CN112634815B - 一种三维led立体显示装置的驱动装置及驱动方法 - Google Patents

一种三维led立体显示装置的驱动装置及驱动方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三维LED立体显示装置的驱动装置及驱动方法，属于三维LED立体显示技术领域。所述驱动装置包括若干控制电路板，所述若干控制电路板采用立体叠加式的方式连接，每个控制电路板包括主控板和输出控制板，所述主控板与所述输出控制板连接。本发明采用多达144个IO端口的主控芯片，解决了并行传输占用大量信号线的问题；且采用了独立式输出控制板，解决了随着LED规模增大线路会越来越复杂问题。使得LED亮灯响应更快，亮度不受影响。

Description

一种三维LED立体显示装置的驱动装置及驱动方法
技术领域
本发明涉及一种三维LED立体显示装置的驱动装置及驱动方法，属于三维LED立体显示技术领域。
背景技术
随着时代的进步和产品的日益丰富，传统的平面广告已经无法满足商家的广告推广需要。立体化程度高、对顾客吸引力强、可智能控制和灵活显示效果的需求日渐强烈。人们的注意力只会被动态炫彩的广告所吸引，而LED立方体可以将用户欲传达的信息以立体的文字和动画展现给人们。物以稀为贵，绚丽多彩的LED立方体这一新颖的表现性有着巨大的市场前景和上升空间，它的出现会赚足人们的眼球。
采用LED立方体完成的作品具有“炫，酷，新”的特点。能够根据客户需求，营造不同主题，例如生日Party、同学聚会等。目前市面上的广告牌匾多为2DLED显示屏，只能够单纯的点亮和熄灭，显示简单的文字和图片，并不能给人们直观的感受和冲击感，人们走在大街上很少会注意滚动的LED文字广告。包括最绚丽的广州塔、台北101等，它们的LED显示屏也是通过平面LED对塔体进行包裹，从而让人们在视觉上感觉近似于3D的感觉，但归根结底还是2D，不能与真正3D的显示观感相提并论。根据调查发现，目前全国绝大部分城市无论是在娱乐场所、餐饮场所、商圈、写字楼等都没有类似的可以显示文字和动画效果的LED立方体，人们对LED立方体的认知还处在较为初级的阶段，其强大的展示功能势必会收到比市场上其他类产品更好的反馈效果。可见这一大块的市场空缺。
酒吧、KTV、游乐园、商场等娱乐场所灯光设施的效果直接影响了客流量的大小，从而影响了盈利和人气，所以3D立体吊灯在将来会有大量的市场需求。
由于作品的上述特点，给娱乐业开辟了新的创新服务模式，该模式顺应青年压力释放、情感沟通、人们对美好生活的具体呈现。
目前LED显示屏几乎都采用串行传输方式。数据串行传输可以大大简化传输线路，控制电路可以只用一根信号线，将列数据一位一位传往列驱动器。但是传输速度比较慢，数据要经过并行到串行和串行到并行两次变换，因此列数据的准备时间较长，在行扫描周期确定的情况下，留给行显示的时间就少一些，以至影响到LED的亮度。
发明内容
本发明的目的是提出一种三维LED立体显示装置的驱动装置及驱动方法，采用数据并行传输方式，解决了三维LED立体显示并行传输存在的问题。
一种三维LED立体显示装置的驱动装置，所述驱动装置包括控制电路板，控制电路板包括主控板和输出控制板，所述主控板与所述输出控制板连接，其中，
所述主控板包括主控芯片最小系统、层选控制芯片组、行选控制芯片组和列选控制芯片组，所述主控芯片最小系统分别连接所述层选控制芯片组、行选控制芯片组和列选控制芯片组，
所述输出控制板包括输入模块、处理模块和输出模块，所述输入模块、处理模块和输出模块依次连接，
其中，所述输入模块包括数据输入单元和行选输入单元，
所述数据输入单元，用于将所在输出控制板设置成控制指定若干列的LED，接收来自所述主控芯片最小系统的D0-D31、D32-D63两组行选信号中的一组，
所述行选输入单元，用于将所在输出控制板设置成控制指定若干行的LED，接收来自所述主控芯片最小系统的L0-L31、L32-L63两组行选信号中的一组；
所述处理模块，包括128块74HC573锁存芯片，所述128块74HC573锁存芯片分为16组，每组8块74HC573芯片对应一个输出模块，用于接收数据输入单元、行选输入单元的输入信号，生成输出信号传输至所述输出模块；
所述输出模块，包括十六个64P牛角座母座，所述处理模块中的每一组74HC573锁存芯片对应一个64P牛角座母座，用于将所述输出信号传输至三维LED立体显示装置中的最小单元，每个最小单元配备一块最小单元LED控制板，它接收来自输出控制板的64路排线，并将信号分配给8组2*4mm排母，所述8组排母分别连接到该最小单元的8个纵向LED灯条，最终再连接至横向LED灯条，通过所述最小单元LED控制板，实现整个最小单元的每一个LED的点亮控制。
进一步的，所述主控芯片最小系统，用于控制所述层选控制芯片组、行选控制芯片组和列选控制芯片组工作，采用STM32H743I主控芯片。
所述层选控制芯片组，用于受所述主控芯片最小系统控制，发出层选信号给所述层选控制板，通过1至Z_DIM层的快速扫描切换，显示一幅立体图案，Z_DIM为三维LED立体显示装置的Z轴方向像素点数，即层数，所述层选控制芯片采用74HC154，同一时间只给三维LED立体显示装置的一层供电；
所述行选控制芯片组，用于输出行选控制信号输出至指定的输出控制板，行选控制芯片组包括四个74HC154和11个74HC04；
所述列选控制芯片组，用于将所述主控芯片最小系统输出的列选控制信号放大，并将放大后的列选控制信号输出至指定的输出控制板，每个列选控制芯片均采用74HC573。
进一步的，所述列选控制芯片组包括64路IO端口、74HC573-1单元、74HC573-2单元、74HC573-3单元、74HC573-4单元、74HC573-5单元、74HC573-6单元、74HC573-7单元、74HC573-8单元、32口插座Data1和32口插座Data2；
所述主控芯片最小系统连接64路IO端口，所述64路IO端口分别连接74HC573-1单元、74HC573-2单元、74HC573-3单元、74HC573-4单元、74HC573-5单元，74HC573-6单元、74HC573-7单元和74HC573-8单元，所述74HC573-1单元、74HC573-2单元、74HC573-3单元和74HC573-4单元连接32口插座Data1，所述74HC573-5单元、74HC573-6单元、74HC573-7单元和74HC573-8单元连接32口插座Data2；
所述行选控制芯片组包括74HC154-1单元、74HC154-2单元、74HC154-3单元、74HC154-4单元、信号反相74HC04-1单元、信号反相74HC04-2单元、信号反相74HC04-3单元、信号反相74HC04-4单元、信号反相74HC04-5单元、信号反相74HC04-6单元、信号反相74HC04-7单元、信号反相74HC04-8单元、信号反相74HC04-9单元、信号反相74HC04-10单元、信号反相74HC04-11单元、32口插座Chip1和32口插座Chip2；
所述主控芯片最小系统连接74HC154-1单元、74HC154-2单元、74HC154-3单元和74HC154-4单元，所述74HC154-1单元连接信号反相74HC04-1单元、信号反相74HC04-2单元和信号反相74HC04-3单元，74HC154-2单元连接信号反相74HC04-4单元、信号反相74HC04-5单元和信号反相74HC04-6单元，所述74HC154-3单元连接信号反相74HC04-7单元、信号反相74HC04-8单元和信号反相74HC04-9单元，74HC154-4单元连接信号反相74HC04-10单元、信号反相74HC04-11单元，所述信号反相74HC04-1单元、信号反相74HC04-2单元、信号反相74HC04-3单元、信号反相74HC04-4单元、信号反相74HC04-5单元和信号反相74HC04-6单元连接32口插座Chip1，所述信号反相74HC04-7单元、信号反相74HC04-8单元、信号反相74HC04-9单元、信号反相74HC04-10单元和信号反相74HC04-11单元连接32口插座Chip2；
所述层选控制芯片组包括4路IO端口、74HC154单元、P-MOS1、P-MOS2、P-MOS3、P-MOS4、P-MOS5、P-MOS6、P-MOS7、P-MOS8、P-MOS9、P-MOS10、P-MOS11、P-MOS12、P-MOS13、P-MOS14、P-MOS15、P-MOS16、1层供电端子、2层供电端子、3层供电端子、4层供电端子、5层供电端子、6层供电端子、7层供电端子、8层供电端子、9层供电端子、10层供电端子、11层供电端子、12层供电端子、13层供电端子、14层供电端子、15层供电端子和16层供电端子；
所述主控芯片最小系统连接4路IO端口，所述4路IO端口连接74HC154单元，所述74HC154单元分别连接P-MOS1至P-MOS16，P-MOS1至P-MOS16分别与1层供电端子至16层供电端子一一对应连接。
一种三维LED立体显示装置的驱动方法，应用于上述的一种三维LED立体显示装置的驱动装置，其中，X_DIM为列数，Y_DIM为行数，Z_DIM为层数，所述驱动方法包括以下步骤：
步骤一、根据当前帧图案，将第一层X_DIM*Y_DIM个LED状态数据依次通过行选控制芯片传入处理模块中，控制层选控制芯片打开第一层LED总控制开关，使第一层LED得电；
步骤二、第一层LED按照指定图案点亮一段时间t；
步骤三、向处理模块传输下一层LED的状态数据，断开前一层，通过层选控制芯片开启下一层LED总控制开关，使下一层得电；
步骤四、下一层LED按照指定图案点亮一段时间t；
步骤五、判断是否扫描到第Z_DIM层LED，若是，则完成一轮扫描，即当前帧，根据下一帧图案，重新执行步骤一；否则，返回步骤三，继续完成当前帧。
进一步的，t的值小于1/24秒，即扫描频率高于24HZ。
本发明的主要优点是：本发明采用多达144个IO端口的主控芯片，解决了并行传输占用大量信号线的问题；且采用了独立式输出控制板，解决了随着LED规模增大线路会越来越复杂问题。使得LED亮灯响应更快，亮度不受影响。
本发明打破了传统三维LED立体显示中只能固定规模显示的限制，可以在使用同一块主控板控制的基础上，实现最多横向64点、纵向64点、垂直向32点的三维LED立体显示。创新设计三维LED最小单元，可以根据用户的需求，个性化设置三个方向的点数，并且可以在后期维护更新过程中，灵活提升点数。
本发明打破了传统三维LED立体显示驱动程序与LED规模严格对应的限制，提升了驱动程序的通用性和可移植性，使得驱动程序能够兼容不同的LED规模。并且，创新在层选控制单元中使用74HC154译码芯片，实现了三维LED立体显示的层数可扩展性，提高了主控芯片的IO端口使用效率，并且将层选控制单元完美融入行选控制单元和列选控制单元，为他们之间的硬件通讯、协作设计了严谨的控制算法，经实践证明，该算法实现了硬件驱动程序长期稳定运行。
附图说明
图1是16维度LED立方体的立体示意图；
图2为主控芯片最小系统采用的STM32H7芯片的示意图；
图3为列选控制芯片采用的74HC573芯片的示意图；
图4为行选控制芯片采用的74HC154芯片的示意图；
图5为层选控制芯片采用的74HC154芯片的示意图；
图6为输出控制板采用的示意图；
图7为本发明的一种三维LED立体显示装置的驱动方法的流程图；
图8为LED立方体显示系统图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种三维LED立体显示装置的驱动装置，所述驱动装置包括控制电路板，控制电路板包括主控板和输出控制板，所述主控板与所述输出控制板连接，其中，
所述主控板包括主控芯片最小系统、层选控制芯片组、行选控制芯片组和列选控制芯片组，所述主控芯片最小系统分别连接所述层选控制芯片组、行选控制芯片组和列选控制芯片组，
所述输出控制板包括输入模块、处理模块和输出模块，所述输入模块、处理模块和输出模块依次连接，
其中，所述输入模块包括数据输入单元和行选输入单元，
所述数据输入单元，用于将所在输出控制板设置成控制指定若干列的LED，接收来自所述主控芯片最小系统的D0-D31、D32-D63两组行选信号中的一组，
所述行选输入单元，用于将所在输出控制板设置成控制指定若干行的LED，接收来自所述主控芯片最小系统的L0-L31、L32-L63两组行选信号中的一组；
所述处理模块，包括128块74HC573锁存芯片，所述128块74HC573锁存芯片分为16组，每组8块74HC573芯片对应一个输出模块，用于接收数据输入单元、行选输入单元的输入信号，生成输出信号传输至所述输出模块；
所述输出模块，包括十六个64P牛角座母座，所述处理模块中的每一组74HC573锁存芯片对应一个64P牛角座母座，用于将所述输出信号传输至三维LED立体显示装置中的最小单元，每个最小单元配备一块最小单元LED控制板，它接收来自输出控制板的64路排线，并将信号分配给8组2*4mm排母，所述8组排母分别连接到该最小单元的8个纵向LED灯条，最终再连接至横向LED灯条，通过所述最小单元LED控制板，实现整个最小单元的每一个LED的点亮控制。
所述主控芯片最小系统，用于控制所述层选控制芯片组、行选控制芯片组和列选控制芯片组工作，采用STM32H743I主控芯片。
所述层选控制芯片组，用于受所述主控芯片最小系统控制，发出层选信号给所述层选控制板，通过1至Z_DIM层的快速扫描切换，显示一幅立体图案，Z_DIM为三维LED立体显示装置的Z轴方向像素点数，即层数，所述层选控制芯片采用74HC154，同一时间只给三维LED立体显示装置的一层供电；
所述行选控制芯片组，用于输出行选控制信号输出至指定的输出控制板，行选控制芯片组包括四个74HC154和11个74HC04；
所述列选控制芯片组，用于将所述主控芯片最小系统输出的列选控制信号放大，并将放大后的列选控制信号输出至指定的输出控制板，每个列选控制芯片均采用74HC573。
所述列选控制芯片组包括64路IO端口、74HC573-1单元、74HC573-2单元、74HC573-3单元、74HC573-4单元、74HC573-5单元、74HC573-6单元、74HC573-7单元、74HC573-8单元、32口插座Data1和32口插座Data2；
所述主控芯片最小系统连接64路IO端口，所述64路IO端口分别连接74HC573-1单元、74HC573-2单元、74HC573-3单元、74HC573-4单元、74HC573-5单元，74HC573-6单元、74HC573-7单元和74HC573-8单元，所述74HC573-1单元、74HC573-2单元、74HC573-3单元和74HC573-4单元连接32口插座Data1，所述74HC573-5单元、74HC573-6单元、74HC573-7单元和74HC573-8单元连接32口插座Data2；
所述行选控制芯片组包括74HC154-1单元、74HC154-2单元、74HC154-3单元、74HC154-4单元、信号反相74HC04-1单元、信号反相74HC04-2单元、信号反相74HC04-3单元、信号反相74HC04-4单元、信号反相74HC04-5单元、信号反相74HC04-6单元、信号反相74HC04-7单元、信号反相74HC04-8单元、信号反相74HC04-9单元、信号反相74HC04-10单元、信号反相74HC04-11单元、32口插座Chip1和32口插座Chip2；
所述主控芯片最小系统连接74HC154-1单元、74HC154-2单元、74HC154-3单元和74HC154-4单元，所述74HC154-1单元连接信号反相74HC04-1单元、信号反相74HC04-2单元和信号反相74HC04-3单元，74HC154-2单元连接信号反相74HC04-4单元、信号反相74HC04-5单元和信号反相74HC04-6单元，所述74HC154-3单元连接信号反相74HC04-7单元、信号反相74HC04-8单元和信号反相74HC04-9单元，74HC154-4单元连接信号反相74HC04-10单元、信号反相74HC04-11单元，所述信号反相74HC04-1单元、信号反相74HC04-2单元、信号反相74HC04-3单元、信号反相74HC04-4单元、信号反相74HC04-5单元和信号反相74HC04-6单元连接32口插座Chip1，所述信号反相74HC04-7单元、信号反相74HC04-8单元、信号反相74HC04-9单元、信号反相74HC04-10单元和信号反相74HC04-11单元连接32口插座Chip2；
所述层选控制芯片组包括4路IO端口、74HC154单元、P-MOS1、P-MOS2、P-MOS3、P-MOS4、P-MOS5、P-MOS6、P-MOS7、P-MOS8、P-MOS9、P-MOS10、P-MOS11、P-MOS12、P-MOS13、P-MOS14、P-MOS15、P-MOS16、1层供电端子、2层供电端子、3层供电端子、4层供电端子、5层供电端子、6层供电端子、7层供电端子、8层供电端子、9层供电端子、10层供电端子、11层供电端子、12层供电端子、13层供电端子、14层供电端子、15层供电端子和16层供电端子；
所述主控芯片最小系统连接4路IO端口，所述4路IO端口连接74HC154单元，所述74HC154单元分别连接P-MOS1至P-MOS16，P-MOS1至P-MOS16分别与1层供电端子至16层供电端子一一对应连接。
一种三维LED立体显示装置的驱动方法，应用于上述的一种三维LED立体显示装置的驱动装置，其中，X_DIM为列数，Y_DIM为行数，Z_DIM为层数，所述驱动方法包括以下步骤：
步骤一、根据当前帧图案，将第一层X_DIM*Y_DIM个LED状态数据依次通过行选控制芯片传入处理模块中，控制层选控制芯片打开第一层LED总控制开关，使第一层LED得电；
步骤二、第一层LED按照指定图案点亮一段时间t；
步骤三、向处理模块传输下一层LED的状态数据，断开前一层，通过层选控制芯片开启下一层LED总控制开关，使下一层得电；
步骤四、下一层LED按照指定图案点亮一段时间t；
步骤五、判断是否扫描到第Z_DIM层LED，若是，则完成一轮扫描，即当前帧，根据下一帧图案，重新执行步骤一；否则，返回步骤三，继续完成当前帧。
t的值小于1/24秒，即扫描频率高于24HZ。
下面提供本发明的一具体实施例：
参照图1所示，立方体16*16*16：即X轴方向像素点16，Y轴方向像素点16，Z轴方向像素点16，共4096颗LED灯珠。
立方体32*32*16：即X轴方向像素点32，Y轴方向像素点32，Z轴方向像素点16，共16384颗LED灯珠。
立方体64*16*16：即X轴方向像素点64，Y轴方向像素点16，Z轴方向像素点16，共16384颗LED灯珠。
每个LED单元模块是一个8*8*8的LED立方体，无论LED立方体规模有多大，都是由一个一个LED单元模块有机叠加而成。每个LED单元模块由64个横向LED灯条、8个纵向LED灯条、1个LED单元模块汇总灯条、亚克力框架组成。一个LED立方体共需要X_DIM*Y_DIM*Z_DIM/8*8*16个LED单元模块。例如：
立方体16*16*16的LED立方体需要16*16*16/8*8*16＝4个单元模块；
立方体32*32*16的LED立方体需要32*32*16/8*8*16＝16个单元模块。
本发明提出了一种三维LED立体显示装置的驱动装置，驱动装置包括若干控制电路板，若干控制电路板采用立体叠加式的方式连接，每个控制电路板包括主控板、信号转接板、输出控制板和层选控制板。
主控芯片最小系统采用STM32H743I主控芯片。
具体的，主控芯片最小系统是主控板的控制中心，该款主控芯片采用ARM架构的微控制器，ARM架构占据手机处理器90％的市场份额，是公认的当前嵌入式、物联网、移动通信的主流并且先进的架构，而STM32H743I又是ARM架构下的高端芯片，它具有以下特征：
(1)400MHz高性能工作频率
由于LED立方体采用层层扫描的方式显示立体图案，所以对主控芯片的运算速度有着极高的要求，如果运算速度不够，会使LED产生肉眼可见的闪烁现象，影响观感。
(2)高达1MB的RAM存储器
效果运算算法在计算中需要大量的RAM存储空间，目前市面主流的STM32F系列单片机最多只有64KB的RAM空间，无法满足需求。
(3)高达2MB的FlashROM存储器
足够存储各种复杂的效果程序、字符和图形位图数据。
(4)144个IO引脚
充足的IO引脚可以满足超大规模的LED立方体拓展。
参照图5所示，一个层选控制芯片，用于受主控芯片最小系统控制，发出层选信号给层选控制板，通过1至Z_DIM层的快速扫描切换，由于人眼的余晖效应，实现显示一幅立体图案的效果。Z_DIM为三维LED立体显示装置的Z轴方向像素点数，即层数，它由1个74HC154组成，有Z_DIM个输出端，同一时间只输出一个低电平、15个高电平，由于层选控制板采用了Z_DIM个低电平导通的PMOS管用于给1至Z_DIM层LED立方体供电，同一时间只给LED立方体的一层供电。可实现少量单片机IO引脚控制多个LED的目的。
参照图4所示，四个行选控制芯片，用于输出行选控制信号输出至指定的输出控制板，每个行选控制芯片均采用四个74HC154。
用于控制将LED开关信号输入至哪一行LED，由4个74HC154组成，作用是控制64个LED开关信号L0-L63通过2个2*16P牛角座将L0-L31和L32-L63两组列选控制信号输出至指定的输出控制板，最多可以支持横向64像素点的LED立方体。
参照图3所示，八个列选控制芯片，用于将主控芯片最小系统输出的列选控制信号放大，并将放大后的列选控制信号输出至指定的输出控制板。
具体的，8块信号功率放大芯片74HC573，控制信号驱动能力比较弱，在主控芯片输出的信号在传递之前将其功率进行放大，再通过2个2*16P牛角座将D0-D31和D32-D63两组列选控制信号输出至指定的输出控制板。
输出控制板设有多个，多个输出控制板通过纵向叠加式拼接组合在一起，输出控制板包括输入模块、处理模块和输出模块，输入模块、处理模块和输出模块依次连接，
其中，输入模块包括数据输入单元和行选输入单元，
数据输入单元，用于将所在输出控制板设置成控制指定若干列的LED，接收来自主控芯片最小系统的D0-D31、D32-D63两组行选信号中的一组，
行选输入单元，用于将所在输出控制板设置成控制指定若干行的LED，接收来自主控芯片最小系统的L0-L31、L32-L63两组行选信号中的一组；
处理模块，包括128块74HC573锁存芯片，128块74HC573锁存芯片分为16组，每组8块74HC573芯片对应一个输出模块，用于接收数据输入单元、行选输入单元的输入信号，生成输出信号传输至输出模块；
输出模块，包括十六个2*32P的牛角座母座，处理模块中的每一组74HC573锁存芯片对应一个牛角座母座，用于将输出信号传输至三维LED立体显示装置中的LED灯条。
具体的，参照图6所示，一个输出控制板可以完成一个32*32*16的LED立方体控制工作，如果是规模更大的LED立方体，可以由多块输出控制板纵向叠加式拼接组合完成，输出控制板的数量确定方法如下：输出控制板的数量Y＝X_DIM/32*Y_DIM/32，例如当X_DIM＝64、Y_DIM＝64时，Y＝4。
输出控制板由输入、处理、输出，三个模块组成。
输入模块在有多个输出控制板的情况下，是区别不同输出控制板的标识。包括数据输入、行选输入两部分组成。
处理模块包括4*8*4＝128个74HC573锁存芯片。该部分电路核心芯片为74HC573，每个74HC573可控制8路数据输出锁存，它主要有以下两方面的作用：1)提高单片机的驱动能力，使低驱动能力的单片机引脚，输出的高低电平直接控制LED的状态。2)数据锁存的作用，LE引脚是输出端状态改变使能端，当LE为低电平，输出端Q始终保持上一次存储的信号(从D端输入)，当LE为高电平时，Q紧随D的状态变化，并将D的状态锁存。
层选控制板，采用74HC154译码器，包括十六个PMOS管、十六个限流保护电阻和十六个防倒灌二极管，用于给三维LED立体显示装置的指定层供电。
具体的，层选控制板，层选信号同一时间只有一个是低电平，其余15个高电平，同一时间只给LED立方体的一层供电。
该部分电路核心芯片为74HC154译码器，它可接受4位高有效二进制地址输入，并提供16个互斥的低有效输出，这样可以将16个层选信号线压缩至4个，达到节省主控芯片IO端口的目的。真值表如下：
同一时间，16个输出信号只有一个是低电平，其它15个为高电平，即同一时间在16层的LED中，只有一层是选通中的状态，其他15层是断开的。这16个输出引脚又接了16个PMOS管，PMOS管共3个引脚，特点是当G引脚为低电平时导通，输出引脚D与输入引脚S导通，与S引脚相连的+5V电通过D引脚，输送给LED立方体相应的层，实现该层的层选(因为同一层的256个LED是共阳)；当G引脚为高电平时断开，D引脚没有输出，该层处于断开状态。
本发明的整套装置还包括开关电源为整套系统供能，电源采用220V输入，5V直流输出的开关电源。220V电源线用于连接开关电源到市电，采用3脚插头，由于5V的电流比较大，采用铜芯直径在1mm以上的红黑对线。
开关电源容量根据LED立方体的规模来计算，LED额定工作电流Iled＝100mA，LED立方体瞬间最大工作电流Imax＝(X_DIM*Y_DIM)*Iled。例如：
对于16*16*16的LED立方体，Imax＝(16*16)*100mA＝25.6A；
对于32*32*16的LED立方体，Imax＝(32*32)*100mA＝102.4A。
之所以电流计算中没有考虑Z_DIM是因为LED立方体采用1/16扫描显示方式，同一时间只有一层是点亮的，点亮所有的LED和点亮一层LED，两种情况的Imax是相同的。具体请参见3.1.21/16扫描显示方式。
Imax只有在点亮z＝n层(第n层LED全部点亮)时才会达到，此时瞬间电流I＝Imax。如果在开关电源容量不充足的情况下，会降低LED的亮度，解决方案是避免整层的LED点亮，例如点亮x＝n面，此时的瞬间电流I＝Imax/X_DIM，点亮y＝n面，此时的瞬间电流I＝Imax/Y_DIM。
参照图7所示，一种三维LED立体显示装置的驱动方法，应用于上述的一种三维LED立体显示装置的驱动装置，其中，X_DIM为列数，Y_DIM为行数，Z_DIM为层数，驱动方法包括以下步骤：
步骤一、根据当前帧图案，将第一层X_DIM*Y_DIM个LED状态数据(共X_DIM行Y_DIM列)依次通过行选控制芯片传入处理模块(X_DIM*Y_DIM/8个74HC573中，每个74HC573可控制8个LED)中，控制层选控制芯片打开第一层LED总控制开关，使第一层LED得电；
步骤二、第一层LED按照指定图案点亮一段时间t，t的时间范围为1至500微秒，在这个范围内，t越小，LED越暗；t越大，LED越亮。如果t超过这个范围，人眼会感觉到LED的闪烁；
步骤三、向处理模块74HC573中传输下一层LED的状态数据，断开前一层，通过层选控制芯片74HC154开启下一层LED总控制开关，使下一层得电；
步骤四、下一层LED按照指定图案点亮一段时间t，每一层间隔点亮的时长要保持一致，否则会出现不同的层亮度不均的情况；
步骤五、判断是否扫描到第Z_DIM层LED，若是，则完成一轮扫描，即当前帧，这样，便实现了一帧立体画面的显示，由于余晖效应的视觉暂留的特性，我们看到的就是LED立方体整体一起点亮的。然后根据下一帧图案，重新执行步骤一；否则，返回步骤三，继续完成当前帧。
扫描频率高于24HZ。
具体的，
1/16扫描显示方式：
根据驱动方式的不同，无论二维LED还是三维LED，显示方式都可分为静态显示和扫描显示两种。静态显示是指将一幅画面输入以后要保持到下一幅画面的输入的时候为止。静态显示方式每一个像素都需要一套驱动电路，如果显示屏为n*m个像素，则需要n*m套驱动电路。
动态显示是指将画面分为若干部分分别进行刷新。动态扫描显示则采用多路复用技术，如果是P路复用的话，则每P个像素需一套驱动电路，n*m个像素需要n*m/p套驱动电路。动态扫描显示方式大大降低了驱动电路的复杂程度，使用元件较少，成本较低。
常见的动态扫描方式有1/16、1/8、1/4、1/2这几种。因为LED显示屏是逐层刷新显示的，扫描方式也就决定了显示刷新的方式，例如1/16就是每次刷新1层，16层为一个扫描周期；1/8就是每次刷新1层，8层为一个扫描周期。相同的LED，静态(1/1扫)的亮度是最高的，扫描频率越低则LED亮度越低。
动态扫描方式由于是分时工作，使得每层LED的点亮时间减少，LED亮度有所下降，同时容易产生屏幕闪烁等问题。本作品采用以下两种方案解决该问题：
(1)400MHz超强的运算能力的STM32H7主控芯片解决大规模LED闪烁问题：
对于以动态扫描方式工作的显示系统，扫描时间的确定十分重要，根据人眼的视觉暂留时，若每秒显示二十四帧以上，便可得到稳定的显示，取每秒二十五帧，即完成对全屏的一次扫描时间为40ms，显示刷新周期不超过该值，将会得到较为稳定的显示，否则会出现闪烁。
从理论上讲，LED立方体的大小可以没有限制，但是规模越大，传送的数据越多，数据传输与控制的时间也会增加，即完成一屏扫描的时间也将越长，然而，40ms的显示刷新周期限制却是固定的，加上欲显示的LED动画效果越炫酷，必然需要经过大量的算法计算，只有提高主控芯片处理速度，才能保证40ms以内的扫描周期。
(2)采用超高亮LED和一个像素点多个LED的方式解决动态驱动方式中LED亮度下降严重的问题：
采用工作电流在150-180mA的0.5W超高亮LED，使其在频扫的情况下仍能保持可观的亮度。如果作品处于用于户外或者经常受到猛烈阳光照射的环境工作环境，则可以将每个像素点安装二至三个LED，以提高亮度。
LED点亮方式：
LED立方体将LED按层布置，每一层LED共阳极，按层扫描，每层再按行扫描，按列控制。扫描就是指依次循环接通每一行的LED，某一个LED是否应该点亮，由列控制电路来负责。

Claims (4)

1.一种三维LED立体显示装置的驱动装置，其特征在于，所述驱动装置包括控制电路板，控制电路板包括主控板和输出控制板，所述主控板与所述输出控制板连接，其中，
所述主控板包括主控芯片最小系统、层选控制芯片组、行选控制芯片组和列选控制芯片组，所述主控芯片最小系统分别连接所述层选控制芯片组、行选控制芯片组和列选控制芯片组，
所述输出控制板包括输入模块、处理模块和输出模块，所述输入模块、处理模块和输出模块依次连接，
其中，所述输入模块包括数据输入单元和行选输入单元，
所述数据输入单元，用于将所在输出控制板设置成控制指定若干列的LED，接收来自所述主控芯片最小系统的D0-D31、D32-D63两组行选信号中的一组，
所述行选输入单元，用于将所在输出控制板设置成控制指定若干行的LED，接收来自所述主控芯片最小系统的L0-L31、L32-L63两组行选信号中的一组；
所述处理模块，包括128块74HC573锁存芯片，所述128块74HC573锁存芯片分为16组，每组8块74HC573芯片对应一个输出模块，用于接收数据输入单元、行选输入单元的输入信号，生成输出信号传输至所述输出模块；
所述输出模块，包括十六个64P牛角座母座，所述处理模块中的每一组74HC573锁存芯片对应一个64P牛角座母座，用于将所述输出信号传输至三维LED立体显示装置中的最小单元，每个最小单元配备一块最小单元LED控制板，它接收来自输出控制板的64路排线，并将信号分配给8组2*4mm排母，所述8组排母分别连接到该最小单元的8个纵向LED灯条，最终再连接至横向LED灯条，通过所述最小单元LED控制板，实现整个最小单元的每一个LED的点亮控制，
所述列选控制芯片组包括64路IO端口、74HC573-1单元、74HC573-2单元、74HC573-3单元、74HC573-4单元、74HC573-5单元、74HC573-6单元、74HC573-7单元、74HC573-8单元、32口插座Data1和32口插座Data2；
所述主控芯片最小系统连接64路IO端口，所述64路IO端口分别连接74HC573-1单元、74HC573-2单元、74HC573-3单元、74HC573-4单元、74HC573-5单元，74HC573-6单元、74HC573-7单元和74HC573-8单元，所述74HC573-1单元、74HC573-2单元、74HC573-3单元和74HC573-4单元连接32口插座Data1，所述74HC573-5单元、74HC573-6单元、74HC573-7单元和74HC573-8单元连接32口插座Data2；
所述行选控制芯片组包括74HC154-1单元、74HC154-2单元、74HC154-3单元、74HC154-4单元、信号反相74HC04-1单元、信号反相74HC04-2单元、信号反相74HC04-3单元、信号反相74HC04-4单元、信号反相74HC04-5单元、信号反相74HC04-6单元、信号反相74HC04-7单元、信号反相74HC04-8单元、信号反相74HC04-9单元、信号反相74HC04-10单元、信号反相74HC04-11单元、32口插座Chip1和32口插座Chip2；
所述主控芯片最小系统连接74HC154-1单元、74HC154-2单元、74HC154-3单元和74HC154-4单元，所述74HC154-1单元连接信号反相74HC04-1单元、信号反相74HC04-2单元和信号反相74HC04-3单元，74HC154-2单元连接信号反相74HC04-4单元、信号反相74HC04-5单元和信号反相74HC04-6单元，所述74HC154-3单元连接信号反相74HC04-7单元、信号反相74HC04-8单元和信号反相74HC04-9单元，74HC154-4单元连接信号反相74HC04-10单元、信号反相74HC04-11单元，所述信号反相74HC04-1单元、信号反相74HC04-2单元、信号反相74HC04-3单元、信号反相74HC04-4单元、信号反相74HC04-5单元和信号反相74HC04-6单元连接32口插座Chip1，所述信号反相74HC04-7单元、信号反相74HC04-8单元、信号反相74HC04-9单元、信号反相74HC04-10单元和信号反相74HC04-11单元连接32口插座Chip2；
所述层选控制芯片组包括4路IO端口、74HC154单元、P-MOS1、P-MOS2、P-MOS3、P-MOS4、P-MOS5、P-MOS6、P-MOS7、P-MOS8、P-MOS9、P-MOS10、P-MOS11、P-MOS12、P-MOS13、P-MOS14、P-MOS15、P-MOS16、1层供电端子、2层供电端子、3层供电端子、4层供电端子、5层供电端子、6层供电端子、7层供电端子、8层供电端子、9层供电端子、10层供电端子、11层供电端子、12层供电端子、13层供电端子、14层供电端子、15层供电端子和16层供电端子；
所述主控芯片最小系统连接4路IO端口，所述4路IO端口连接74HC154单元，所述74HC154单元分别连接P-MOS1至P-MOS16，P-MOS1至P-MOS16分别与1层供电端子至16层供电端子一一对应连接。
2.根据权利要求1所述的一种三维LED立体显示装置的驱动装置，其特征在于，所述主控芯片最小系统，用于控制所述层选控制芯片组、行选控制芯片组和列选控制芯片组工作，采用STM32H743I主控芯片；
所述层选控制芯片组，用于受所述主控芯片最小系统控制，发出层选信号给层选控制板，通过1至Z_DIM层的快速扫描切换，显示一幅立体图案，Z_DIM为三维LED立体显示装置的Z轴方向像素点数，即层数，所述层选控制芯片采用74HC154，同一时间只给三维LED立体显示装置的一层供电；
所述行选控制芯片组，用于输出行选控制信号输出至指定的输出控制板，行选控制芯片组包括四个74HC154和11个74HC04；
所述列选控制芯片组，用于将所述主控芯片最小系统输出的列选控制信号放大，并将放大后的列选控制信号输出至指定的输出控制板，每个列选控制芯片均采用74HC573。
3.一种三维LED立体显示装置的驱动方法，应用于权利要求1-2任一项所述的一种三维LED立体显示装置的驱动装置，其中，X_DIM为列数，Y_DIM为行数，Z_DIM为层数，其特征在于，所述驱动方法包括以下步骤：
步骤一、根据当前帧图案，将第一层X_DIM*Y_DIM个LED状态数据依次通过行选控制芯片传入处理模块中，控制层选控制芯片打开第一层LED总控制开关，使第一层LED得电；
步骤二、第一层LED按照指定图案点亮一段时间t；
步骤三、向处理模块传输下一层LED的状态数据，断开前一层，通过层选控制芯片开启下一层LED总控制开关，使下一层得电；
步骤四、下一层LED按照指定图案点亮一段时间t；
步骤五、判断是否扫描到第Z_DIM层LED，若是，则完成一轮扫描，即当前帧，根据下一帧图案，重新执行步骤一；否则，返回步骤三，继续完成当前帧。
4.根据权利要求3所述的一种三维LED立体显示装置的驱动方法，其特征在于，t的值小于1/24秒，即扫描频率高于24HZ。
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