CN111915995A - 全海深耐压显示屏 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种全海深耐压显示屏，包括透明圆筒外壳，所述透明圆筒外壳的两端内部分别设置有防水旋槽，所述防水旋槽上旋接并固定有螺旋舱盖使得透明圆筒外壳内部形成密封舱体，所述密封舱体内安装有LED矩阵集成电路并灌有轻油，一侧所述螺旋舱盖上伸出设置有通信兼电源接口，所述通信兼电源接口与LED矩阵集成电路电性连接，另一侧所述螺旋舱盖上连接有油囊，所述油囊与密封舱体连通。本发明通过密封舱体内灌入轻油并设置一个油囊，保证舱内和舱外的压力一致性，大大减轻舱内压力，保护了电路的稳定，使得显示屏耐压，能在深海使用。

Description

全海深耐压显示屏
技术领域
本发明属于深海技术领域，具体涉及一种全海深耐压显示屏。
背景技术
一个庞大的深海科考项目中包含着大量的不同系统，就目前国内深海科考而言，由于市面上并没有满足全海深耐压设计的显示屏，所以大多数实时数据是依靠传感器组网传输上传至各个系统的上位机显示，这就必然导致各个系统之间的数据共享性产生很大的不便。而且在多个系统共同运行的过程中，如果某条线路数据通信两端一但出现问题，整个系统运行的稳定性就会产生不可预测的结果。
当今随着(遥控潜水器)ROV、AUV(自助式潜水器)的逐步发展，深海科考也逐渐走向更高的水平。而潜水器大多通过电缆向上位机上传海底实时视频数据以及传感器数据，但国内目前用于深海的LED高清显示屏却寥寥无几。
在平时生活中，数据显示都是通过各种显示屏直观显示，但是在深海中，由于其极强的压力导致普通设计的电路集成板无法工作。为了克服现有的海底多系统数据实时共享能力的不足、以及缺乏高质量海底耐高压显示屏产品等问题，并且结合目前海底科考的要求，提高海底多系统作业范围，满足民用、商用等深海作业需求。
发明内容
为解决现在技术存在的上述问题，本发明提供了一种能承受深海海底巨大的压力、RGB全彩显示的全海深耐压显示屏。
本发明采用的技术方案是：
全海深耐压显示屏，其特征在于：包括透明圆筒外壳，所述透明圆筒外壳的两端内部分别设置有防水旋槽，所述防水旋槽上旋接并固定有螺旋舱盖使得透明圆筒外壳内部形成密封舱体，所述密封舱体内安装有LED矩阵集成电路并灌有轻油，一侧所述螺旋舱盖上伸出设置有通信兼电源接口，所述通信兼电源接口与LED矩阵集成电路电性连接，另一侧所述螺旋舱盖上连接有油囊，所述油囊与密封舱体连通。本发明通过密封舱体内灌入轻油并设置一个油囊，保证舱内和舱外的压力一致性，大大减轻舱内压力，保护了电路的稳定，使得显示屏耐压，能在深海使用。
进一步，所述LED矩阵集成电路包括MCU和显示屏，所述显示屏的列矩阵采用若干个移位寄存器驱动点亮，行矩阵采用一个移位寄存器驱动点亮，所述移位寄存器均与MCU电性连接。
进一步，所述MCU兼具有SPI、232、485通信接口，所述显示屏的数据通过SPI通信刷新，所述显示屏的工作模式通过485串口通信设置。SPI通信具有全双工、高速率的性质，它可以以主从方式工作，这种模式不仅支持各个模块独立工作的同时还能进行相互之间的高速通信。
进一步，所述MCU采用意法半导体的STM32，其内置有RC时钟电路。由于海底高压的原因，一般的晶振电路无法正常工作太久时间，所以本发明未使用芯片的外部时钟电路，使用了芯片内置的RC时钟电路作为芯片的时钟。经考察到达海底10000m处时，所受到的压力约为正常大气压的1000倍，本发明选用意法半导体的STM32，采用的是130nm工艺制作，单晶硅所能承受的临界载荷为80MN，经过换算能满足800亿倍的正常大气压力，所以不会对晶圆产生机械损坏，因此RC电路将能够深海正常运行。
进一步，所述显示屏的规格为16*64，列矩阵使用8个移位寄存器74HC595驱动点亮，其中一个移位寄存器74HC595驱动16*8为单位的列矩阵单元，行矩阵采用一个4线16线移位寄存器74HC154驱动点亮。本发明的显示屏具有RGB全彩现实功能。
进一步，所述MCU中的pin9、pin29、pin30与移位寄存器74HC595的输入端连接，MCU中的pin37、pin38、pin39、pin40与线移位寄存器74HC154的输入连接。
进一步，所述通信兼电源接口为一个经过硫化处理的防水接口，通过海底电缆与上位机双向通信连接。
进一步，所述防水旋槽的内部填充有塑胶。
进一步，所述密封舱内固定有一不锈钢薄片，所述LED矩阵集成电路固定在不锈钢薄片上，保证电路不会因为外部抖动而影响系统运行。
进一步，所述透明圆筒外壳的筒壁内覆盖有防光散膜，保证数据的清晰显示。
本发明的有益效果是：
(1)通过密封舱体内灌入轻油并设置一个油囊，保证舱内和舱外的压力一致性，大大减轻舱内压力，保护了电路的稳定，使得显示屏耐压，能在深海使用。
(2)SPI通信具有全双工、高速率的性质，它可以以主从方式工作，这种模式不仅支持各个模块独立工作的同时还能进行相互之间的高速通信。
(3)显示屏具有RGB全彩现实功能。
附图说明
图1为本发明的主视结构示意图。
图2为本发明的俯视结构示意图。
图3为本发明的右视结构示意图。
图4为本发明的左视结构示意图。
图5是本发明的列矩阵驱动电路示意图。
图6是本发明的行矩阵驱动电路示意图一。
图7是本发明的行矩阵驱动电路示意图二。
图8是本发明的MCU电路示意图。
图9是本发明的模式改变流程图。
图中，1为透明圆桶外壳，2为首部螺旋舱盖，3为尾部螺旋舱盖，4为防水旋槽，5为不锈钢薄片，6为LED矩阵集成电路，7为通信兼电源接口，8为油囊，9为固定电路开孔，10为固定舱盖螺丝孔。
具体实施方式
下面结合具体实施例来对本发明进行进一步说明，但并不将本发明局限于这些具体实施方式。本领域技术人员应该认识到，本发明涵盖了权利要求书范围内所可能包括的所有备选方案、改进方案和等效方案。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
参见图1-4，本实施例提供了一种全海深耐压显示屏，包括透明圆筒外壳1，所述透明圆筒外壳1的两端内部分别设置有防水旋槽4，所述防水旋槽4上旋接并固定有螺旋舱盖使得透明圆筒外壳1内部形成密封舱体，所述密封舱体内安装有LED矩阵集成电路6并灌有轻油，一侧所述螺旋舱盖上伸出设置有通信兼电源接口7，所述通信兼电源接口7与LED矩阵集成电路6电性连接，另一侧所述螺旋舱盖上连接有油囊8，所述油囊8与密封舱体连通。本发明通过密封舱体内灌入轻油并设置一个油囊，保证舱内和舱外的压力一致性，大大减轻舱内压力，保护了电路的稳定，使得显示屏耐压，能在深海使用。
本发明整体的形状为圆形桶状，首部螺旋舱盖2和尾部螺旋舱盖3分别为首尾使用高密度螺旋舱盖，防水旋槽4内部填充了塑胶，使用时把透明圆筒外壳1内灌入轻油，将防水旋槽4内部添加塑胶，首部螺旋舱盖2和尾部螺旋舱盖3逐渐螺旋盖上，同时把首部螺旋舱盖2和尾部螺旋舱盖3上的固定舱盖螺丝孔10拧上螺丝，做到舱内全密闭。在透明圆筒外壳1的首部设置了一个油囊8，这样就保证了我们舱内外的压强一致性，可以保证整个显示屏从浅到深的快速变化中，电路装置不会产生问题。在舱内，使用了一块不锈钢薄片5作为固定板，薄片两端开有固定电路开孔9将LED矩阵集成电路6固定住，保证电路不会因为外部抖动而影响系统运行。全桶状的外壳设计在很大程度上分解了很大的海底压力作用，同时在筒壁内还覆盖上了一片防光散膜，保证数据的清晰显示。
本实施例所述LED矩阵集成电路6包括MCU和显示屏，所述显示屏的列矩阵采用若干个移位寄存器驱动点亮，行矩阵采用一个移位寄存器驱动点亮，所述移位寄存器均与MCU电性连接。由于海底高压的原因，一般的晶振电路无法正常工作太久时间，所以本发明未使用芯片的外部时钟电路，使用了芯片内置的RC时钟电路作为芯片的时钟。经考察到达海底10000m处时，所受到的压力约为正常大气压的1000倍，而本实施例的MCU芯片选用意法半导体的STM32，如图8所示，采用的是130nm工艺制作，单晶硅所能承受的临界载荷为80MN，经过换算能满足800亿倍的正常大气压力，所以不会对晶圆产生机械损坏，因此RC电路将能够深海正常运行。
本发明所述MCU兼具有SPI、232、485通信接口，LED矩阵集成电路6的显示屏的显示数据是通过SPI通信来刷新的，SPI通信具有全双工、高速率的性质。它可以以主从方式工作，这种模式不仅支持各个模块独立工作的同时还能进行相互之间的高速通信。
本实施例所述LED矩阵集成电路6的显示屏规格为16*64，具有RGB全彩现实功能，列矩阵使用8个移位寄存器74HC595驱动点亮，一个移位寄存器74HC595驱动16*8为单位的列矩阵单元，行矩阵采用一个4线16线移位寄存器74HC154驱动点亮。移位寄存器74HC595是一个3线8线移位寄存器，把LED矩阵集成电路通过装置底部的通信兼电源接口7挂载到海底通信的SPI总线上，这样就能获得各个传感器数据。接收并解析数据后，通过LED矩阵集成电路6中MCU如图8所示的pin9、pin29、pin30的三个IO口来把解析后的数据作为移位寄存器74HC595的输入来刷新缓存，如图5所示，而行矩阵4线16线移位寄存器74HC154的A、B、C、D 4个IO口分别与MCU的4个IO口pin37、pin38、pin39、pin40连接，移位寄存器74HC154可以生产16路信号，再通过MOS管SDM495来驱动16行矩阵电路点亮LED，如图6、图7所示。
在海底，深海摄像头是多系统数据交互时最常用的图像采集传感器，由于摄像头有固定的帧率(一般为25帧-30帧)，而有些传感器为了凸显它的数据实时性具有非常快的数据采集和刷新率，所以需要显示屏具有较高的刷新率来显示最新数据。为了保证摄像头能够获得最新、最清楚的数据，必须要保证的是显示屏的刷新率在不能低于摄像头帧率的同时也不能是摄像头帧率的倍率。不能低于摄像头刷新率的原因是，如果数据的刷新太慢，摄像头都观测不出来，并且会有明显的卡顿。还要保证不能是摄像头的倍率的原因是，如果是摄像头帧率的倍率，那么终归有些时刻的数据会被摄像头帧率覆盖刷新，以至于丢失了某些时刻的数据，所以本发明严格要求上述两点要求为前提来计算设置LED显示屏的刷新率。
经过测试64M的MCU能够保证SPI的通信速率在海底达到到1M/s的速度，即就是1024KB/s，而本发明具有RGB全彩显示功能，使用到的数据为：8个移位寄存器的数据位为8*8＝64个字节，一个颜色灰度位数为8个字节，所以综上LED显示屏的刷新速率计算公式为：SPI每秒数据量/(移位寄存器数据量*颜色灰度数据量*颜色个数)＝1024KB/(8*8*8*3)≈0.67KB。如果使用单色显示，那么最快刷新速率为：1024K/(8*8)＝16KB,而海底目前适用的摄像头主要为25帧-30帧，本发明屏幕刷新率远远超过目前摄像头的帧率且不为整数倍率，完全满足海底摄像头的数据采集。
本发明兼容SPI、232、485通信方式，末端的通信兼电源接口7是一个经过硫化处理的防水接口，可以通过海底光缆相连，与水面上位机进行数据的双向传输，在保证安全的前提下，保证数据的有效性和实时性。
本发明还考虑到了在数据量较大的系统中正常运行的问题，当数据量庞大且传感器数据刷新速率特别快的情况下，还具有双SPI通信模式，通过装置底部的通信兼电源接口7连接到水面上位机，通过指令来改变整个LED矩阵集成电路6通信模式。同样通信兼电源接口7与水面上位机通信可改变电路的工作模式包括字体颜色改变、唤醒和睡眠模式、字体亮度设置。参见图9，本发明使用图8中MCU的pin43、pin42复用为485串口通信来设置LED矩阵集成电路6的工作模式选择，模式选择通过串口发送请求帧来进行改变，整个请求帧帧包含帧头、帧尾、数据三部分，帧头设置默认0xFF 0XEE，帧尾为0XEE 0XFF，数据桢为4个字节，一个请求帧就是8个字节，当检测到最后帧尾以后，程序会自动返回会去检查接收数据的位数是否为8个字节，从而保证数据传输完整。除了睡眠模式和唤醒模式可以随时切换以外，其他的所有模式变化必须要在唤醒模式开启的条件下，才能更改有效。模式更改命令ID及描述如下表1所示。
表1命令ID及对应描述
Figure BDA0002620309370000081
Figure BDA0002620309370000091
本发明具有工作模式可变的功能，可根据固定的串口协议与上位机进行通信，可进行睡眠、唤醒、亮度更改、显示字体颜色更改、单双SPI模式更改。
应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.全海深耐压显示屏，其特征在于：包括透明圆筒外壳，所述透明圆筒外壳的两端内部分别设置有防水旋槽，所述防水旋槽上旋接并固定有螺旋舱盖使得透明圆筒外壳内部形成密封舱体，所述密封舱体内安装有LED矩阵集成电路并灌有轻油，一侧所述螺旋舱盖上伸出设置有通信兼电源接口，所述通信兼电源接口与LED矩阵集成电路电性连接，另一侧所述螺旋舱盖上连接有油囊，所述油囊与密封舱体连通。
2.根据权利要求1所述的全海深耐压显示屏，其特征在于：所述LED矩阵集成电路包括MCU和显示屏，所述显示屏的列矩阵采用若干个移位寄存器驱动点亮，行矩阵采用一个移位寄存器驱动点亮，所述移位寄存器均与MCU电性连接。
3.根据权利要求2所述的全海深耐压显示屏，其特征在于：所述MCU兼具有SPI、232、485通信接口，所述显示屏的数据通过SPI通信刷新，所述显示屏的工作模式通过485串口通信设置。
4.根据权利要求2所述的全海深耐压显示屏，其特征在于：所述MCU采用意法半导体的STM32，其内置有RC时钟电路。
5.根据权利要求2所述的全海深耐压显示屏，其特征在于：所述显示屏的规格为16*64，列矩阵使用8个移位寄存器74HC595驱动点亮，其中一个移位寄存器74HC595驱动16*8为单位的列矩阵单元，行矩阵采用一个4线16线移位寄存器74HC154驱动点亮。
6.根据权利要求5所述的全海深耐压显示屏，其特征在于：所述MCU中的pin9、pin29、pin30与移位寄存器74HC595的输入端连接，MCU中的pin37、pin38、pin39、pin40与线移位寄存器74HC154的输入连接。
7.根据权利要求1所述的全海深耐压显示屏，其特征在于：所述通信兼电源接口为一个经过硫化处理的防水接口，通过海底电缆与上位机双向通信连接。
8.根据权利要求1所述的全海深耐压显示屏，其特征在于：所述防水旋槽的内部填充有塑胶。
9.根据权利要求1所述的全海深耐压显示屏，其特征在于：所述密封舱内固定有一不锈钢薄片，所述LED矩阵集成电路固定在不锈钢薄片上。
10.根据权利要求1所述的全海深耐压显示屏，其特征在于：所述透明圆筒外壳的筒壁内覆盖有防光散膜。
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