用 Arduino Due 制作炫酷 POV 圆柱显示器——分步指南

项目简介

这是我的第一个 Arduino 项目，灵感来源于多个制作者的 POV（视觉暂留）球体显示项目 [2,3,4]。

视觉暂留 是指人眼将多个离散图像融合为单一图像的光学错觉，被认为是电影和动画动态感知的解释 [1]。

参考项目 [2,3,4] 采用离散 LED 和移位寄存器实现 POV 球体显示，而我的装置使用旋转圆柱体和现成的 RGB LED 灯带作为 POV 显示屏。

主要特性

• POV（视觉暂留）显示
• 在旋转圆柱上显示动态 GIF 图片
• GIF 图片存储在 Arduino 的 RAM 或 Flash 中
• 通过蓝牙与 PC 通信

技术规格

• 圆柱直径：200 mm
• 圆柱高度：200 mm
• 圆柱材质：泡沫塑料
• 圆柱重量：420 g
• 4 条基于 LPD8806 的 RGB LED 灯带
• 屏幕分辨率：151 × 40 像素
• 基于 Arduino Due
• 包含 HC-06 蓝牙模块
• 通过蓝牙由 PC 控制

机械结构

机械结构如下图所示。装置由底盘和转子两部分组成。

底盘由两块圆形胶合板圆盘通过三根螺纹杆连接，圆盘间距 120 mm。中间装有两个滚珠轴承和轴（同样使用螺纹杆）。轴通过两个伞齿轮和一个同步带由电机驱动，转速高达 1300 RPM（22 Hz）。

转子由两个泡沫塑料圆柱和两个圆形铝盘组成。泡沫圆柱粘接在下盘上，上盘可拆卸，用于将转子固定在轴上。

电子模块位于转子上部，包括：

• Arduino Due 开发板
• 自制 Arduino Due 扩展板
• 电源板
• HC-06 蓝牙模块

电源（7.5V）通过滑动触点和集电环馈送至电源板。四条 LED 灯带共 40 个 RGB LED，通过线缆连接到 Arduino 扩展板。

四条 LED 灯带按下图布局放置。通过四条错位排列的灯带，Y 轴方向上 LED 间距缩减为 1/4，X 轴方向由软件控制。软件每转更新所有 40 个 LED 151 次。图中网格对应可见像素。

电子电路

电子电路详见附件 PDF 原理图。

电源板采用 LM317 稳压器，输入 7.5V，输出 4.6V，为 Arduino Due 和 LED 灯带供电。

自制扩展板包含 LED 灯带连接器和红外接收电路。红外接收器用于检测转子位置，连接至 Arduino 的定时器/中断输入引脚。

四条 LED 灯带命名为 STRIP0 至 STRIP3，每条含 5 个 LPD8806 驱动芯片和 10 个 RGB LED。STRIP0 接 USART0，STRIP1 接 USART1，均以 SPI 模式工作。STRIP2 和 STRIP3 串联后由 Arduino 的 SPI 接口驱动。

HC-06 蓝牙模块接 USART3，由 Arduino 提供的 3.3V 供电，用于与 PC 通信。

Arduino 软件

Arduino 软件由主程序（mpc.ino）和以下库组成：

• bt - 蓝牙模块驱动
• LDP8806 - LED 灯带驱动
• MemoryFree - 检测可用 RAM
• mpcgif - 播放存储在 RAM 或 Flash 中的 GIF 文件
• pictures - 存储在 Flash 中的内部 GIF 图片
• trace - 软件调试功能

图片向 LED 灯带的周期性输出由中断驱动。使用两个翻转帧缓冲，每个缓冲存储一幅 40 × 151 像素的图像，每像素为一字节调色板索引。一个缓冲通过中断和 DMA 输出到 LED 灯带，另一个由主程序准备（如解码 GIF）。帧中断例程负责翻转缓冲。

每转产生一帧中断，由红外传感器触发。帧中断例程通过硬件定时器测量转速，并编程周期性列中断（每列一个，即每转 150 次中断）。列中断例程将当前列数据输出到 LED 灯带。为提升性能，输出通过三个并行工作的 DMA 通道完成。

完整 Arduino 源代码可在 GitHub 获取。

PC 控制程序

PC 控制程序（pccp）是运行在 Cygwin 下的 C++ 命令行工具，通过蓝牙与 Arduino 通信。支持以下单字符命令：

• 0-7 - 用颜色填充屏幕（黑、红、黄、绿、青、蓝、紫、白）
• t - 绘制三角曲线（测试图案）
• s - 启用/禁用显示图片旋转
• r - 绘制单行
• c - 绘制单列
• y - 播放存储在 Flash 中的内部 GIF 图片
• f - 通过蓝牙从 PC 下载外部 GIF 文件
• x - 播放下载的外部 GIF 文件

pccp 还提供图形用户界面接口，并显示当前转速（Hz 和 µs）及帧计数器值。完整源码见 GitHub。

图形用户界面

GUI 为通用 Windows 应用，允许选择要显示的 GIF 文件。该应用源自“Microsoft Windows Universal Samples”中的 FilePicker 示例 [5]。完整源码见 GitHub。

参考资料

1. https://en.wikipedia.org/wiki/Persistence_of_vision
2. RGB LED GLOBE - POV - 40 x 200
3. POV Globe Display RGB
4. POV Globe Display RGB - 项目描述（德语）
5. https://github.com/Microsoft/Windows-universal-samples

代码仓库

• Arduino 源码：https://github.com/hanoba/povc-arduino
• PC 控制程序：https://github.com/hanoba/povc-pccp
• 图形用户界面：https://github.com/hanoba/povc-win-app

原理图

原理图请参考附件 PDF 文件。