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三维 16 × 16 × 16 16 × 16 × 16 16 xx16 xx1616 \times 16 \times 16 RGB LED 立方体显示器的设计与构建
  文章 • 2024 年 5 月
DOI: 10.5281/zenodo.11391924
NIPES

一款 16 × 16 × 16 16 × 16 × 16 16 xx16 xx1616 \times 16 \times 16 RGB LED 立方体显示器的设计与构建

Bello N. 1 , ∗ 1 , ∗ ^(1,**){ }^{1, *} 与 Muhammed A. A. 2 2 ^(2){ }^{2} 12 12 ^(12){ }^{12} 尼日利亚埃多州贝宁市，贝宁大学电气/电子工程系，邮政信箱 1154。通讯作者邮箱：nosabello@uniben.edu, abudu.muhammed@uniben.edu

  文章信息

  关键词：

三维、LED 立方体、快速傅里叶变换、频谱图动画、嵌入式系统
收稿日期：2024 年 2 月 15 日
修回日期：2024 年 3 月 28 日
2024 年 3 月 30 日接收
2024 年 4 月 29 日在线可获取
https://doi.org/10.5281/zenodo.11391924
© 2024 NIPES 出版社。保留所有权利。

  摘要

本文介绍了一种 16 × 16 × 16 16 × 16 × 16 16 xx16 xx1616 \times 16 \times 16 RGB（红绿蓝）发光二极管（LED）立方体显示器的设计与构建。整个硬件结构由 4,096 个 RGB LED 三维排列组成，能够展示音乐文件的频谱图动画。该工程作品通过 PIC18F4620 和 PIC18F2620 微控制器分别实现控制电路和快速傅里叶变换（FFT）算法，以达到预期效果。其设计还集成了 ULN2803 驱动吸收器、4514 多路复用器、移位寄存器、ISD 17240 语音芯片及 WTV020 音乐芯片等集成电路（ICs），以实现音乐文件在快速变化的 3D 模式/形状中无缝 3 D 3 D 3D3 D 动画，清晰而奇妙地呈现声音频谱图的视觉幻象。

  1. 引言

LED 在电子元件和照明领域的全面应用已成为近年来的普遍趋势，这是一个易于实现的发展方向。使用 LED 的优势[1]包括体积小、寿命长、效率高、响应时间短、功耗低等。LED 灯最常见的应用[2]是显示和广告。LED 按特定顺序高效且系统地排列，是其低功耗的原因。该领域的大部分研究集中在矩阵 LED 显示屏[3,4]上，用于显示字母、数字和符号。我们可以在购物中心使用这些矩阵 LED 设备来显示或在矩阵上滚动名称。此外，这些 LED 灯还用于建筑物、购物中心、市场等许多地方的装饰用途。自 2001 年 5 月 22 日 Stephen W. Boyer 发明 3D LED 显示屏以来[6]，全球的商业营销人员、个体生产商或制造商以及大学、学院和理工学院等机构也进行了其他关于 LED 的工作[7,8]。其中之一是 Cubatron——2004 年至 2006 年间世界上最大的真 3D 彩色图形显示器[9]。 其尺寸为 8 × 8 × 8 8 × 8 × 8 8xx8xx88 \times 8 \times 8 英尺。它由 729 个体素（三维像素）组成，排列成 9 × 9 × 9 9 × 9 × 9 9xx9xx99 \times 9 \times 9 矩阵，彼此间隔 10 英寸。每个体素是一个直径为 40 毫米的球体，可独立显示 21 位 RGB 颜色。整个显示器每秒可更新约 30 次。此外，犹他州的自适应计算、云管理和高性能计算团队需要一些引人注目的展品带到他们的贸易展上，因此他们制造了首个 16 × 16 × 16 16 × 16 × 16 16 xx16 xx1616 \times 16 \times 16 全火花立方体。全火花立方体采用 10 毫米 RGB LED 灯珠构建，通过三英尺长的 16 号预镀锡铜线连接而成。
16 × 16 × 16 16 × 16 × 16 16 xx16 xx1616 \times 16 \times 16 LED 显示立方体是全球范围内制造的最大且最复杂的 LED 显示立方体之一[10]。多个 16 × 16 × 16 16 × 16 × 16 16 xx16 xx1616 \times 16 \times 16 LED 立方体已由不同个人、企业和机构制作完成。其中，自适应计算公司制造的 16 × 16 × 16 16 × 16 × 16 16 xx16 xx1616 \times 16 \times 16 LED 立方体显示系统便是少数之一[10]。本文中，我们将介绍其设计与构建过程。
一款能展示音乐文件频谱图动画的 16 × 16 × 16 16 × 16 × 16 16 xx16 xx1616 \times 16 \times 16 三维 RGB LED 立方体。该设备旨在呈现三维空间中构建的立体图像，而非需观众在二维平面上解读出的伪三维影像[11]。
图 1 (a)全火花 16 × 16 × 16 16 × 16 × 16 16 xx16 xx1616 \times 16 \times 16 三维 RGB LED 立方体。(b) 8 × 8 × 8 8 × 8 × 8 8xx8xx88 \times 8 \times 8 三维蓝色 LED 立方体[5]
为实现这一目标，设计采用 LED 阵列快速生成连续静态画面（称为帧），通过视觉暂留效应形成动画效果。该立方体的灵感源自贝宁大学先前完成的项目，以及市售成品的展示视频——这些产品既有整机出售，也提供套件供用户自行组装。无论是贝宁大学团队的设计方案还是商业成品，都激励我们打造出比现有任何设计更宏大、更精美的模型。

2.0 材料与方法

本研究在构建 LED 立方体、电路设计与 PCB 布局的仿真以及开发用于控制微控制器的固件过程中，需要若干材料。鉴于本文讨论按时间顺序展开，我们将首先介绍用于构建 LED 立方体的工具与材料，包括中密度纤维板（MDF）、1 米至 3 英尺卷尺、铜线、砂纸、电烙铁、焊锡、吸锡器、钳子、剪线钳、铅笔、数字万用表、刀具、剪刀、印刷电路板（PCB）、硬纸板、螺丝刀、钉子、有机玻璃板、钻孔机以及带夹子的 9 伏高压电池。整个设计分为以下两大主要部分：
  一) 硬件部分
a. LED 立方体阵列
  b. 电路设计
  ii) 软件部分
硬件设计包括 LED 立方体阵列与电路设计。针对三维 LED 立方体阵列的设计，该 LED 构建为一个 16 × 16 × 16 16 × 16 × 16 16 xx16 xx1616 \times 16 \times 16 立方体，包含 4,096 颗直径 5 毫米的 LED，每颗 LED 由四引脚 RGB LED 组成。立方体结构遵循文献[12]中 8 × 8 × 8 8 × 8 × 8 8xx8xx88 \times 8 \times 8 LED 立方体的相同排列方式。每层 LED 立方体由 256 颗 LED 构成，随后将这 16 层级联形成立方体。LED 尽可能均匀分布以实现对称尺寸。立方体阵列
被布置并间隔在 60 cm − b y − 60 cm − by − 60 cm 60 cm − b y − 60 cm − by − 60 cm 60cm-by-60cm-by-60cm60 \mathrm{~cm}-b y-60 \mathrm{~cm}-\mathrm{by}-60 \mathrm{~cm} 维度内。作为对 8 × 8 × 8 8 × 8 × 8 8xx8xx88 \times 8 \times 8 LED 立方体的改进， 16 × 16 × 16 16 × 16 × 16 16 xx16 xx1616 \times 16 \times 16 LED 立方体的设计变动涉及两个部分：显示单元的电源模块与驱动单元。此外，还调整了控制立方体动画的程序。

  2.1. 电源模块

由于立方体的体积发生了变化，其所需的功率也随之改变。系统中消耗大部分电流的组件是 LED 灯。该立方体采用多路复用技术，因此在任何时刻仅有一个水平层（平面）能被激活。一个平面最多包含 16 × 16 16 × 16 16 xx1616 \times 16 个 LED 灯，即 256 个同时耗电的 LED。所用超高亮度 LED 的额定电流为 30 毫安。但需特别注意的是，由于人眼对红、绿、蓝光的敏感度不同，为确保整体亮度均匀，必须通过 LED 中的红、绿、蓝路径分别通以不同电流值。红色 LED 的压降约为 2 伏，绿色和蓝色 LED 则分别为 2 伏和 3 伏。在电源设计中，为实现均匀亮度，我们为红、绿、蓝 LED 分别选定了 50 mA , 25 mA 50 mA , 25 mA 50mA,25mA50 \mathrm{~mA}, 25 \mathrm{~mA} 毫安、32 毫安的理想工作电流。每颗 LED 灯珠（内含 3 个 LED）点亮时，单个 LED 最大消耗电流为 50 毫安，整个平面最多有 256 × 3 256 × 3 256 xx3256 \times 3 个 LED 灯珠同时发光。 LED 立方体所需的最大电流计算如下：
单层 LED 数量 × × xx\times 每颗 LED 的最大电流
256 × 3 × 0.05 = 38.4 A 256 × 3 × 0.05 = 38.4 A 256 xx3xx0.05=38.4 A256 \times 3 \times 0.05=38.4 A.
因此，选用了额定电流为 50A 的电源。其他耗电组件如 ULN2803 灌电流驱动器、74HC595 移位寄存器及其他外围设备的功耗几乎可忽略不计。故此，电源需为 LED 立方体及控制器电路中的集成电路提供 5 V , 50 A 5 V , 50 A 5V,50A5 \mathrm{~V}, 50 \mathrm{~A} 的额定功率。

  2.2. 显示单元

需要在阴极层与地线之间以及阳极列与负电压之间接入一些电阻，以帮助切换层级后部分电流消散。否则，这些电流将通过 LED 泄漏，导致残影现象（即当新层点亮时，前一层仍微弱发光）。为解决此问题，每个 LED 阴极与 ULN2803 对应引脚间均串联 20 欧姆电阻。在 16 × 16 × 16 16 × 16 × 16 16 xx16 xx1616 \times 16 \times 16 LED 立方体中，设有 16 个阳极层和 256 个阴极列。鉴于整个电路工作电压为 12V，这意味着阳极层与地线间的电阻将产生总计 16 × 5 mA = 80 mA 16 × 5 mA = 80 mA 16 xx5mA=80mA16 \times 5 \mathrm{~mA}=80 \mathrm{~mA} 的电流消耗。

2.3 显示单元的构建

需将 4,096 颗 LED 组装成 16 × 16 × 16 16 × 16 × 16 16 xx16 xx1616 \times 16 \times 16 LED 立方体，其制作流程参照文献[12]所述方法，仅需考虑更大尺寸与更高维度。各切片尺寸为 16 × 16 16 × 16 16 xx1616 \times 16 ，经组合后形成 16 × 16 × 16 16 × 16 × 16 16 xx16 xx1616 \times 16 \times 16 LED 立方体。用作 768 根导线入口定位的硬纸板尺寸为 60 厘米×60 厘米。
在安装电路元件和构建 LED 立方体时，焊接环节得到了细致考量。所有 LED 均借助提供立方体支撑的铜线进行焊接。这些铜线预先用砂纸打磨处理，以确保良好的焊点质量。在形成最终立方体阵列前， 16 , 384 ( 4 , 096 × 4 ) 16 , 384 ( 4 , 096 × 4 ) 16,384(4,096 xx4)16,384(4,096 \times 4) 个焊点已完成。
焊接过程中特别注意避免烙铁长时间接触电路板和元件，以防元件因过热受损。同时，集成电路采用插座焊接而非直接焊接，因其对温度极其敏感。元件布局兼顾最佳功能性、可操作性和机械强度，并最大限度节省空间。

  2.4 软件设计

立方体显示控制的 C 程序修改主要集中在优化及控制单元编程逻辑调整上，其 FFT 逻辑仍与 8 × 8 × 8 8 × 8 × 8 8xx8xx88 \times 8 \times 8 LED 立方体保持一致。优化后的控制逻辑流程图如图 2 所示。
图 2. LED 立方体显示流程图

3.0. 结果与讨论

LED 立方体的构建分阶段进行。每个阶段开始前，确保备齐所需的施工工具、使用材料及电气元件。LED 立方体的组装过程极为繁琐，需要耐心与细致操作，期间需小心处理 LED 以避免不必要的损坏。如前所述，我们将整个项目分为两大主要阶段实施：硬件构建（包括 LED 阵列及电路设计与布局）和软件构建。图 5 与图 6 展示了 LED 立方体的构建阶段。
贝洛·N.与穆罕默德·A. A./《科技研究期刊》
2024 年第 6 卷第 2 期 第 185-199 页
  图 3. 夹具
图 4. LED 立方体的单层/切片结构
图 7 展示了完全组装好的 LED 立方体。如图 8 所示，该立方体被安装在一个玻璃外壳中，既美观又起到保护作用。
图 5 完全成型的 16 × 16 × 16 16 × 16 × 16 16 xx16 xx1616 \times 16 \times 16 LED 立方体阵列
图 6 至 23 展示了 LC 控制器电路、阴极驱动电路及电源电路的原理图与 PCB 布局。图 24 和 25 为 LED 立方体的组装 PCB 板。
图 6 LC 控制器原理图（1/9）
图 7 LC 控制器原理图（2/9）
图 8 LC 控制器原理图（3/9）
图 9 LC 控制器电路图（共 9 张之 4）
图 10 LC 控制器电路图（共 9 张之 5）
图 11 LC 控制器示意图（6/9）
图 12 LC 控制器示意图（7/9）
图 13 LC 控制器原理图（共 9 张中的第 8 张）
图 14 LC 控制器示意图（9 之 9）
贝洛·N. 与穆罕默德·A. A./ 《科技研究期刊》6(2) 2024 年 第 185-199 页
图 15 阴极驱动器电路图（共 5 部分之 1）
图 16 阴极驱动器电路图（共 5 部分之 2）
图 17 阴极驱动器电路图（共 5 部分之 3）
图 18 阴极驱动器电路图（共 5 部分之 4）
图 19 阴极驱动器电路图（5 之 5）
图 20 电源供应电路图
图 21 LC 控制器 PCB 布局
图 22 电源供应 PC
图 23 阴极驱动电路板布局
在开发的下一阶段，我们制作了电源、阴极驱动器和控制器所需的三块电路板，如图 24 和图 25 所示。
图 24 电源板
图 25 (a) 完全焊接的 LC 控制器板 (b) 四块完全焊接的阴极驱动板之一

  3.1. 测试

焊接完成后，使用数字万用表对印刷电路板(PCB)上的电子元件进行测试，以确认电路功能是否正常及连通性良好。测试采用模块化与时间顺序相结合的方式，即在构建过程中逐一对设计的每个特定阶段进行独立测试。这种方法能彻底避免级联错误（早期构建错误导致后续多重问题），并将任何故障精准定位至具体硬件或软件功能模块。通过模块化与分阶段测试，我们以最高效的方式发现并修正了错误。主要测试的硬件组件为 LED 灯，测试目的仅为确认其基本功能。每个 LED 测试包含红、绿、蓝三色的"亮/灭"状态检查。所有 LED 在焊接至立方体结构前均单独测试，焊接后再次逐一验证。此举既确保 LED 处于正常工作状态，又能识别 LED 立方体布线中存在的任何问题。 立方体采用逐层焊接的方式，每添加一个平面之前都会进行测试。最终，在将每个平面整合至立方体结构后，会对当时已构建的整个立方体进行全面检测。
LC 控制板与阴极驱动板是 LED 立方体的核心组件，负责调控电流、亮度及色彩。这些参数均需对各通道进行独立测试。通过校准通道，确保所有 LED 在每一条驱动通道及设备上呈现一致的色彩与亮度表现。

  4.0. 结论

本研究项目复杂精密，为实现最终原型机的预期规格，综合运用了电气与计算机工程领域的多项专业技能，包括嵌入式处理器开发、分立元件集成、印刷电路板制作、通信协议实现、嵌入式软件开发及软件设计等。由此，研究成功完成了 16 × 16 × 16 16 × 16 × 16 16 xx16 xx1616 \times 16 \times 16 RGB LED 立方体的设计与构建，该立方体具备亮度均匀、结构紧凑的特点，并通过了户外防尘验证。

  参考文献

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