实验题目：LED 点阵的旋转显示设计

1. 课程简要信息

课程名称是《电子线路设计·实验·测试》，它是国家精品课程。该实验课程包括模拟电路、数字电路的基础实验、综合实验、创新实验等三个层次。根据不同的专业（机械、电气、计算机、电子、光电、自动化、电信、通信等）要求，本课程适合大二下或大三上的学生，课程学时有：32 学时、40 学时、48 学时、56 学时、64 学时等。

2. 实验内容与任务（限 500 字）

根据所学的电工与电子技术知识，采用电机驱动 LED 平面点阵屏旋转，通过XILINX 公司的 FPGA 开发板作为主控模块，实现二维 LED 平面点阵屏显示 3D 图形。基本要求：

$\textcircled{1}$ 应用 Protel 软件，设计硬件平台所需的 PCB 板。

$\textcircled{2}$ 搭建实验硬件平台，包括底座、电机、转盘、LED 点阵，FPGA 开发板、电源等。

$\textcircled{3}$ 在 ISE 软件中调试 verilog 代码程序，对图形进行仿真与分析。

$\textcircled{4}$ 采用 FPGA 开发板作为主控模块，下载、测试与实现一种动态 3D 显示，每一个图形结果显示不一样。

扩展要求：

$\textcircled{1}$ 通过编程改变所显示的图形，在LED平面上动态显示两种不同光立方图形。$\textcircled{2}$ 设计实现与平面旋转的 2D 图形相比，除有平面旋转的 2D 图形功能外还有像光立方一样的两种不同立体图形。$\textcircled{3}$ 与立体旋转的 LED 列相比，除有立体旋转的 LED 列功能外还具有像光立方一样的两种不同的 3D显示效果。

提高要求：

$\textcircled{1}$ 通过无线串口通信，用上位机控制LED平面点阵屏上的3D显示图形。

$\textcircled{2}$ 应用手机 APP控制3D图形显示。

创新要求：

自主选择实现方法，自主发挥创新，3D显示的实验结果图形可以多样性。

3. 实验过程及要求（限 300 字）

$\textcircled{1}$ 根据实验教学内容，在实验课前自学预习和查询相关资料及背景，对实验的理论知识有一个初步的了解。

$\textcircled{2}$ 按照在实验课中所讲知识，掌握ISE的使用过程及verilog语言的编程技巧。熟悉PROTEL进行 PCB板的制作，设计符合实验系统方案的 LED点阵电路图。

$\textcircled{3}$ 在实验课外，分析实验工作原理，选择合理的方案，设计实验系统框架结构图。

$\textcircled{4}$ 搭建硬件平台时，要求电机转速与 LED 屏的扫描频率相匹配；底座的稳定性高；转盘的平衡性好。

$\textcircled{5}$ 编写程序采用层次化的设计方法。首先设计子功能模块，然后将各子功能模块组成系统进行仿真与分析。

$\textcircled{6}$ 使用串口调试助手软件，用AT 指令集对蓝牙模块进行参数设置，保证发送和接收数据信息正确。

$\textcircled{7}$ 实验验收要求有作品、工程文件、设计总结报告、视频、PPT、答辩等。

4. 相关知识及背景（限 150 字）

本实验是利用电工和电子技术解决现实生活和工程实际问题的典型案例。机场、车站、商场等二维 LED 屏信息显示有一定的局限性，一般需要正面观看，如果超过一定的角度，看屏幕显示的效果就会大大减弱，甚至看不到屏幕的显示内容，同时这些二维平面的显示系统也由于丢失了第三维深度使得信息看起来缺乏立体感，本实验正是为改进这些缺陷进行设计。

5. 教学目标与目的（限 100 字）

推动实验课程在 FPGA 新技术方面的教学活动开展，为学生提供实践工程平台和实训机会，培养电类专业学生在电子系统与 FPGA新器件上运用多门课程知识的综合设计能力、自主创新能力以及就业竞争能力。

6. 教学设计与引导

本实验是一个多层次、逐步提升的综合性实验，涉及的知识点比较多。首先，根据实验内容在课前分析需求、收集信息、查阅文献，学习和实验有关的基本原理，自主设计初步的实施方案；其次，在方案论证时，需要考虑系统的抗干扰、功率功耗、成本及性价比；最后，写出预习报告。在实验教学设计中，可以从以下几方面加强对学生的讲解和引导。

硬件方面：

$\textcircled{1}$ 介绍设计加工底座的一般方法。设计时，底座要平，和桌面接触要多；底座要重，否则转盘旋转可能引起系统振动。

$\textcircled{2}$ 讲解电机的工作原理，引导选用电机要考虑功率、功耗、性价比等问题。

$\textcircled{3}$ 关于转盘的选择，引导选用材质轻的，可以减小电机功耗，但又要有硬度，它承载着开发板、电源、LED 点阵屏。在转盘上安放它们时，保持重量平衡，紧贴转盘。

$\textcircled{4}$ 讲解常用的几种二极管优缺点。引导选择贴片二极管时，要注意尺寸大小、功耗。焊接贴片二极管时，要注意每个贴片 LED 的正负极方向，正反两面焊盘间的孔连通问题。

$\textcircled{5}$ 在硬件平台设计、搭建完成后，需要用标准仪器设备进行实际测量，调试相关参数，讨论验证硬件设计方案的合理性。

软件方面：

$\textcircled{1}$ 讲解protel 软件，其中布局是一个重要的环节，布局合理或好坏直接影响布线的效果。引导设计双面PCB板的好处。

$\textcircled{2}$ 介绍ISE 的使用和编程技巧。根据预习报告提出的软件设计方案，仔细分析、相互讨论每个方案的可行性和优缺点，选取最优方案。引导编程采用分层次电路设计，将系统分解成若干个子模块，分别对每个子模块建模，明确每个子模块的功能，然后整合子模块组成一个总模块，完成系统功能。

$\textcircled{3}$ 在进行图形编写设计时，若是二维的图形，可以在代码和仿真中直接看到图形效果，若是三维图形，最好先画一份图纸，然后根据图纸进行编写，学会从仿真结果中分析问题，否则容易出错。另外图形设计时，还要根据实际的管脚分配和行列控制情况来编写，否则就会和最初设计的图形差别很大。

$\textcircled{4}$ 由于电机加上负载之后的转速并不是电机厂商所给的转速，一般要通过上电测试，测出一个可以稳定显示的图形，然后根据该稳定图形的频率得到加负载后电机的转速，最后根据该转速确定其他频率的图形所需的数据。

$\textcircled{5}$ 学习蓝牙串口调试助手，引导设置自动配对两个蓝牙模块，其中注意配对密码、波特率、校验位、停止位等参数。

验收方面：

$\textcircled{1}$ 根据所做的实验内容，现场演示完成的实验作品。
$\textcircled{2}$ 打开工程文件，讲解随机抽查所编写的代码。
$\textcircled{3}$ 检查设计性总结报告。
$\textcircled{4}$ 制作视频、PPT，参加校园杯比赛。

7. 实验原理及方案

根据视觉暂留的原理，通过传输多边形描述符并旋转电子装置，以不同的角度显示多个截面图像可以得到三维图像。人眼的视觉暂留时间是 $0 . 0 5 8 { \sim } 0 . 2 8$ 的范围内，如果用电机带动 LED点阵屏高速旋转，转动一圈的时间只要小于 0.2S，从视觉效果上就会形成视觉暂留。如图 1所示。

图1 视觉暂留原理示意图

通过图 1 可以看出，在足够短的时间内，点亮所需显示图形各部分所对应位置的LED，最终就可以看到完整的图形。该示意图展示的是一列 LED可以带来的效果，如果使用多列排成一面的 LED 点阵，再加上高速旋转形成一个圆柱形的扫描体，就可以显示三维立体的图形。

本实验的方案设计框图如图2所示。系统底座支架上安装电机，直流电源给电机供电。转盘固定在电机上，它上面有LED面板、PFGA开发板、充电电源、蓝牙接收模块。电脑上有蓝牙发送模块。

图2 系统方案设计框图

在设计的方案中，比较重要的模块有：UART 接收发送模块、图形控制模块、频率控制模块等。

UART接收发送模块：UART是异步收发传输模块，它将要传输的数据在串行通信与并行通信之间加以转换，没有传输同步时钟。为了能保证数据传输的正确性，采样模块利用16 倍数据波特率的时钟进行采样。当并行数据准备好后，如果得到发送指令，则将数据按 UART协议输出，先输出一个低电平的起始位，然后从低到高输出8 个数据位，接着是可选的奇偶校验位，最后是高电平的停止位。

图形控制模块：图形是由开发板通过控制 32 个输出管脚的高低电平来控制的，其中 16 个管脚连接到 LED 点阵的正极，剩下的 16 个连接到 LED 点阵的负极，这样就可以控制每个 LED 的亮灭。例如在编写二维字符 HELLLO 的代码时，led0 的低 16位控制LED点阵的正极，高 16位控制 LED点阵的负极。二维字符的显示只需要 LED点阵最外侧一列的扫描，且可以从代码中看出字符的形状。同时可以看到第一个字符H的中间一横并不连续，而是间隔的，这是为了减小字符行与列之间的亮度差。

频率控制模块：为了实现视觉暂留，LED 点阵必须高于 24Hz 的频率进行扫描，同时不同的图形需要不同的效果，所以每个图形和电机转速的匹配频率不一定相同，本实验中有七个不同的图形，有六个不同的分频模块，有两个图形公用一个频率，其他图形的频率都不相同。

8. 教学实施进程

$\textcircled{1}$ 课前阶段。预习自学视觉暂留原理、ISE 开发软件、电机的工作原理、UART 通信协议、PCB板的制作。

$\textcircled{2}$ 教学阶段。采取互动式教学模式。首先讲解实验内容的基本原理、设计方法、注意事项、重点难点；其次开展互动式讨论；最后形成实施方案。

$\textcircled{3}$ 实验阶段。编写 3D 图形模块，仿真、分析、下载；调试 UART 串口通信；指导和纠正出现的问题；联调和测试系统。

$\textcircled{4}$ 课外阶段。制作 PCB 板、搭建硬件平台、交流编程技巧。

$\textcircled{5}$ 验收阶段。采取 XILINX公司资助的华中科技大学Xilinx 校园杯FPGA电子设计大赛。首先演示实验作品，然后答辩评比。

$\textcircled{6}$ 总结报告。设计性实验报告除规范化外，还要体现自己的特色。

9. 实验报告要求

实验报告需要反映以下工作：

$\textcircled{1}$ 实验需求分析
$\textcircled{2}$ 实现方案论证
$\textcircled{3}$ 理论推导计算
$\textcircled{4}$ 电路设计与参数选择
$\textcircled{5}$ 电路测试方法
$\textcircled{6}$ 实验数据记录
$\textcircled{7}$ 数据处理分析
$\textcircled{8}$ 经验与收获
$\textcircled{9}$ 未来展望

10.考核要求与方法（限 300 字）

$\textcircled{2}$ 实验质量：电路方案的合理性，焊接质量、组装工艺。
$\textcircled{3}$ 自主创新：功能构思、电路设计的创新性，自主思考与独立实践能力。
$\textcircled{4}$ 实验成本：材料与元器件选择、成本核算、损耗是否合理。
$\textcircled{5}$ 实验数据：测试数据和测量误差。
$\textcircled{6}$ 实验报告：实验报告的规范性与完整性。
$\textcircled{7}$ 答辩比赛：讲解是否有条理、回答问题是否准确。

11.项目特色或创新（可空缺，限 150 字）

项目来源于生活，在视觉效果上能够让人深感耳目一新，能够让作品在众多的平板显示屏之中脱颖而出，为广告设计、媒体宣传界注入了新颖且颇具创意的宣传方式。

$\textcircled{1}$ 可以 $3 6 0 ^ { \circ }$ 全视角地显示 3D图形。

$\textcircled{2}$ 融合了目前流行的三种 LED产品特点：光立方、平面旋转列、立体旋转列。

$\textcircled{3}$ 让更多不具有专业技能的用户方便使用。

$\textcircled{4}$ 实现方法及结果具有多样性。

$\textcircled{5}$ 采取课赛结合。

$\textcircled{6}$ 该系统后续还具有很大的开发应用空间和价值，体现在颜色、深度、速度等方面。

实验案例信息表