基于串行通信的光立方控制器的设计

韩　铮，纪　宇

（赤峰学院　物理与电子信息工程系，内蒙古　赤峰　024000）

基于串行通信的光立方控制器的设计

韩铮，纪宇

（赤峰学院物理与电子信息工程系，内蒙古赤峰024000）

针对光立方显示效果开发的问题，设计了光立方的控制器，通过使用上位机的串行接口与单片机相连接，利用上位机软件生成不同的显示数据，通过串行通信方式发送给下位机控制执行，解决了光立方显示效果开发过程中程序频繁下载的问题，下位机通过控制通用口和移位寄存器实现了光立方的灯光效果控制.

光立方；串行通信；灯光控制

LED是普遍使用的发光器件，使用LED发光二极管将其按照8*8*8排列成立体形状，称为光立方或者3D8，是近年来比较流行的DIY灯光制作方案，由于每个LED均可以单独控制亮灭，与平面显示屏相比较，光立方在空间上进行灯光点的控制，组合效果更加丰富，所以对灯光效果的开发一直是值得研究和开发的内容［1，2］.

1　光立方控制原理

光立方通常使用单片机作为控制器，利用单片机串行通信接口的同步移位寄存器工作方式，将光立方的灯光控制数据移入到寄存器中，通过行列控制信号组合完成不同灯光方案的设计.

光立方将LED排列到3维空间中，而LED控制引脚只有两个，所以如何排列是首先要解决的问题，通常可以将立方体按照空间中三个坐标的方向进行切片，有三种方式：即在立方体的X、Y、Z三个方向中的任意一个进行分割作为单独控制的面［3，4］.

图1　光立方控制方式

对于不同的分割方式，连接方式有所不同，但是通常将同一层的LED共接在一起连接到电源或者地，由一根控制线引出作为层控制信号，而与层相垂直的线上的LED将另一个引脚共接，称为一束（或与层垂直的列）.不同的分割和连接将产生不同的控制代码，可使用软件生成字模，使用方法与点阵取模类似，本例中使用图1中（a）方式进行设计，取模与焊接方式如图所示：

图2　光立方取模与焊接方式

显示时，逐层扫描点亮，因为扫描间隔较短，人眼视觉残留效应使得看起来像多层同时点亮一样［5］.本文使用Z方向切面，分成8层，每层有64个LED灯珠对应64束，需要8组移位寄存器存储该层对应的显示数据，循环将层扫描数据送入8组寄存器配合层扫描即可点亮整个立方体.每层公用LED阳极，阴极按垂直于该面，最终将所用8个面的对应阴极连在一起，引出64个LED阴极，此64个阴极信号决定平面中哪些灯量，而阳极信号决定哪层亮.

2　设计方案与控制电路

本项目是针对光立方效果开发调试的硬件平台，由于单片机片上ROM有限且调试时需要经常改变控制数据不停的执行，所以单一系统控制方案不可取，使用上位机发送显示数据，下位机显示的方式来进行设计，更能有效的满足要求，一旦效果设计成功可以选用合适的单片机做成独立的光立方.系统框图如下所示

图3　系统框图

使用3D8取模软件设计每层灯光的字模，由上位机通过串行发送到光立方显示，光立方控制电路使用串行口接收数据并有移位寄存器输出锁存，达到显示调试的目的.

3　硬件电路

光立方由单片机系统控制，层控制使用单片机P0口8个引脚，每层的数据有P2.0-P2.3将接收到的数据传入到595芯片中，由于篇幅所限只给出2 个595级联的电路，实际使用8块，每个锁存8位数据共64位阴极控制信号［5］.

图4　硬件电路图

4　软件设计

软件设计首先设计通信协议的设计，光立方串口通讯协议设置如下：

波特率为115200；无校验位；数据位为8位；

命令仅由2个字节组成.发送顺序为先高8位（H7-H0），再低8位（L7-L0）.考虑系统实时性要求及实现的简便，没有设置检验位，合计三种代码格式，使用三种开始码与之对应、不设结束码.

表1　通信协议

因为不设置结束码，所以必须要保证每条代码发送的完整性.

每层LED按照顺序编号单片机接收到相应指令后按照行列要求进行指令解析，讲实际控制数据发送给595芯片，同时控制层电源.

为了保证每层亮度均衡，保证每层扫描时间相同，同时使用三极管对每层电流进行扩流.使用串行口中断进行数据通信控制，设置接收缓冲区存储指令，单片机根据指令输出控制信号对LED进行控制.

5　实验与结论

针对光立方灯光效果开发调试的工作困难的问题，利用串行通信发送上位机指令对光立方进行控制，能快速的进行效果验证，同时设计了硬件电路方案和软件通信协议，解决了光立方效果开发过程中程序频繁下载的问题.

〔1〕康志强，汪佳，汤勇明.基于FPGA的3D光立方设计［J］.电子器件，2012（06）：683-686.

〔2〕苏珊，肖英，李行杰.基于STC单片机的8×8×8 LED光立方系统设计［J］.吉首大学学报（自然科学版），2013（06）：33-36.

〔3〕韩鹏程，娄颖，池承选.基于单片机的光立方系统设计［J］.电子世界，2014（12）：528.

〔4〕虞沧.基于单片机的光立方系统设计［J］.电子测试，2015（06）：28-30.

〔5〕吴永德，罗萍.基于STC15F2K60S2单片机的LED光立方设计［J］.电脑编程技巧与维护，2015 （11）：81-84.

〔6〕杨永刚.3D光立方的设计与制作［J］.电子世界，2014（06）：129.

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