【文章內(nèi)容簡介】 向的圖像處理結果分時疊加在一路 RGB 信號傳輸通道中，通過分時解碼器依次解出各個方向的圖像，與 LED 旋轉陣列相位檢測器同步后，依次投射出空間各方向圖像，可以使海量數(shù)據(jù)傳送使用模擬方式由簡單的幾顆數(shù)據(jù)傳輸線完成，解決了高速數(shù)據(jù)傳輸與數(shù)據(jù)傳輸通道帶寬限制的瓶頸。無需使用復雜的 FPGA 陣列及眾多的數(shù)據(jù)總線。 圖 31 視頻放大器 視頻放大器可以直接接受計算機圖形式配卡（顯示卡）信號，把顯示卡輸出的三路 RGB 視頻信號放大到足夠的幅度和功率，并 使之滿足一定的極性條件然后去驅動 LED。以共射 共基電路為核心組成視放末級，完成視頻信號的功率放大。其中第二級放大是直接驅動 LED的，因此它的重要性也是不言而喻的，它不僅決定了能否重現(xiàn)圖像，同時也決定了圖像顯示的效果。這部分電路除了具有視頻信號的放大以外，還有一些附加功能，如對比度調節(jié)、自動亮度控制（ ABL）、亮度調節(jié)、白平衡調節(jié)等。因此在控制器上可直接調節(jié)顯示屏的對比度、亮度、白平衡等參數(shù)。 （見圖 32） 12 圖 3 圖 32 視頻放大及驅動電路 PWM 調速 調相 電機部分 這個系統(tǒng)的基礎 組件包含一個 PWM 調速調相模塊、 電機驅動、控制電路、電源和基本機械結構。 PWM 調速調相模塊 內(nèi)的電機控制器控制電機的 轉動相位和 速度。這是一個標準的比例積分微分（ PID）控制器的傳遞函數(shù) : 這里 Kp， Ki， Kd 表示比例增益、積分增益和導數(shù)。 該控制器采用光柵碼盤輸出信號作為反饋。通過試驗 對控制器的增益進行調整，直到 PID控制器的運行令人滿意為止 。 直流伺服電機采用瑞士 型高精度直流伺服電機， 電機在轉速為 1200轉時提供 200W的有功功率 。然而，在常規(guī)運用中，電機允許運行于 不同 速度 ，最高可 達 1800 轉， 可進一步提高 運動物體 三維圖像的 顯示效果 。 圖 33 電路工作流程圖 體掃描控制部分的實現(xiàn) 系統(tǒng)為了得到穩(wěn)定的速度而采用速度閉環(huán)調速系統(tǒng)。 根據(jù)穩(wěn)態(tài)關系式，可得速度閉環(huán)調速系統(tǒng)的靜特性方程如下： bobe de gdSPe dSPgdSP nnkCRIkC UKKC RIanKKUKKn ?????????? )1()1( 式中： 閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù) ,它是各環(huán)節(jié)放大系數(shù)的乘積 ,其中電動機環(huán)節(jié)的放大系數(shù)為 。 obn 閉環(huán)系統(tǒng)理想空載轉速。 eSP CaKKk ?eC/1 a R( 1) 13 bn? 閉環(huán)系統(tǒng)靜態(tài)轉速降落。 圖 34 體掃描系統(tǒng)傳遞函數(shù)模型圖 由圖可見，將 電機調速 裝置按一階慣性環(huán)節(jié)近似處理后，速度閉環(huán)調速系 統(tǒng)就是一個三階線性系統(tǒng)。其開環(huán)傳遞函數(shù)為 ： 當 Ifz =0，系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為： WB (S)= = 式中 在直流電機驅動電路的設計中，主要考慮一下幾點： （ 1）功能：電機為單向轉動，需要調速。可以使用由 4 個功率元件（三極管，場效應管等開關元件）組成的 H 橋電路，實現(xiàn) PWM（脈沖寬度調制）調速。 （ 2）性能：對于 PWM 調速的電機驅動電路，主要有以下性能指標。輸出電流和電壓范圍，它決定著電路能驅動多大功率的電機。 （ 3）效率：高的效率不僅意味著節(jié)省電源，也會減少驅動電路的發(fā)熱。要提高電路的效率，可以從保證功率器件的開關工作狀態(tài)和防止共態(tài)導通（ H 橋或推挽電路可能出現(xiàn)的一個問題， 即兩個功率器件同時導通使電源短路）入手。 （ 4）對控制輸入端的影響：功率電路對其輸入端應有良好的信號隔離，防止有高電壓大電流進入主控電路，這可以用高的輸入阻抗或者光電耦合器實現(xiàn)隔離。 （ 5）對電源的影響：共態(tài)導通可以引起電源電壓的瞬間下降造成高頻電源污染；大的電流可能導致地線電位浮動。 （ 6）可靠性：電機驅動電路應該盡可能做到，無論加上何種控制信號，何種無源負載，電路都是安全的。 電阻作柵極驅動 （ 1） 輸入與電平轉換部分： 輸入信號線由 SPD 引入， 1 腳是地線，其余是信號線。注意 1 腳對地連接了一個2K 歐的電阻。當驅動板與單片機分別供電時，這個電阻可以提供信號電流回流的通路。當驅動板與單片機共用一組電源時，這個電阻可以防止大電流沿著連線流入單片機主板的地線造成干擾?；蛘哒f，相當于把驅動板的地線與單片機的地線隔開，實現(xiàn)“一點接地”。 高速運放 KF347（也可以用 TL084）的作用是比較器，把輸入邏輯信號同來自指示燈和一個二極管的 基準電壓比較，轉換成接近功率電源電壓幅度的方esp CaKKK /?)()( sUSngd111 )(11/23 ?????????SKTTSK TTTSKTTTkCKKsmslmslmesp14 波信號。 KF347 的輸入電壓范圍不能接近負電源電壓，否則會出錯。因此在運放輸入端增加了防止電壓范圍溢出的二極管。輸入端的兩個電 阻一個用來限流，一個用來在輸入懸空時把輸入端拉到低電平。 不能用 LM339 或其他任何開路輸出的比較器代替運放，因為開路輸出的高電平狀態(tài)輸出阻抗在 1 千歐以上，壓降較大，后面一級的三極管將無法截止。 （ 2）柵極驅動部分： 三極管和電阻，穩(wěn)壓管組成的電路進一步放大信號，驅動場效應管的柵極并利用場效應管本身的柵極電容（大約 1000pF）進行延時，防止 H 橋上下兩臂的場效應管同時導通（共態(tài)導通） 造成電源短路。 當運放輸出端為低電平（約為 1V 至 2V,不能完全達到零）時，下面的三極管截止，場效應管導通。上面的三極管導通，場 效應管截止 ,輸出為高電平。當運放輸出端為高電平（約為 VCC(1V 至 2V),不能完全達到 VCC）時，下面的三極管導通，場效應管截止。上面的三極管截止，場效應管導通 ,輸出為低電平。 上面的分析是靜態(tài)的，下面討論開關轉換的動態(tài)過程：三極管導通電阻遠小于 2千歐，因此三極管由截止轉換到導通時場效應管柵極電容上的電荷可以迅速釋放，場效應管迅速截止。但是三極管由導通轉換到截止時場效應管柵極通過 2千歐電阻充電卻需要一定的時間。相應的，場效應管由導通轉換到截止的速度要比由截止轉換到導通的速度快。假如兩個三極管的開關動作是同 時發(fā)生的，這個電路可以讓上下兩臂的場效應管先斷后通，消除共態(tài)導通現(xiàn)象。 實際上，運放輸出電壓變化需要一定的時間，這段時間內(nèi)運放輸出電壓處于正負電源電壓之間的中間值。這時兩個三極管同時導通，場效應管就同時截止了。所以實際的電路比這種理想情況還要安全一些。 場效應管柵極的 12V 穩(wěn)壓二極管用于防止場效應管柵極過壓擊穿。一般的場效應管柵極的耐壓是 18V 或 20V，直接加上 24V 電壓將會擊穿，因此這個穩(wěn)壓二極管不能用普通的二極管代替，但是可以用 2 千歐的電阻代替，同樣能得到 12V的分壓。 （ 3）場效應管輸出部分： 大功率 場效應管內(nèi)部在源極和漏極之間反向并聯(lián)有二極管，接成 H 橋使用時，相當于輸出端已經(jīng)并聯(lián)了消除電壓尖峰用的四個二極管，因此這里就沒有外接二極管。輸出端并聯(lián)一個小電容 (out1 和 out2 之間 )對降低電機產(chǎn)生的尖峰電壓有一定的好處，但是在使用 PWM 時有產(chǎn)生尖峰電流的副作用，因此容量不宜過大。在使用小功率電機時這個電容可以略去。如果加上這個電容則一定要用高耐壓的，普通的瓷片電容可能會出現(xiàn)擊穿短路的故障。 輸出端并聯(lián)的由電阻、 發(fā)光二極管 和 電容組成 指示電機 轉動方向 的電路。 （ 4）性能指標： 電源電壓 24~36V， 最大持續(xù)輸 出電流 5A/每個電機，短時間（ 10 秒）可以達到10A， PWM 頻率最高可以用到 30KHz(一般用 1KHz 到 10KHz)。電路板包含 4個邏輯上獨立 ，輸出端兩兩接成 H 橋的功率放大單元，可以直接用單片機控制。實現(xiàn)電機的雙向轉動和調速。 15 圖 35 PWM 電機調速調相機構電原理圖 在前級邏輯電路里，有意地對控制 PMOS 的下降沿和控制 NMOS 的上升沿進行延時，再整形成方波，也可以避免場效應管的共態(tài)導通。另外，這樣做可以使后級的柵極驅動電路簡化，可以是低 阻推挽驅動柵極，不必考慮柵極電容，可以較好的 適應不同的場效應管。 這個柵極驅動電路由兩級三極管組成：前級提供驅動場效應管柵極所需的正確電壓，后級是一級射極跟隨器，降低輸出阻抗，消除柵極電容的影響。為了保證不共態(tài)導通，輸入的邊沿要比較陡，上述先延時再整形的電路就可以做到。 電源部分 本設計電源部分 LED 陣列驅動 電源，控制電路電源和機械旋轉部分電源。 （ 1） LED 陣列驅動 電源 在 本設計中，需要將頻率脈沖寬度和功率進行變化，輸出不同的模擬形式的 PWM LED 陣列驅動信號，該信號 于圖像還原時對 LED 峰值亮度隨圖像實時 變化。為達到這樣的技術要求，就需 要一種驅動電路來實現(xiàn)這一功能。在實際的應用中成像的性能取決于 LED 陣列動態(tài)特性，由 LED 驅動 電源產(chǎn)生的 模擬型 點脈沖 PWM直接調制的 。因此， 模擬型 脈寬調制（ Analog pulse— width modulator， PWM）驅動 電源的設計是 LED 陣列 影像還原技術中的一項極其關鍵的技術。 該 電源設計的技術難點在于：一方面， 模擬型 點脈沖 PWM 直接調制 LED 陣列的激勵調制 電流很大，即使是峰值 功率為 50mw 的 LED 單體，瞬間峰值電流 要達到 185mA，若直接使用較大功率的開關驅到功率 MOS 管時其體積、成本都將較難控制在一 個較為合適的范圍內(nèi)，所以有必要利用能量壓縮 技術，即把瞬時功率較小的能量通過一定時間（相對較長）存儲在儲能元件 中，在適當時刻瞬時（相對較短的時間內(nèi)）放出。另一方面：在 LED 用于影像還原的應用場合， LED 的照度隨圖像的細節(jié)部分的變化而實時變化，因而需要對 LED 陣列 進行調制， LED單元對電壓是很敏感的，對調制 脈沖的寬度和上升沿要求非常高。然而，在實際產(chǎn)生窄脈沖大電流的電路中，脈寬和上升沿主要受開關器件速度和電路寄生參數(shù)（在較高頻條件下特別寄生電感的影響尤其嚴重）的限制。針對這些難點，我們設計出了 模擬型 PWM 調制式脈沖 驅動電路 。 通過電阻，電容及 二極管給多頻振16 蕩器提供震蕩信號，通過 PWM 信號源可以改變充電時間的長短來改變脈沖 信號的寬度；又能給多頻振蕩器提供振蕩信號來控制輸出脈沖 信號的頻率，通過 FM信號源的變化來控制輸出脈沖的頻率大小。兩個多頻振蕩器的輸出可以相互控制。這時的輸出信號峰值功率很小，不足以驅到 LED,必須用后面的擴流電路增大輸出電流。 經(jīng)過 兩個高速 的 開關管，一個 為 大功率的雙 MOS 芯片， 分別控制大功率 MOS 開關管，實現(xiàn)對儲能電容的放電控制，通過采用高速的開關管來對后級的高功率雙 MOS 管進行驅動，這樣可以使 得 儲能電容 上的電荷在幾十個納秒內(nèi)進行迅速釋放，從而能夠產(chǎn)生上升沿為納秒級的脈沖信號 ，這樣就可以解決LED 脈沖 電流的產(chǎn)生，很好的解決了 LED 顯示的驅動問題。 圖 36 窄脈沖信號發(fā)生器 （ 2） 控制部分電路電源 數(shù)字部分電路對于電源的波紋要求較低，可采用開關電源電路，借此降低體積 、重量及 成本。 視頻 放大 部分對電源的內(nèi)阻、 紋 波 系數(shù) 等 要求較高，應使用線性 穩(wěn)壓電源來供給?？刹捎?78xx、 79xx、 LM338 等通用穩(wěn)壓器簡化電路 。 4. 系統(tǒng)特征與功能 LED陣列成像方法的準靜態(tài)旋 轉式體 3D 顯示系統(tǒng) 特點 顯示立體內(nèi)容：立體顯示器顯示三位立體影像，還原真實再現(xiàn)。 裸眼：無需借助任何輔助設備即可觀看三位立體影像效果。 多視點 :水平觀看角度達到 120 度。 高亮度 :與當前世界 3D 顯示器個廠商產(chǎn)品相比較，有更高的亮度，對環(huán)境光線沒有任何要求條件，適合各個場所的立體顯示。 高清晰：專門算法能有效去除摩爾紋，雙眼沒有障礙的接收視頻圖像，如身臨其境。 大縱深：視覺縱深能達到 177。 米。 17 便攜：隨時隨地體驗立體效果。 應用廣泛：適用于所有用戶形象展示的場所，效果震撼。 旋轉 LED體 3D 顯示器 的功能 本裝置無需任何輔助設備，裸眼即可觀看；能夠提供逼真的立體效果，色彩鮮艷，視覺沖擊力十分強大，帶給人震撼的視覺盛宴。觀眾可在 5 米內(nèi)以 360176。的角度觀看，充分展現(xiàn)了 3D 顯示的立體顯示效果。 （實測） 該 3D 顯示裝置的主體部分為： 實時圖像采集單元、旋轉 LED陣列 、 光柵遮罩桶、PWM調速調相控制器 、 直流伺服電機 、控制軟件、控制計算機 、 電源部分 。最主要的是電腦處理后的圖像應與旋轉 LED 陣列板及光柵遮罩桶的相位相對應符合 。 預期在試制成功的顯示裝置上 ，該系統(tǒng)可達到如下技術指標： ：立體效果逼真、色彩鮮艷、視覺沖擊力強大； ：無需任何輔助設備，裸眼即可觀看； ：觀眾可在 5 米內(nèi)以 360176。的角度觀看；