关；5-2、永久磁钢。

具体实施方式

参见图1～图3，本发明一种LED线阵旋转扫描圆盘屏幕包括固定支架1、供电单元2、LED线阵单元3、驱动电机4和扫描控制单元5。其中：

驱动电机4安装在固定支架1上，驱动电机4前端的转轴上安装有一法兰盘4-1，且该法兰盘4-1的中心与驱动电机4的旋转轴线重合；驱动电机4与供电单元2电连接。

构成一个LED线阵旋转扫描圆盘屏幕的LED线阵单元3的个数可以为1个，也可以为多个，在本发明中，LED线阵单元3的个数可以为1～8个。每个LED线阵单元3主要由长条状的驱动电路板3-1、以及沿驱动电路板3-1的延伸方向呈直线排列安装在驱动电路板3-1上的n个LED3-2组成，其中n＞1；在本发明中，16＜n≤256；位于驱动电路板3-1首端的LED3-2编号为LED0，从首端向尾端排列的LED3-2编号依次为：LED0，LED1，LED2，LED3……LED(n-1)。上述每两个LED3-2之间的间距相等；设LED1与LED0的距离为一个间距，即p＝1；LED2至LED0的距离为两个间距，即p＝2；所以从首端至尾端各个LED与LED0之间的距离依次递加为：p＝0，1，2，3……(n-1)。驱动电路板3-1与扫描控制单元5电连接。LED线阵单元3垂直安装在法兰盘4-1前端，驱动电路板3-1首端第一个的LED3-2的中心点与法兰盘4-1的中心重合，驱动电路板3-1末端沿法兰盘4-1的径向向外延伸，LED线阵单元3的发光面朝向驱动电机4的轴向前方；当法兰盘4-1在驱动电机4的带动下旋转时，LED线阵单元3的驱动电路板3-1的旋转运动轨迹在法兰盘4-1前方的安装平面上形成一个与旋转轴线垂直的圆盘状屏幕，驱动电路板3-1上的LED3-2即LED0～LED(n-1)的旋转运动轨迹在此屏幕上形成n-1个以驱动电路板3-1首端第一个的LED3-2的中心点为圆心、且半径递加的同心圆扫描线。其中各个同心圆的半径r等于对应LED3-2与LED0的距离p；这样任意一个LED3-2在不同时间的位置，都可以用极坐标系的极径和极角两个参数表示，在本发明里，极径就是该LED3-2的圆心距，即该LED3-2至圆心LED0的距离p，极角就是LED线阵单元3的刷新点角度即刷新时的圆心角∠A。LED线阵单元3上的各个LED3-2的位置可以表示为：p，∠A。LED0～LED(n-1)的点亮或熄灭由驱动电路板3-1上的电子开关控制，驱动电路板3-1通过插口与扫描控制单元5连接，驱动电路板3-1所需的象素数据和控制信号均由扫描控制单元5通过驱动电路板3-1上的插口送来。

扫描控制单元5安装在法兰盘4-1上、位于LED线阵单元3的后方，并跟随法兰盘4-1一并旋转；所述扫描控制单元5与安装在固定支架1上的供电单元2电连接，并主要由角同步器、坐标转换器和图象缓存器组成；其中角同步器的输出端与坐标转换器的输入端相连，坐标转换器的输出端与图象缓存器地址线相连，图象缓存器的数据输出连接LED线阵单元3的驱动电路板3-1。参见图4。

所述角同步器包括霍尔开关5-1、永久磁钢5-2和微处理器；其中霍尔开关5-1安装在扫描控制单元5的边缘处，永久磁钢5-2则安装在驱动电机4前端设有的一个安装支架上，霍尔开关5-1与永久磁钢5-2位置相对；当驱动电机4启动时，霍尔开关5-1跟随LED线阵单元3和扫描控制单元5一同旋转，霍尔开关5-1在靠近永久磁钢5-2时闭合，远离后则断开；霍尔开关5-1的输出端与微处理器的信号输入端电连接。当驱动电机4旋转时，霍尔开关5-1跟随LED线阵单元3和扫描控制单元5一同旋转。霍尔开关5-1在靠近永久磁钢5-2时闭合，离远后则断开。这样每当LED线阵单元3旋转一周经过0度角时，霍尔开关5-1就向微处理器送出一个脉冲。此脉冲即为标注旋转周期起点的周同步脉冲Pc，Pc的频率Fc就是LED线阵单元3的转速即已知的电机转速。微处理器采用定时器给Pc的间隔计数的方法获得旋转周期Tc后，将其分成m个相等的步进时段Tstep，并在每一个时段的起点发出一个角同步脉冲Pt作为开始信号。两个脉冲Pt之间的间隔就是步进时段Tstep的长度，Tstep＝Tc/m。LED线阵单元3在单个步进时段里的角位移称为步进角∠step，步进角∠step就是一个圆周的1/m，即：∠step＝360/m。每一个周期的m个步进时段与m个步进角一一对应，顺序编号从0到(m-1)。微处理器用一个时段计数器来记录编号，从周同步脉冲Pc开始为时段0，每经过一个时段，时段计数器加一，LED线阵单元3的角位移也增加一个步进角，直到编号为(m-1)的时段结束时，LED线阵单元3也转过最后一个步进角，正好旋转一周回到0度角，霍尔开关5-1发出周同步脉冲Pc，时段计数器复位清零，一切又从头开始。

在每个步进时段的开始瞬间，LED线阵单元3上的所有LED3-2在角同步脉冲Pt的作用下同步刷新；刷新点的角度∠A由时段编号和步进角∠step这两个参数确定；角同步器中采用的各种参数的定义如下：

定义1.Tc＝F0/Fc

定义2.Tstep＝Tc/m

定义3.∠step＝360/m

定义4.∠A＝n×∠step

定义1中Tc为旋转周期，其含义是LED线阵单元3旋转一周所需的时间；F0是用以测量旋转周期Tc的高频计数脉冲的频率，此计数脉冲信号由微处理器的工作时钟分频取得，在本发明中，1MHz≤F0≤4MHz；Fc是周同步脉冲Pc的频率，其含义就是LED线阵单元3的转速，在本发明中，15≤Fc＜50，即每分钟900转至3000转之间，依驱动电机4的转速而定；

定义2和定义3中的m为每周步进时段总数，可由软件设定和更改；Tstep是步进时段，即每个周期Tc的1/m；∠step是步进角，即LED线阵单元3在一个步进时段里的角位移，m值越大，步进时段越短，步进角也越小，刷新间隔就越短，相当于象素的间距也越小，图象的分辨率就越高；但步进时段的长度必须保证坐标转换器能够完成坐标转换和数据传送。在本发明中，m取值不应大于1000。步进角∠step的值由定义3确定，即：∠step＝360/m。

定义4中的∠A是LED线阵单元3的刷新点角度，其含义是以步进角为单位随时段号而递增的累计角位移，因此：∠A＝n×∠step；式中n为时段编号，因为时段总数为m，所以0≤n＜m。

角同步器在LED线阵单元3旋转扫过每个刷新点时准时发出角同步脉冲Pt，然后送出下一个刷新点角度的正弦和余弦函数；这几项工作由微处理器中运行的软件程序执行，程序中采用了两个定时器来控制微处理器的工作时序，第一定时器用以测量脉冲Pc的间隔即旋转周期Tc，第二定时器则用步进时段Tstep来设定定时长度，以使角同步脉冲Pt和刷新点同步对齐；微处理器的运行可分为周同步和角同步两个服务流程，即周同步服务流程和角同步服务流程。其中，

周同步服务流程：每当LED线阵单元3旋转到0度角，霍尔开关5-1即发出周同步脉冲Pc，微处理器收到脉冲Pc后，首先从第一定时器中读取Tc，接着根据定义2重新计算步进时段Tstep的长度，然后用新的Tstep重新设定定时器的溢出速率；最后将时段计数器复位，即时段编号置为零，与LED线阵单元3的0度角同步对齐。

角同步服务流程：每当第二定时器溢出时，LED线阵单元3正好转到一个新的刷新点，微处理器立即发出一个角同步脉冲Pt，然后查表取出下一个刷新点角度的正弦函数和余弦函数并送到坐标转换器；再将时段计数器加一后即退出角同步服务流程。角同步脉冲Pt分成两路，一路直接送到LED线阵单元3作为同步刷新信号，另一路送到坐标转换器作为坐标转换的开始信号。

所述坐标转换器由CPLD或FPGA器件固化逻辑实现，它包括转换控制器、转换计数器、正弦函数锁存器组、余弦函数锁存器组、3个乘法器、3个加法器、屏幕半径寄存器和图象宽度寄存器；其中转换控制器的输入端与角同步器输出端的角同步信号Pt相连，转换控制器的输出端与转换计数器相连；正弦函数锁存器组和余弦函数锁存器组的输入端与角同步器输出端的数据信号相连；余弦函数锁存器组的输出端接至乘法器MX的一个输入端，正弦函数锁存器组的输出端连接至乘法器MY的一个输入端；乘法器MX和MY的另一个输入端则同时连接到转换计数器的输出端上；屏幕半径寄存器输出端同时连接到加法器AX和加法器AY的其中一个输入端，加法器AX的另一个输入端连接乘法器MX的输出端，加法器AY的另一个输入端连接乘法器MY的输出端；加法器AY的输出端和图象宽度寄存器输出端分别连接在乘法器MZ的2路输入端上，乘法器MZ的输出端和加法器AX的输出端分别连接在加法器AZ的2路输入端上；加法器AZ的输出端与图象缓存器相连。

当LED线阵单元3的个数为2个或2个以上时，所述坐标转换器还包括有线阵选择器；此时正弦函数锁存器组所包含正弦函数锁存器的个数、以及余弦函数锁存器组所包含余弦函数锁存器的个数均与LED线阵单元3的个数相同；上述线阵选择器的输入端连接在转换计数器上，线阵选择器的多个输出端则分别与不同的LED线阵单元3相连。

组成坐标转换器的各个器件均采用CPLD(复杂可编程逻辑器件)或FPGA(现场可编程门阵列)构成，所有的计算工作都由编制好的硬件逻辑来进行，以保证坐标转换的高速度完成。各个LED3-2的极坐标参数到直角坐标地址的换算按照下列公式进行：

公式1：X＝p×cosA+maxp

公式2：Y＝p×sinA+maxp

公式3：Pixladdr＝Y×L+X (L≥2maxp+1)

式中X是象素所在的列号；Y是象素所在的行号；p是待换算LED3-2的圆心距(极径)；sinA和cosA是LED线阵单元3在下一个刷新点角度(极角)的正弦和余弦函数；maxp是最大圆心距即屏幕半径；Pixladdr是坐标换算的最终结果，也就是该象素在图象缓冲器存储器中的物理地址；L是待显示的图象缓冲矩阵的宽度。

坐标转换器的各个功能器件完全按照上面三个公式的互相关系来连接，其中转换计数器的输出就是公式1和公式2中的极径p，正弦和余弦函数锁存器组中的数据由角同步器写入，余弦函数锁存器组存放的是cosA，而正弦函数锁存器组存放的则是sinA；屏幕半径寄存器存放的是预设的常数maxp，它的含义是最远端的LED3-2的圆心距，也就是圆盘屏幕的半径。图象宽度寄存器存放的是待显示的图象缓冲矩阵的宽度；坐标转换的结果Pixladr通过总线缓冲器连接到图象缓存器的地址总线，而图象缓存器的数据输出则逐位传送到LED线阵单元3上。

下面以4个LED线阵单元3为例，对本发明进行进一步详细说明：

本实施例采用了四个结构和电路都完全相同的LED线阵单元3，即线阵3A，3B，3C，3D。每个LED线阵单元由64个LED3-2和驱动电路板3-1组成，64个LED3-2在驱动电路板3-1上直线排列安装，位于驱动电路板3-1的首端的LED3-2编号为LED0，从首端向尾端排列的LED3-2编号依次为：LED0，LED1，LED2，LED3……LED63。每两个LED3-2之间的间距相等，LED1与LED0的距离为一个间距，即p＝1；LED2至LED0的距离为两个间距，即p＝2；所以各个LED3-2与LED0的距离也是依次递加为：p＝0，1，2，3……63。4个相同的线阵3A，3B，3C，3D径向垂直安装在法兰盘4-1的前端的同一个平面上，发光面朝向轴向前方，垂直于法兰盘4-1的旋转轴线。相邻的线阵互成90度角，即当线阵3A的圆心角为0度时，3B是90度，3C是180度，3D则是270度。4个线阵的LED0的中心点在法兰盘4-1的轴心延长线上重合，线阵3A的LED0保留，线阵3B，3C，3D的LED0则留空不用，以免互相遮挡。当法兰盘4-1旋转时，4个LED线阵单元3的运动轨迹在其安装平面上形成一个与轴线垂直的圆盘状屏幕。除了LED0在圆心位置不变外，每个线阵的其余63个LED3-2的运动轨迹在同一个平面上构成63个半径递加的同心圆，这些同心圆轨迹就是此屏幕的扫描线，同心圆的半径r就是对应LED的圆心距p。因为4个线阵的旋转圆心重合，2个LED3-2之间的间距相同，所以不同线阵上的圆心距p相同的LED3-2的同心圆轨迹是完全重合的。而由于同一个线阵上所有的LED3-2都排列在穿过圆心的同一条直线上，在同一线阵的所有LED的圆心角也是一致的。任何一个线阵上的LED，都是在一个半径r＝p的同心圆轨迹上运动，它们在任意时间的位置，都可以用极坐标系的极径和极角两个参数表示。在本实施例中里，极径就是该LED3-2的圆心距，即该LED3-2至圆心LED0的距离p，极角就是该LED3-2所在线阵当时的圆心角∠A；4个LED线阵单元的各个LED3-2的位置可分别表示为：

线阵3A：p，∠A

线阵3B：p，∠(A+90)

线阵3C：p，∠(A+180)

线阵3D：p，∠(A+270)

安装在LED线阵单元3上的LED3-2可以为单色发光管，但在本实施例中，四个LED线阵单元3上采用的LED3-2为共阳极三色发光管，每个发光管4个引脚，一个是公共阳极，其余为红，绿，蓝三个阴极。外形为圆形或方形的市售产品均可使用。

在本实施例中，驱动电路板3-1上控制LED的电子开关采用了串行移位输入的16位LED恒流驱动器SMT5026，也可以使用其他同类的兼容芯片替代，例如A6276，TB62706，IT1401等。工作时，数据从串行输入端SDI进入移位寄存器，并在移位脉冲的作用下从低端向高端移位，移位时钟输入端CLK上出现的第一个移位脉冲使SDI端口的数据进入D0，第2个脉冲使其移至D1，这样逐位向高端移动，第16个脉冲时此数据被移至D15并同时出现在输出端口SDO。芯片的锁存端LE控制移位寄存器和输出驱动单元之间的数据传递，当LE为低电平时，16个输出端状态保持不变，当LE变高时，输出端的状态随着移位寄存器的状态改变。输出使能端OE为低电平时，输出端有效，OE变高时，所有的输出端变为高阻状态，输出无效；电流调节端R-EXT用来控制芯片的输出电流，改变R-EXT端上的外接电阻的阻值可以改变输出端吸收的电流，从而改变LED3-2的亮度。

由于4个LED线阵单元3的电路完全相同，所以此处仅以线阵3A为例加以说明，从LED0到LED63共64个LED3-2的阴极按颜色分为红，绿，蓝三组，分别由三组完全相同的驱动电路驱动。每组驱动电路由4片SMT5026级联而成，红色驱动电路的4片驱动器标号为UR1，UR2，UR3，UR4；绿色为UG1，UG2，UG3，UG4；兰色为UB1，UB2，UB3，UB4；每种颜色共有4×16＝64个驱动输出，对应控制从LED0到LED63这64个LED3-2的同一种颜色的阴极。每组LED驱动电路的4个驱动器头尾串联，即每个驱动器的输出端连接到下一个驱动器的输入端，例如UR1的输出端连接到UR2的输入端，UR2的输出端连接到UR3的输入端，UR3的输出端连接到UR4的输入端，UR4的输出端则留空不接。UR1，UG1，UB1这三个驱动器的输入端分别连接到驱动电路板3-1的插口的RED，GREEN，BLUE三个输出端。每个线阵里所有驱动器的移位时钟输入端CLK连接到驱动电路板3-1的插口的移位时钟Pp输出端，而所有的驱动器的数据锁存输入端LE则连接到驱动电路板3-1的插口的角同步脉冲Pt输出端，输出使能端则直接接地，使驱动器的输出端口始终有效。在每个步进时段里，每组驱动电路通过驱动电路板3-1的插口同时分别接收相应颜色的64个象素数据和64个象素移位脉冲Pp；象素数据在移位脉冲Pp的作用下首先移位到D0，然后依次向高位移动，因为每一组LED驱动电路的4个驱动器串联形成64位移位寄存器，最低位是D0，最高位是D63；所以在64个移位脉冲结束后，第一个进入的象素正好移位到D63，此时存有64个象素的64位寄存器正好和64个LED3-2一一对齐；在锁存控制LE输入端收到角同步脉冲Pt瞬间，三组驱动电路的移位寄存器的内容被传递到相应的驱动器输出端，LED0到LED63的状态在同一时间得以刷新。

在本发明优选实施例中，扫描控制单元5与供电单元2电连接，并主要由角同步器、坐标转换器和图象缓存器组成；其中角同步器的输出端与坐标转换器的输入端相连，坐标转换器的输出端与图象缓存器地址线相连，图象缓存器的数据输出连接LED线阵单元的驱动电路板3-1。其中角同步器中的微处理器采用STC11XX系列微处理器，其工作时钟源由时钟振荡器提供。由于本实施例的LED3-2为多色发光管，隐藏在图象缓存器的输出和LED线阵单元3的驱动电路板3-1之间还接有分色单元。

角同步器的霍尔开关5-1采用UGN3020。霍尔开关5-1安装在随法兰盘4-1旋转的扫描控制单元5的边缘，当驱动电机4通电旋转时，霍尔开关5-1跟随4个LED线阵单元3和扫描控制单元5一同旋转。永久磁钢5-2则固定在线阵3A转动到角度为0度时霍尔开关5-1所处位置的附近，霍尔开关5-1在靠近永久磁钢5-2时闭合，离远后则断开，这样每当线阵3A旋转一周经过0度角时，霍尔开关5-1就向微处理器送出一个脉冲。此脉冲即为标注旋转周期起点的周同步脉冲Pc，Pc的频率Fc就是LED线阵单元3的转速；微处理器采用定时器给Pc的间隔计数的方法获得旋转周期Tc后，将其分成400个相等的步进时段Tstep，并在每个时段的起点发出一个角同步脉冲Pt作为开始信号。两个脉冲Pt之间的间隔就是步进时段Tstep的长度，Tstep＝Tc/400。线阵3A在单个步进时段Tstep里的角位移称为步进角∠step，步进角∠step就是一个圆周的1/400，即：∠step＝360/400＝0.9度。每一个周期的400个步进时段与400个步进角一一对应，顺序编号从0到399。微处理器用一个时段计数器来记录时段编号，从周同步脉冲Pc开始为时段0，每经过一个时段，时段计数器加一，线阵3A的角位移也增加一个步进角，直到编号为399的时段结束时，线阵3A也转过第399个步进角，正好旋转一周回到0度角，霍尔开关5-1发出周同步脉冲Pc，时段计数器复位清零，一切又从头开始。

在每个步进时段的开始瞬间，4个LED线阵单元3在角同步脉冲Pt作用下同步刷新，刷新点的角度∠A根据时段编号，步进角，四个线阵的角度差这些参数确定；本实施例中角同步器中采用的各种参数的定义如下：

定义1.Tc＝F0/Fc    (1MHz≤F0≤4MHz，15≤Fc＜50)

定义2.Tstep＝Tc/400

定义3.∠step＝360/400＝0.9

定义4.∠A＝n×0.9(0≤n＜400)

根据定义2和定义3，线阵3A的每一个旋转周期Tc分为400个步进时段Tstep，每一个步进时段里线阵3A的步进角∠step为0.9度；根据定义4即可算出线阵3A在从0到399这400个刷新点的角度；式中n为时段编号。因为相邻线阵的角度相差90度，所以四个线阵的刷新点角度分别为：∠A，∠(A+90)，∠(A+180)，∠(A+270)。

按照上述400个刷新点角度事先准备并编译好的两个正弦和余弦函数表存放在微处理器的程序代码段的高端，微处理器根据时段编号查表即可取出相应的正弦和余弦函数，完全无须进行从时段编号到角度再到函数的换算。

角同步器在线阵3A转至每个刷新点时准时发出角同步脉冲Pt，然后依次送出线阵3A，3B，3C，3D在下一个刷新点角度的正弦和余弦函数；这几项工作均由微处理器中运行的软件程序执行。

如图5所示，微处理器在完成初始化设置后即循环等待INT0中断或者T1溢出中断信号，并根据收到的信号进入下面两个工作流程中的一个：

INT0中断：周同步脉冲Pc触发中断后，微处理器进入周同步服务流程执行以下动作：1)从定时器0中读取Tc，2)重新计算步进时段Tstep的长度，3)重新设定定时器T1，4)时段计数器清零以保持与线阵3A的0度角同步，完成后返回主程序继续循环等待。

T1溢出中断：在T1溢出触发中断后，微处理器进入角同步服务流程并执行以下动作：1)发出一个角同步脉冲Pt，2)连续查表读取并送出4个LED线阵单元3在下一个刷新点角度的正弦和余弦函数，3)时段计数器加一，完成后返回主程序继续循环等待中断信号。

在用时段编号为指针查表读取函数时，取出的是线阵3A当前刷新点角度的函数，将查表指针加上100，即每周时段总数的1/4，读取到的就是递加90度角的函数，即线阵3B的刷新点角度的函数，然后再重复操作两次，即可将线阵3C，线阵3D的刷新点角度的函数也依次读取出来；查表指针每次加上100后，必须要用400取模，以免超过最大时段编号而出错，具体的操作步骤参见图5所示的角同步器工作流程。

由于本实施例采用的LED线阵单元3的个数不止1个，因此坐标转换器还需要加入线阵选择器。即本实施例的坐标转换器包括转换计数器，线阵选择器，包含4个正弦函数锁存器的正弦函数锁存器组、包含4个余弦函数锁存器的余弦函数锁存器组、3个乘法器MX，MY，MZ、3个加法器AX，AY和AZ、屏幕半径寄存器和图象宽度寄存器。

坐标的换算按照下列公式进行：

公式1：X＝p×cosA+maxp

公式2：Y＝p×sinA+maxp

公式3：Pixladdr＝Y×L+X (L≥2maxp+1)

式中X是象素所在的列号，Y是象素所在的行号，p是待换算LED3-2的圆心距(极径)，sinA，cosA是圆心角(极角)的正弦，余弦函数，maxp是最大圆心距即屏幕半径，在本实施例中，屏幕半径＝maxp＝63；Pixladdr最终的计算结果，也就是该象素在存储器中的物理地址；L是待显示的图象缓冲矩阵的宽度，在本实施例中，图象宽度L≥2maxp+1，其中2maxp+1＝127。

坐标转换器的各个功能器件完全按照上述三个公式的互相关系来连接，其中转换计数器的低6位输出就是公式1和公式2中的极径p，余弦函数锁存器组输出的是cosA，而正弦函数锁存器组输出的则是sinA；屏幕半径寄存器存放的是预设的常数maxp，它的含义是最远的LED3-2的圆心距，也就是圆盘屏幕的半径，在此实施例中，最远端的LED3-2的p值为63，而位于圆心的LED3-2的p值为0。图象宽度寄存器存放的是待显示的图象缓冲矩阵的宽度；在本实施例中，图象宽度L≥2maxp+1，即L≥127。坐标转换的结果Pixladr通过线阵选择器连接到图象缓存器的地址总线上，而图象缓存器的数据输出则通过象素处理器后分为RGB三色送到LED线阵单元3的象素输入端。

正弦函数锁存器组和余弦函数锁存器组这两个寄存器组每组各有A，B，C，D四个寄存器；第一正弦函数锁存器组和第一余弦函数锁存器组为一对，存放线阵3A的函数sinA和cosA；第一正弦函数锁存器组和第一余弦函数锁存器组为一对，存放线阵3B的函数sin(A+90)和cos(A+90)；第一正弦函数锁存器组和第一余弦函数锁存器组为一对，存放线阵3C的函数sin(A+180)和cos(A+180)；第一正弦函数锁存器组和第一余弦函数锁存器组为一对，存放线阵3D的函数sin(A+270)和cos(A+270)；每一对正弦函数锁存器组和余弦函数锁存器组的输出使能端连接在一起，A，B，C，D四对寄存器分别由线阵选择器的4个译码输出端Y3，Y2，Y1，Y0控制，被选中的寄存器才能输出其所存放的函数进行坐标转换。而这四对寄存器的锁存输入则是由微处理器控制，以便U1将各个线阵的正弦，余弦函数分别输入。

转换控制器是一个RS触发器，它的置位输入端连接到角同步器的角同步脉冲Pt输出端，而复位输入端连接到转换计数器的借位输出端，它的输出端连接到与门G1的一个输入端，控制象素移位脉冲的通和断；在角同步脉冲Pt到来时，转换控制器被置位，输出变高，G1开放，象素移位脉冲Pp通道打开；转换计数器开始减计数；而当借位脉冲Pb送到复位输入端时，转换控制器复位，它的输出变为低电平，与门G1被封锁，象素移位脉冲Pp通路被断开，转换计数器即停止工作。

转换计数器是一个可预置数的8位减计数器，它的低6位输出Q5-Q0作为待转换的LED3-2的极径p送到MX，MY这两个乘法器的输入端口，它的高2位输出Q7，Q6则连接到线阵选择器的选通地址输入A1，A0。转换计数器的计数脉冲就是与门G1输出的象素移位脉冲Pp。而它的预置端则由角同步脉冲Pt控制，在此实施例中，转换计数器的预置数固定为255(FFH)；每当预置控制端PL接收到角同步器送来的角同步脉冲Pt，转换计数器的值即被置为255(FFH)；而每收到一个计数脉冲，转换计数器即执行一次减一计数；当转换计数器递减到0后，下一个计数脉冲将使转换计数器的值从0翻转为FFH(255)，同时在借位输出端口送出一个借位脉冲Pb。转换控制器被复位，与门G1被封锁，转换计数器停止计数，输出状态保持不变，等待下一个角同步脉冲Pt的到来。

线阵选择器是一个2线转4线译码器；它的两个地址输入端A1，A0连接到转换计数器的高2位输出端Q7，Q6，它的4个输出端Y3，Y2，Y1，Y0分别控制两组函数寄存器的4个输出使能端和象素移位脉冲的4个输出通道，在转换计数器的值从255递减到192期间，A1，A0＝11，PDECODER的Y3输出有效，转换计数器的值从191递减到128期间，A1，A0＝10，Y2输出有效，转换计数器的值从127递减到64期间，A1，A0＝01，Y1输出有效；转换计数器的值小于64时，A1，A0＝00，Y0输出有效。

另外，本实施例的坐标转换器还包括一线总线选择器，该总线选择器是一个2选1的总线开关，它除了在主机对图象缓存器进行读写的瞬间将主机输出的地址送到图象缓存器的地址总线上之外，在其余的时间都是将坐标转换器的输出端与图象缓存器的地址总线保持在连通状态。

时钟振荡器是本实施例的时钟源，它除了给微处理器提供工作时钟外，还通过与门G1，G2，G3，G4，G5的控制分别提供转换计数器的计数脉冲和4个LED线阵单元3的象素移位脉冲；它的工作频率的选择与LED3-2的总数和刷新频率相关，本实施例安装4个LED线阵单元3，每个线阵64个LED3-2，共有256个LED3-2，因此在每个步进时段里必须完成256个坐标转换和串行移位动作，但加上延迟和等待时间后，实际的工作频率应比理论计算值要略高一些；本实施例每周分为400个步进时段，在线阵的转速为每分钟3000转即每秒50转时，Pt＝50×400＝20KHz，Pp≥50×400×256＝5.12MHz；所以时钟振荡器的频率最低可定为6MHz，当输出频率定为12MHz时，LED线阵单元3的转速从每分钟750转到6000转变化均可正常工作。(本实施例所采用的LED驱动器芯片SMT5026的工作频率可达25MHz，微处理器为STC11XX系列芯片，最高工作频率可达33MHz，而构成坐标转换器的CPLD或FPGA逻辑器件的工作频率可达50MHz以上)

在每个步进时段开始的瞬间，角同步脉冲Pt将常数255(全1)打入转换计数器；随后转换计数器在计数脉冲作用下从255递减到0；坐标转换的256个进程分为4个阶段，每个阶段64个进程；转换计数器的低6位输出端D5-D0在每个阶段都是从63递减到0；如前所述，此低6位输出是作为极径p送到乘法器MX和MY的输入端，分别与正弦，余弦函数相乘来获得此极径的LED3-2的直角坐标，因此每个阶段的64个进程就把所有64个LED3-2的坐标转换了一遍，转换的顺序是从远端到近端，即从最远的极径p＝63的LED63开始到LED0结束此线阵的地址转换。在第一个阶段里，转换计数器从255递减到192，其高2位输出端Q7，Q6的电平为1，1；线阵选择器的Y3输出端有效，第一正弦函数锁存器组和第一余弦函数锁存器组的输出被Y3使能，sinA和cosA被送到MX，MY这两个乘法器的输入端，此时转换的是线阵3A的LED3-2的象素地址。而当进入第二阶段，即第65个进程开始时，转换计数器的值已递减至191，其高2位输出端Q7，Q6的电平变为1，0，与之相连的线阵选择器的地址输入端A1，A0也随之变为1，0，线阵选择器的输出由Y3有效变为Y2有效，第二正弦函数锁存器组和第二余弦函数锁存器组的输出被Y2使能，sin(A+90)和cos(A+90)被送到MX，MY输入端，开始转换线阵3B的64个LED3-2在此时段的坐标。在接下来的第三和第四阶段，上述过程重复进行，Y1，Y0输出端相继有效，第三正弦函数锁存器组和第三余弦函数锁存器组保存的函数sin(A+180)和cos(A+180)，以及第四正弦函数锁存器组和第四余弦函数锁存器组保存的函数sin(A+270)和cos(A+270)依次被送到乘法器MX和MY进行坐标转换。除了函数寄存器外，线阵选择器的4个输出端Y3，Y2，Y1，Y0还控制着4个LED线阵单元3的移位脉冲通道，在第一阶段，Y3输出有效，移位脉冲Pp从第一驱动电路板3-1上的插口输出到线阵3A的移位时钟输入端。第二阶段，Y2输出有效，Pp从第二驱动电路板3-1上的插口送到线阵3B的移位时钟输入端。第三阶段，Y1输出有效，Pp从第三驱动电路板3-1上的插口送到线阵3C的移位时钟输入端。第四阶段，Y0输出有效，Pp从第四驱动电路板3-1上的插口送到线阵3D的移位时钟输入端。因此，在转换一个线阵的64个LED3-2的象素地址时，这个线阵的移位时钟通道亦同时处于开放状态，这64个地址中读出的象素数据即随着坐标转换进程被逐位送入此线阵。其它线阵的象素输入端此时虽然也收到了数据，但是没有收到移位脉冲Pp，象素数据是无法进入的。

本实施例的工作过程如下：

电源接通后，供电单元2将外部输入的220V电源转变为两路输出，一路送至驱动电机4，从而带动法兰盘4-1、扫描控制单元5及4个LED线阵单元3一起旋转；另一路通过碳刷和集电环送至随电机旋转的扫描控制单元5和4个LED线阵单元3上。

角同步器按照图5的工作流程运行，霍尔开关5-1每旋转一周输出一个周同步脉冲Pc，微处理器根据Pc的间隔将LED线阵单元3的旋转周期分成400个相等的步进时段；在每一个步进时段的开始瞬间，微处理器先送出一个角同步脉冲Pt，然后将线阵3A，3B，3C，3D在下一个刷新点角度的正弦，余弦函数分别写入坐标转换器的正弦锁存器和余弦锁存器里；

坐标转换器在每个步进时段的转换进程由角同步脉冲Pt触发启动，脉冲Pt将常数255打入转换计数器的同时将转换控制器触发置位，与门G1开放；此时转换计数器和线阵选择器处于第一阶段的第一进程状态，转换计数器的低6位输出63作为极径p送往乘法器MX，MY的输入端，转换计数器的高2位输出Q7，Q6的电平为1，1，线阵选择器的Y3输出有效，线阵3A的第一正弦和余弦函数寄存器均被Y3选通，sinA和cosA被分别送往乘法器MY和MX的另一个输入端与极径p相乘；坐标转换器在获得线阵3A的LED63在此时段的象素地址后送至图象缓存器的地址总线；读出此象素数据后按颜色分开同时通过4个LED线阵单元3的驱动电路板3-1的插口送到线阵3A，3B，3C，3D；此时与门G2被Y3打开，G3，G4，G5关闭，移位脉冲Pp只能通过第一驱动电路板3-1的插口送出，所以在此阶段，象素数据只能通过第一驱动电路板3-1的插口进入线阵3A；由于脉冲Pp同时也是转换计数器的计数脉冲，转换计数器接收到脉冲Pp后亦同时作减一计数，进入第二进程，转换计数器低6位输出的极径p变为62，但其高2位输出端Q7，Q6仍然不变，所以此时线阵选择器选通的正弦和余弦函数锁存器组保持不变，移位时钟通道也保持不变，坐标转换器输出线阵3A上LED62的象素地址，此地址读出的数据亦被随后的移位脉冲Pp打入线阵3A；随着转换计数器逐一递减，上述转换进程不断重复，直到完成64个转换进程后，LED0的象素数据也被打入线阵3A，转换进程进入第二阶段的进程65，此时转换计数器的高2位输出端Q7，Q6的电平变为1，0；线阵选择器的输出端亦随之变为Y2有效，与门G3开放，G2，G4，G5关闭，第二正弦函数寄存器和第二余弦函数寄存器输出有效，sin(A+90)，cos(A+90)被送往乘法器MY，MX，转换计数器的低6位输出的极径p变回63，接下来的64个移位脉冲Pp又将LED63至LED0的象素坐标逐个转换并通过第二驱动电路板3-1的插口送入线阵3B；第二阶段完成之后，接下来的第三阶段和第四阶段完全重复上述过程，直到处理完4个线阵上的所有LED3-2在此时段的对应象素。在第256个移位脉冲Pp将最后一个象素通过第四驱动电路板3-1插口送入线阵3D的同时，转换计数器翻转回到最大值，借位输出端BR送出脉冲Pb，转换控制器被复位，与门G1被封锁，转换计数器停止计数，输出状态保持不变，等待下一个步进时段的到来。

如上所述，每个LED线阵单元3在每个步进时段里连续接收64个移位脉冲Pp；从高到低移入64个象素，即从LED63开始，到LED0结束；因为每一组LED驱动电路板3-1的4个驱动器串联形成64位移位寄存器，从最低位D0进入向高端移动，最高位是D63；所以在64个脉冲结束后，第一个进入的象素正好移位到D63，此时64个象素正好和64个LED3-2一一对齐；一个线阵的64个象素接收完后，线阵选择器将移位脉冲通道转换到下一个线阵，又开始传送下一组64个象素，如图6的转换进程表所示，四个线阵的象素传送顺序是线阵3A，线阵3B，线阵3C，线阵3D。在四个线阵的象素数据传送完毕后，转换计数器正好翻转，转换控制器被借位脉冲Pb复位，G1关断，移位脉冲Pp被封锁，四个线阵均收不到移位脉冲Pp，LED驱动电路板3-1中移位寄存器的象素保持不变，直到下一个刷新点，角同步脉冲Pt送到各个线阵锁存控制端LE的瞬间，所有LED驱动电路板3-1里移位寄存器的内容被打入对应的驱动单元，四个线阵上的所有LED3-2的状态在同一时间被刷新到新的象素状态。随后坐标转换器又开始进行新一轮的地址换算，四个线阵又开始接收新的象素，为下一次刷新作好准备；随着驱动电机4的高速转动，四个LED线阵单元3绕轴旋转扫过圆盘状屏幕，所过之处各个LED3-2重现该处的象素，这样周而复始，不断刷新的象素就在人眼视觉暂留现象的作用下形成一幅完整的图象。

Claims (5)

1.LED线阵旋转扫描圆盘屏幕，其特征在于：包括固定支架(1)、供电单元(2)、LED线阵单元(3)、驱动电机(4)和扫描控制单元(5)；其中

驱动电机(4)安装在固定支架(1)上，驱动电机(4)前端的转轴上安装有一法兰盘(4-1)，且该法兰盘(4-1)的中心与驱动电机(4)的旋转轴线重合；驱动电机(4)与供电单元(2)电连接；

LED线阵单元(3)主要由长条状的驱动电路板(3-1)、以及沿驱动电路板(3-1)的延伸方向呈直线排列安装在驱动电路板(3-1)上的n个LED(3-2)组成，其中n＞1；上述每两个LED(3-2)之间的间距相等；驱动电路板(3-1)与扫描控制单元(5)电连接；LED线阵单元(3)垂直安装在法兰盘(4-1)前端，驱动电路板(3-1)首端第一个的LED(3-2)的中心点与法兰盘(4-1)的中心重合，驱动电路板(3-1)末端沿法兰盘(4-1)的径向向外延伸，LED线阵单元(3)的发光面朝向驱动电机(4)的轴向前方；当法兰盘(4-1)在驱动电机(4)的带动下旋转时，LED线阵单元(3)的驱动电路板(3-1)的旋转运动轨迹在法兰盘(4-1)前方的安装平面上形成一个与旋转轴线垂直的圆盘状屏幕，驱动电路板(3-1)上的LED(3-2)的旋转运动轨迹在此屏幕上形成n-1个以驱动电路板(3-1)首端第一个的LED(3-2)的中心点为圆心、且半径递加的同心圆扫描线；

扫描控制单元(5)安装在法兰盘(4-1)上，并跟随法兰盘(4-1)一并旋转；所述扫描控制单元(5)与安装在固定支架(1)上的供电单元(2)电连接，并主要由角同步器、坐标转换器和图象缓存器组成；其中角同步器的输出端与坐标转换器的输入端相连，坐标转换器的输出端与图象缓存器地址线相连，图象缓存器的数据输出端连接LED线阵单元(3-1)的驱动电路板(3-1)。

2.根据权利要求1所述的LED线阵旋转扫描圆盘屏幕，其特征在于：所述LED线阵单元(3)的个数为1～8个。

3.根据权利要求1或2所述的LED线阵旋转扫描圆盘屏幕，其特征在于：所述角同步器包括霍尔开关(5-1)、永久磁钢(5-2)和微处理器；其中霍尔开关(5-1)安装在扫描控制单元(5)的边缘处，永久磁钢(5-2)则安装在驱动电机(4)前端设有的一个安装支架上，霍尔开关(5-1)与永久磁钢(5-2)位置相对；当驱动电机(4)启动时，霍尔开关(5-1)跟随LED线阵单元(3)和扫描控制单元(5)一同旋转，霍尔开关(5-1)在靠近永久磁钢(5-2)时闭合，远离后则断开；霍尔开关(5-1)的输出端与微处理器的信号输入端电连接。

4.根据权利要求1或2所述的LED线阵旋转扫描圆盘屏幕，其特征在于：所述坐标转换器包括转换控制器、转换计数器、正弦函数锁存器组、余弦函数锁存器组、3个乘法器、3个加法器、屏幕半径寄存器和图象宽度寄存器；其中转换控制器的输入端与角同步器输出端的角同步信号Pt相连，转换控制器的输出端与转换计数器相连；正弦函数锁存器组和余弦函数锁存器组的输入端与角同步器输出端的数据信号相连；余弦函数锁存器组的输出端接至乘法器MX的一个输入端，正弦函数锁存器组的输出端连接至乘法器MY的一个输入端；乘法器MX和MY的另一个输入端则同时连接到转换计数器的输出端上；屏幕半径寄存器输出端同时连接到加法器AX和加法器AY的其中一个输入端，加法器AX的另一个输入端连接乘法器MX的输出端，加法器AY的另一个输入端连接乘法器MY的输出端；加法器AY的输出端和图象宽度寄存器输出端分别连接在乘法器MZ的2路输入端上，乘法器MZ的输出端和加法器AX的输出端分别连接在加法器AZ的2路输入端上；加法器AZ的输出端与图象缓存器相连。

5.根据权利要求4所述的LED线阵旋转扫描圆盘屏幕，其特征在于：当LED线阵单元(3)的个数为2个或2个以上时，所述坐标转换器还包括有线阵选择器；此时正弦函数锁存器组所包含正弦函数锁存器的个数、以及余弦函数锁存器组所包含余弦函数锁存器的个数均与LED线阵单元(3)的个数相同；上述线阵选择器的输入端连接在转换计数器高位输出端上，线阵选择器的多个输出端则分别与不同的LED线阵单元(3)相连。

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