一种无接触供电的旋转LED显示装置设计

瓮嘉民，周成虎

(河南工程学院 电气信息工程学院，河南 郑州 451191)

目前，旋转LED显示屏已广泛应用于广告行业及车站、银行、商场等公共场所，它具有功耗小、寿命长、色彩好、可视范围大等优点[1-2]，但是其显示画面不稳定[3]、旋转体的供电方式和显示数据的更新方法等诸多问题限制了旋转LED显示装置在实际中的应用，提出了一种无接触供电的新型旋转LED显示装置设计方案.

图1 系统结构框图Fig.1 System structure diagram

1 设计方案

整个系统由旋转和固定两部分构成,如图1所示.其中，旋转部分主要由CC2430无线数据接收电路、非接触供电接收及变换电路、红外接收电路和LED显示屏电路构成；固定部分主要由计算机、CC2430无线数据发送电路、PWM驱动电机、非接触供电的发射电路、红外发射电路和电源电路构成.

2 无线数据传输电路设计

计算机和旋转体之间显示数据的传输主要有有线和无线两种方式，本系统采用近距离ZigBee无线通信方式的CC2430芯片[4]，芯片电路原理如图2所示.

CC2430 的外围元件数目很少，数据发射和数据接收均使用一个非平衡天线，连接非平衡变压器使天线性能更好.电路中的非平衡变压器由电容 C341和电感L1，L2，L3以及一个 PCB微波传输线组成，整个结构满足RF输入/输出匹配电阻(50 Ω)的要求.内部T/R交换电路完成LNA和PA之间的交换.R221，R261为偏置电阻，其中R221主要用于为 32 MHz的晶体振荡器提供合适的工作电流，用一只 32 MHz石英谐振器和两只电容 C191，C211 构成 32 MHz晶体振荡器电路.电压稳压器为所有1.8 V电压的引脚和内部电源供电[5].

图2 无线数据通信原理图Fig.2 Schematic diagram of wireless data communications

另外，PC机将显示数据通过MAX232送到固定部分的CC2430，然后通过天线发射到旋转部分的CC2430.在旋转部分中，CC2430一方面接收来自固定部分的数据，另一方面不间断地将红外管测得的电机转速通过天线传给固定部分的CC2430.在固定部分中，CC2430根据实测的电机转速，调节PWM输出，使得电机转速运行稳定，以达到LED显示装置显示画面稳定的目的.

图3 同步位置和速度检测电路Fig.3 Simultaneous position and velocity detection circuit

3 同步位置和电机速度检测设计

显示的图像或文字要稳定，同步是关键.相位同步检测电路通常采用霍尔元件，当显示屏旋转到磁铁所在位置时，霍尔元件将会输出一个低电平脉冲至单片机作为位置基准信号，进而更新显示内容,电路如图3所示.R4和VD4构成红外发射电路，R5和VD5组成红外接收电路，INT1连接到旋转部分C2430的P1_3，P1_3定义为外部中断.当旋转板上的红外接收管每转动一圈就会导通一次，触发旋转部分的CC2430单片机中断一次，实现了字符或图像的信息读取和旋转电机转速的计算.

4 同步位置和电机速度检测设计

旋转LED显示屏的供电方式主要有电池供电、电刷供电、小型发电机供电和非接触供电.其中，非接触供电(CPT) 是一种新的供电方式，无需任何物理上的连接，可以方便地将电能无接触地传输给负载，其优点是无触点、寿命长.因此，本系统采用这种方式.

图4 非接触供电电路Fig.4 Non-contact power supply circuit

非接触供电电路原理如图4所示.分裂电感L21和L22与功率开关管VT1和VT2构成自激推挽式变换器电路，每一个开关管的控制电压分别取自另外一个开关管的两端电压.在理想情况下，两个开关管的参数相同.初始时刻，开关管VT1和VT2都处于关断状态.当电路接通时，电源电压同时作用于开关管的控制端，使它们同时导通.由于实际电路元件参数并不完全相同，两个开关管两端的电压不相等，如VT1的端电压较低，则VT2的控制电压较低，使VT2的端电压更高，从而使VT1的控制电压更高，使VT1的端电压更低，这样就形成了正反馈，最后VT2完全关断，而VT1完全导通.随着谐振电容C31两端电压的改变，两个开关管在电压过零时交替导通和断开，系统中的开关器件自动运行在零电压转换(ZVS)模式下.L31和L32组成无接触耦合变压器，其中C31和C32为原边、副边补偿电容，原边变换器和原边载流线圈L31属于固定不动部分；副边感应线圈、副边变换器和LED显示屏为旋转部分.原边与副边之间不存在电气连接.副边的VD1，VD2和C5，C6构成升压整流电路，经L4和C7滤波后由DC-DC芯片MC34063降压到+5 V(其中MC34063工作于大电流模式)，一方面由MC34063输出+5 V电压经DC-DC变换芯片TPS767D318输出3.3 V和1.8 V供旋转部分的CC2430模块使用，另一方面直接给LED显示屏供电.

5 软件设计

5.1 固定部分的软件设计

固定部分的CC2430软件的主要功能是随时接收计算机发送来的新的显示数据，同时将数据发送到旋转部分的CC2430，并接收来自固定部分CC2430反馈的电机转速，根据实测电机转速调节PWM的输出，进而调节旋转LED屏的驱动电机的转速，达到显示画面稳定的目的，其主流程图如图5所示.

5.2 旋转部分的软件设计

旋转部分的CC2430的主要作用有3个方面，首先是通过通信中断获得新的显示数据，并存入FLASH存储器中；其次是根据红外中断，更新屏的显示内容，同时计算驱动电机的转速；最后是定时到0.1 s，将测得的电机转速发送给固定部分的CC2430.旋转部分的主流程图如图6所示.

图5 固定CC2430主程序流程图Fig.5 Fixed CC2430 main program flow chart

图6 旋转CC2430主程序流程图Fig.6 Rotation CC2430 main program flow chart

6 结论

针对旋转LED显示装置存在的诸多问题，设计了基于无接触供电、ZigBee通信和PWM调速的新型旋转LED显示装置的系统，实验结果表明其运行效果良好.

参考文献：

[1] 张勇，金保华.一种无线旋转柱式图文显示屏的设计[J].郑州轻工业学院学报：自然科学版，2005，20(4)：82-85.

[2] 周江.旋转LED显示屏[J].电脑学习，2009(5)：91-94.

[3] 邓宏贵，李志坚，吴让亮，等.基于步进电机细分驱动技术的旋转LED显示屏设计[J].液晶与显示，2008，23(5)：595-598.

[4] 宁炳武，刘军民.基于CC2430的ZigBee网络节点设计[J]. 电子技术应用,2008，34(3)：95-99.