本科毕业论文---基于dsp的三维led显示器.doc

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；AbstractThe LED based flat-panel display technology is quite mature at present. However, the application of LED based three-dimensional display (LED 3D display) is still rare at home and abroad. At present, the only LED 3D display is limited to the display of simple program-controlled fixed dynamic image. This DSP based LED simulation 3D display technology adopts the DSP&CPLD signal acquisition and processing control system which is designed and developed by the team members and combines the PC graphics software with digital signal processing, and also involves much knowledge in various subjects, such as analytic geometry, computer graphics, analog circuit, digital circuit, communications, digital signal processing, etc. It focuses on the LED 3D display array and aims to develop a set of 3D simulation technology in which upper computer and lower computer are combined. This work tries to serve the Shanghai World Expo and it can be used in propagation, exhibition of the 3D images of some symbols (such as emblems and mascots), 3D countdown system and the visual effects of exhibition site (such as musical fountain and magic music), etc.Keywords: LED 3D Array; Digital Signal Processing; DSP&CPLD.35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l LED的三维阵列模式以及并行式的LED三维显示驱动方案；l 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；l 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；l Bezier曲线、曲面构建三维图形；l 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l DSP选取TMS320F2812工作频率：150MHz（可超频工作至250MHz）；l CPLD选取EPM570T100C5N工作频率：100MHz；l ADC：75MHz、10位；l DAC：165Msps、14位；l 三维显示分辨率：16*16*16； l 每幅图像的数据量：4096bits；l 动态图像扫描频率：50Hz；l 串口通信波特率：1152001.4 技术关键l 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；l 上位机中三维影像数据的获取；l 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；l 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；l 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；l 4096个LED所组成的三维阵列的搭建。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。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、CPLD(EPM570T100C5N)与Byte blaster、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。图2.3 系统软件流程框图2.3 系统实现功能l 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；l 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；l 三维图形变换，投影变换，以及Bezier曲线、曲面构建三维图形；l 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l 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；l 医疗：器官模型仿真显示以及病理分析等；l 科研实验：可视实验的仿真预测、模拟不可实际试验的实验；l 教学：尤其是空间几何的数学教学、工程制图、演示实验等；l 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；l 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。第三章 系统硬件主体3.1 信号采集与处理3.1.1 ADCADC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3.1 ADS828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。图3.1 ADS828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。图3.3 ADS828时序图及时序量化要求3.1.2 DACDAC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3.2 DAC904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。图3.4 DAC904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。图3.6 DAC904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3.2 LED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。图3.10 LED三维阵列显示示意图3.3 LED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3V3VCC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。图3.11 4-16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3.3.2 I/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。当发送设备要发送一个字符数据时，首先发出一个逻辑“0”信号，这个逻辑低电平就是起始位。起始位通过通信线传向接收设备，当接收设备检测到这个逻辑低电平后，就开始准备接收数据位信号。因此，起始位所起的作用就是表示字符传送开始。当接收设备收到起始位后，紧接着就会收到数据位。数据位的个数可以是5，6，7或8位的数据。在字符数据传送过程中，数据位从最低位开始传输。数据发送完之后，可以发送奇偶校验位。奇偶校验位用于有限差错检测，通信双方在通信时需约定一致的奇偶校验方式。就数据传送而言，奇偶校验位是冗余位，但它表示数据的一种性质，这种性质用于检错，虽有限但很容易实现。在奇偶位或数据位之后发送的是停止位，可以是1位、1.5位或2位。停止位是一帧数据的结束标志。在异步串行通信中，帧数据以图所示的格式一个一个地传送。在发送间隙，即空闲时，通信线路总是处于逻辑“1”状态，每个字符数据的传送均以逻辑“0”开始。异步串行通信数据格式示意图如图4.1所示。图4.1 异步串行通信数据格式示意图4.2 数字信号处理4.3.1 FIR数字滤波器l FIR数字滤波器理论基础为了与硬件实现相对应，数字滤波器常常用网络结构来表示。在数字滤波器的网络表示中，基本单元常有加法器、延迟器、乘常数器等。数字滤波器从实现方式上可分为FIR滤波器和IIR滤波器；从功能上可分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器等。数字滤波器的直接形式示意图如图4.2，图4.3所示。图4.2 数字滤波器直接形式I示意图图4.3 数字滤波器直接形式II示意图FIR数字滤波器又称有限冲激响应数字滤波器，其设计实现的主要两种方法是傅里叶级数法和频率采样法。基于DSP的三维LED显示器采用的数字滤波器是基于傅里叶级数法的FIR滤波器。频率响应给定时，利用傅里叶级数法进行滤波器的设计，其具体实现步骤为：1. 利用傅里叶变换从得到单位采样响应，即公式4.12. 以为中心将截短为长度为的，以作为FIR滤波器的单位采样响应，它的频率响应应该和接近，且当截取长度增大时，逐渐接近，因此选取合适的长度；3. 对于截短的，可以在时间上右移个采样时间间隔；4. 由于截断会产生吉布斯振荡，从而使通带的波动和阻带的衰减无法减小，为了克服这一缺点，通常对加上以点为对称的窗函数，又称窗口法。l FIR数字滤波器软件流程图图4.4 FIR数字滤波器软件流程图4.3.1 FFT变换l FFT变换编程原理：在基-2 FFT 中，最基本的运算级是蝶形运算单元。以基-2 DIT 为例，每一个蝶形运算结构可以完成一次基本的迭代运算，即公式4.2公式4.3式中,m表示第m列迭代，k, j为数据所在行数。其蝶形运算如图4.5所示，由一次复乘和两次复加组成。图4.5 DIT蝶形运算结构由图4.5可以看出，某一列的任何两个节点k和j的节点变量进行蝶形运算后，得到的结果为下一列k、j两节点的节点变量，而和其他节点变量无关，因而可以采用原位运算，即每个蝶形的两个输出值仍放回这个蝶形的两个输入所在的存储器中。每列的N/2个蝶形运算全部完成后，再开始下一列的蝶形运算。这样存储数据只需N个存储单元，DIF亦是如此。l FFT算法流图以N=8点的FFT运算为例，做出它的DIT和DIF运算流图，如图4.6和图4.7所示。由此运算流图可以找出存储单元内容的变化流程。图4.6 N=8 DIT 运算流图图4.7 N=8 DIF运算流图l FFT函数软件流程图：图4.8 FFT函数软件流程图系统使用的ADC为ADS828，也可采用DSP片内ADC做音频数据采集，对所采集的音频信号做128点的FFT变换，然后对信号做频域内的分析，并计算获取三维显示数据。4.3 三维图形几何变换LED的三维图形显示在图形做变换时所采用的理论基础为计算机图形学的部分理论，以下是关于三维图形几何变换的数学理论基础介绍。4.4.1 齐次坐标三维空间中的点可用来表示，称为三维空间中点的齐次作标表示。三维空间的齐次作标表示不是唯一的，齐次坐标转为的过程称为齐次坐标表示的正常化，称为的正常化齐次作标。以下所讲述的三维图形变换中遇到的坐标系均规定为右手作标系，其三根坐标轴是三根正交的坐标轴。伸出右手，大姆指指向轴的正方向，食指指向轴的正方向，则与手心垂直的中指方向就是轴方向。设变换前的点,变换后的点，则有变换矩阵变换公式为：公式4.4变换矩阵子矩阵的作用：使三维图形产生局部比例、旋转、错切等变换；：使三维图形产生平移变换；：使三维图形产生透视变换；：使三维图形产生整体比例变换；4.4.2 平移变换把空间点沿着三个方向分别平移的变换公式为：公式4.5其中平移变换矩阵4.4.3 局部比例变换设沿三轴的比例系数分别为，则局部比例变换公式为：公式4.6其中局部变换矩阵当比例系数为负值时，可以实现关于原点、坐标轴或坐标平面的对称比例变换。4.4.4 整体比例变换三维图形整体比例变换的齐次矩阵为其中，整体比例变换公式为公式4.7即式中，为图形整体比例变换系数，若，则整个图形缩小，若，则整个图形放大。可以看出图形整体比例变换相当于的局部比例变换。4.4.5 错切变换在变换矩阵中，若满足，即可得到三维图形的错切变换，变换矩阵即其中为沿轴方向的错切系数；为沿轴方向的错切系数；为沿轴方向的错切系数。则变换公式为公式4.84.4.6 旋转变换在右手坐标系下，旋转方向遵守右手法则，即逆时针为正。l 绕轴逆时针转角的变换公式为公式4.9其中旋转变换的齐次矩阵为l 绕轴逆时针转角的变换公式为公式4.10其中旋转变换的齐次矩阵为l 绕轴逆时针转角的变换公式为公式4.11其中旋转变换的齐次矩阵为l 绕任意轴旋转可将绕任意轴的旋转变换分解成平移变换，绕轴、轴或轴的旋转变换的组合。4.4 正三面投影变换正三面投影就是工程中通常所说的三视图，即正视图（V）、俯视图（H）和侧视图（W），其投影平面分别为面，面和面。在处理三维图形时，三视图是最基本的图形变换应用。4.5.1 主视图变换矩阵，其中为沿轴将三维图形向面做投影的变换矩阵，为由用户坐标系向投影坐标系变换的变换矩阵，二者分别为： 则主视图变换矩阵：4.5.2 俯视图变换矩阵，其中为沿轴将三维图形向面做投影的变换矩阵，变换矩阵将平面绕轴顺时针旋转，使平面与主视图处于同一平面位置；为由用户坐标系向投影坐标系变换的变换矩阵，三个变换矩阵分别为：则俯视图变换矩阵：4.5.3 侧视图变换矩阵，其中为沿轴将三维图形向面做投影的变换矩阵；变换矩阵将平面绕轴顺时针旋转，使投影图与主视图处于同一平面位置，变换矩阵分别为： 则侧视图变换矩阵：4.5 Bezier曲线Bezier曲线于1962年，由法国工程师Pierre Bezier所广泛发表，他运用Bezier曲线来为汽车的主体进行设计，之后Bezier曲线在工程CAD/CAM中的被广泛使用。系统上位机采用Bezier曲线表示三维图形，提取三维图形显示像素点，为下位机的显示提供显示数据。一般次Bezier曲线的矢量表示式为：公式4.12其中为个空间向量，是伯恩斯坦多项式，成为基底函数。由于Bezier方法已经成熟，已将函数逼近论与几何表示结合，使用十分方便。常用的Bezier曲线是二次和三次Bezier曲线。二次Bezier曲线的矩阵表达形式为：公式4.13式中。三次Bezier曲线的矩阵表达形式为：公式4.14式中。Mathematica生成的Bezier曲线如图4.9所示。图4.9 Bezier曲线4.6 Bezier曲面在三维空间给定个点的空间点阵构成的曲面，其中；，称为次参数曲面。次Bezier曲面公式：公式4.15式中，其中是Bezier曲面的控制顶点，和为Bezier基函数，表达式为：公式4.16公式4.17最常用的是双二次Bezier曲面和双三次Bezier曲面。双二次Bezier曲面，即时公式4.18公式4.19则双二次Bezier曲面为：公式4.20式中。双三次Bezier曲面，即时公式4.21公式4.22则双三次Bezier曲面为：公式4.23式中，Mathematica生成的Bezier曲面如图4.10所示。图4.10 Bezier曲面第五章 系统性能静态时，电气基本特性测试DSP&CPLD信号采集处理与控制系统的供电电压：7.5V，正常工作时供电电流为260mA。LED三维阵列以及LED底层驱动部分的供电电压为：7.5V；供电电流随三维阵列的亮点数和显示亮度变化而变化，变化范围为0.32A3.26A。系统能完成的功能如下：l 与上位机通信完成倒计时系统，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；l 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；l 三维图形变换，投影变换，以及Bezier曲线、曲面构建三维图形；l 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。第六章 结语各种各样的会展宣传活动中，无论是电视网络宣传还是图书宣传，呈现在大家面前的只是平面的内容，缺少立体感。我们团队所设计基于DSP的三维LED显示器，一改LED应用于二维平面内这种传统的显示模式，不拘泥于二维平面LED连接结构而是将LED制作成三维阵列模式用以展现各种三维影像，通过高速运算控制器，结合上位机实时通信，给人以独特的视觉冲击，再加上与外部音频信号的同步和相关，使得三维影像的显示更加逼真。用该套技术为会展做宣传，形象展示，以及新闻媒体等工作，将会给人以耳目一新和形象逼真的感觉，使得人们对会展充满期待。附录参考文献1. 郑红等.TMS320C54x应用系统设计.北京:北京航空航天大学出版社,20022. 张洪润.FPGA/CPLD应用设计200例.北京: 北京航空航天大学出版社,20093. 苏奎峰等.TMS320F2812原理与开发M.北京:电子工业出版社,20054. 姜培安.印制电路板的可制造性设计.北京:中国电力出版社,20075. 加Joyce Van de Vegte. 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