基于DSP的三维LED显示器

1摘要基于LED的平面显示技术现已非常成熟，而LED的三维显示应用在国内外尚属罕见，目前仅有的LED三维显示局限于简单的程控固化的动态图像显示。基于DSP的三维LED显示器采用团队成员设计开发的DSP&CPLD信号采集处理与控制系统作，结合上位机图形计算软件与下位机数字信号处理，并融入解析几何、计算机图形学、模拟电路、数字电路、通信、数字信号处理等多领域学科知识，针对LED的三维显示阵列，完成一套上位机与下位机相结合的三维仿真技术。作品力争服务于会展，可将其应用于宣传，标志物的三维影像展示（如会徽，吉祥物等），三维倒计时系统，会展现场的视觉效果（如音乐喷泉，魔幻音乐等）等。关键字：LED三维阵列；数字信号处理；DSP&CPLD；2AbstractTheLEDbasedflat-paneldisplaytechnologyisquitematureatpresent.However,theapplicationofLEDbasedthree-dimensionaldisplay(LED3Ddisplay)isstillrareathomeandabroad.Atpresent,theonlyLED3Ddisplayislimitedtothedisplayofsimpleprogram-controlledfixeddynamicimage.ThisDSPbasedLEDsimulation3DdisplaytechnologyadoptstheDSP&CPLDsignalacquisitionandprocessingcontrolsystemwhichisdesignedanddevelopedbytheteammembersandcombinesthePCgraphicssoftwarewithdigitalsignalprocessing,andalsoinvolvesmuchknowledgeinvarioussubjects,suchasanalyticgeometry,computergraphics,analogcircuit,digitalcircuit,communications,digitalsignalprocessing,etc.ItfocusesontheLED3Ddisplayarrayandaimstodevelopasetof3Dsimulationtechnologyinwhichuppercomputerandlowercomputerarecombined.ThisworktriestoservetheShanghaiWorldExpoanditcanbeusedinpropagation,exhibitionofthe3Dimagesofsomesymbols(suchasemblemsandmascots),3Dcountdownsystemandthevisualeffectsofexhibitionsite(suchasmusicalfountainandmagicmusic),etc.Keywords:LED3DArray;DigitalSignalProcessing;DSP&CPLD.1第一章绪论1.1设计目的及基本思路基于LED的平面显示技术现已非常成熟，而LED的三维显示应用在国内外尚属罕见，目前仅有的LED三维显示仅局限于简单的程控固化的动态图像显示。作品拥有两套显示方案：1.与上位机通信获取实时显示数据用以三维图像显示；2.采集、计算和处理外部输入信号获取显示数据，以使三维图像与其同步或相关。这样可将LED的三维显示技术服务于会展，可应用于会展的宣传，标志物的三维影像展示（如会徽，吉祥物等），三维倒计时系统，会展现场的视觉效果展示（如音乐喷泉，魔幻音乐等）等。基于DSP的三维LED显示器是由团队成员设计开发的DSP&CPLD信号采集处理与控制系统，结合上位机图形计算软件与下位机数字信号处理，融入解析几何、计算机图形学、模拟电路、数字电路、通信、数字信号处理等多领域学科知识，并针对LED的三维显示进行下位机的软件算法开发，完成一套上位机与下位机相结合的三维仿真技术。1.2创新点LED的三维阵列模式以及并行式的LED三维显示驱动方案；与上位机的高速数据通信，获取实时显示数据用以三维图像的显示，可用以会展标志物的三维影像展示或倒计时系统的三维展示；采集量化音频信号，并做数字信号处理获取三维显示数据，达到外部输入信号与三维图像的同步、相关显示，用以制作音乐喷泉或魔幻音乐等；Bezier曲线、曲面构建三维图形；2融入解析几何，计算机图形学，模拟电路，数字电路，通信，数字信号处理等多领域学科知识。1.3主要技术指标DSP选取TMS320F2812工作频率：150MHz（可超频工作至250MHz）；CPLD选取EPM570T100C5N工作频率：100MHz；ADC：75MHz、10位；DAC：165Msps、14位；三维显示分辨率：16*16*16；每幅图像的数据量：4096bits；动态图像扫描频率：50Hz；串口通信波特率：1152001.4技术关键较为复杂的数字信号处理的算法编程，如FFT变换，FIR数字滤波器等；上位机中三维影像数据的获取；与上位机的高速数据通信，并且保证通信可靠与稳定，以获取实时的三维显示数据；音频信号的前端处理，以及对其进行采集与量化编码，尽量减小量化噪声，获取相应的信息；计算机图形学中三维图形变换，投影以及Bezier曲线构建三维图形的算法设计与实现；4096个LED所组成的三维阵列的搭建。3第二章作品简介2.1系统主体基于DSP的三维LED显示器包括硬件主体与软件主体，系统主体框图如图2.1所示。DSPTMS320F2812CPLDEPM570T100C5NADCADS828(75MHz)3D_LEDDisplay底底底底74HC595*32底底底底底FIR底底FFT底底底底底底底底DACDAC904(165Msps)底底RAMIS61LV25616AL-10TJTAG底底底底底底底底底DSP底底ADC底12.5MHz底图2.1基于DSP的三维LED显示器系统主体框图系统的硬件主体包括上位机、DSP(TMS320F2812)与JTAG、4CPLD(EPM570T100C5N)与Byteblaster、ADC、DAC、LED三维阵列以及其底层驱动、外部RAM等各部分。系统的软件主体包括各硬件模块基本驱动、信号采集量化与信号输出、数字信号处理、图形算法设计、与上位机通信、上位机三维图形数据提取等各部分。作品实物主体如图2.2所示。图2.2基于DSP的三维LED显示器作品实物图2.2系统软件流程基于DSP的三维LED显示器主要实现两套显示方案：1.与上位机通信，获取实时显示数据用以三维图像的显示；2.对外部输入信号采集、分析、计算处理获取显示数据，以使得输入信号与三维图像达到同步或相关。其软件流程图如图2.3所示。5中断串行数据通信接收上位机数据包处理上位机数据获取显示数据底层驱动初始化判断显示模式字母循环箭头显示方块显示球体显示读取AD数据数字信号处理FIR、FFT等显示数据底层驱动三维图形重建三维图形显示测试图2.3系统软件流程框图2.3系统实现功能与上位机通信，模拟三维动态倒计时，如模拟日晷，时钟等多种时间显示模式；有限空间范围内的三维图形显示（例如散点、线段及交线、平面及相交面、几何体等），同时可靠地上位机通信可保证绝大多数的三维图形的显示，如会展的吉祥物，会徽等标志物的展示；三维图形变换，投影变换，以及Bezier曲线、曲面构建三维图形；6实现模拟信号的采集与量化、相应的数字信号处理（如FFT变换、FIR数字滤波器等），制作魔幻音乐，音乐喷泉等娱乐设施以调节会展现场的娱乐气氛。2.4系统应用领域会展：作品的主要设计思路是力争服务于会展，达到会战中视觉上的独特效果，如会展标志物（如吉祥物、会徽等）的三维影像展示，以及做会展现场的娱乐设施；医疗：器官模型仿真显示以及病理分析等；科研实验：可视实验的仿真预测、模拟不可实际试验的实验；教学：尤其是空间几何的数学教学、工程制图、演示实验等；军事：地形仿真以及动态显示可为军事抉择提供准确的依据；奢侈品，文物艺术品展示，大企业形象展示，新闻媒体等领域的应用，可发挥独特的视觉效果和视觉冲击。7第三章系统硬件主体3.1信号采集与处理3.1.1ADCADC采用ADS828，10位、75MHz转换速率。ADS828支持单端模拟信号输入以及差分模拟信号输入，电压基准可选择由外部或内部提供。ADS828主要技术指标如表3.1所示。表3.1ADS828主要技术指标转换精度10位转换速率75MHz高信噪比58dB低功耗325mW在5V供电电压下模拟信号输入范围1Vpp或2Vpp低压微分非线性0.4LSB其工作原理及内部结构示意图如图3.1所示。8图3.1ADS828内部结构示意图信号采集与量化采用单端信号输入，选用ADS828内部的电压基准，输入阻抗匹配至50，其硬件电气连接图如图3.2所示。图3.2信号采集与量化的硬件电气连接图ADS828时序图以及各时序量化要求如图3.3所示。9图3.3ADS828时序图及时序量化要求3.1.2DACDAC采用DAC904，14位，165Msps转换速率，电压基准可选择由外部或内部提供，输出阻抗匹配为50。DAC904主要技术指标如表3.2所示。表3.2DAC904主要技术指标转换精度14位转换速率165Msps无杂散动态范围在100Msps输出20MHz时，64dBc低误差3pV-s低功耗170mW在5V供电电压下内部电压基准1.24V其工作原理及内部结构示意图如图3.4所示。10图3.4DAC904内部结构示意图信号输出选用DAC904的内部电压基准，阻抗匹配至50，其硬件电气连接图如图3.5所示。图3.5高速信号输出硬件电气连接电路图DAC904时序图以及各时序量化要求如图3.6所示。11图3.6DAC904时序图及时序量化要求3.1.3椭圆滤波器模拟信号前端处理选用的椭圆滤波器，根据所要采集的信号计算椭圆滤波器中各电感、电容的值，3dB带宽为70MHz的低通滤波器，如图3.7所示。图3.7椭圆滤波器12该椭圆滤波器的仿真结果如图3.8所示，图中曲线为S12和S21的幅频特性曲线。图3.8椭圆滤波器仿真结果3.2LED三维阵列对每一层的16*16个LED，将其所有的正极以正方形网状结构的形式连接在一起，这样连接有两处优点：1.保证较坚固的机械结构；2.减小导线上阻抗。对各层之间的连接为对应坐标的LED负极连接在一起，即纵向连接，这样可得到256个数据位，而连接好的16层可对应16个层选数据位。层连接示意图如图3.9所示13图3.9层连接示意图LED三维阵列显示示意图如图3.10所示。14图3.10LED三维阵列显示示意图3.3LED驱动方案3.3.1层驱动前端采用4-16线译码器CD4514BE，对LED三维阵列进行层扫描，选择要显示的层。层驱动采用高压大电流驱动，选取NPN三极管做单向3V3——VCC电平转换，以控制达林顿管的开关。4-16线译码器硬件电气连接图如图3.11所示，层驱动硬件电气连接电路图如图3.12所示。15图3.114-16线译码器硬件电气连接图图3.12层驱动硬件电气连接电路图163.3.2I/O扩展根据层数据特点即16*16位数据，I/O扩展采用两片74HC595级联的形式，即可将一16位串行数据端口单向扩展为一16位并行数据端口。这样32片74HC595即可完成16个16位并行数据端口的扩展，从而完成256位层数据的扩展。串行口数据端口扩展及74HC595级联硬件电气连接电路图如图3.13所示。图3.13串行口数据扩展及74HC595级联电路图17第四章系统软件与算法设计4.1串行数据通信异步串行通信数据帧的第一位是开始位，在通信线上没有数据传送时处于逻辑“1”状态。当发送