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1、基于时域复用场分割技术与旋转LED阵列成像方法的准静态旋转式体3D显示系统的研究 2013年 4 月摘 要基于时域复用场分割技术与LED旋转阵列的真实立体影像显示技术是采用时域复用场分割技术，将上位机所处理的Volumetric 3D数字图像信号通过LED旋转阵列显示系统投射成真实影像，实现Volumetric 3D显示效果。与传统3D显示相比，本系统具有裸眼3D显示效果，使观看者无需通过佩戴3D眼镜就能达到欣赏3D影像的目的。同时，本系统具有360度全息图像显示效果，使观看者可以360度全方向观看图像。本系统采用CUDA和Open GL交互式操作，Modo3D建模、和Final Cut Pr
2、o X的后期制作。利用ObjectiveC和C+完全兼容式编程实现图像还原保真，并且采用多视点图形合成还原技术，利用图像补差法和光影位移法及面部识别系统使图像可以在计算机里呈现为清晰的立体像，最后将GPU处理图像显示在LED旋转阵列上，利用同步刷新形成完整的3D立体影像。从而形成显示清晰、效果极佳的3D显示效果。关键字 Volumetric 3DLED阵列 同步刷新 PWM 多视点图形合成 OpenGL 时域复用场分割 异步消隐AbstractSegmentation technique based on time domain multiplexing handy LED rotating
3、array of real stereoscopic display system is the use of time-domain multiplexing in handy segmentation techniques, the Volumetric 3D digital image signal processing by the host computer by rotating LED array system projecting into real images,Volumetric 3D display. Compared with the traditional 3D d
4、isplay, the system has the naked eye 3D display, the viewer will be able to enjoy 3D images without the need to wear 3D glasses. At the same time, this system has a 360-degree holographic image display, the viewer can 360-degree omni-directional viewing images. The system uses CUDA and Open GL inter
5、active, Modo3D modeling, and Final Cut Pro X post-production. Using Objective-C and C + + fully compatible programming image restore fidelity, and multi-view graphics synthesis reduction technology, so that the image can be in the computer presented as a clear three-dimensional like with the image m
6、aking it law and shadow displacement method and facial recognition systems, Finally, the GPU processing image display on a rotating LED array, using synchronous refresh form a complete 3D stereo images. To form clear display, excellent 3D display.Keywords: Volumetric 3D LED array Updated synchronous
7、ly PWM Synthesis of multi-view graphics OpenGL Time-domain multiplexing in handy segmentation Asynchronous blanking目录前 言1系统简介21.1系统概述21.2基于时域复用场分割技术的体3D显示技术的系统的构成31.2.1图像显示器屏体31.2.2屏控制器31.2.3体像素分割器41.2.4图像加速器41.2.5 LED阵列驱动器51.2.6电机51.2.7电源61.2.8视频流数据及行、场同步信号，异步消隐信号，同步刷新信号发生器61.2.9分时解码器71.2.10控制软件71.
8、2.11控制计算机81.2.12 GPU加速器等组成82 系统软件92.1软件的系统结构93 系统组成143.1电路部分143.1.1图像解码部分的实现143.1.2视频放大器153.1.4 PWM调速调相电机部分163.1.4体扫描控制部分的实现163.1.5 电源部分214. 系统特征与功能224.1基于时域复用场分割技术与旋转LED阵列成像方法的准静态旋转式体3D显示系统特点224.2 旋转LED体3D显示器的功能235.系统的应用情况及测量数据（实测）236.系统开发意义247.国内外相关技术的发展状况268结束语299参考文献29302013“挑战杯”吉林省大学生课外学术科技竞赛作品
9、前 言自电影阿凡达上映以来，3D显示技术飞速走入人们的生活，人们已经不能满足于坐在电影院里面欣赏3D影片。于是，3D显示器、3D电视应运而生，从此，曾经高居庙堂之地的3D显示飞入寻常百姓家。但是，目前的3D显示系统都需要佩戴偏光式或快门式的眼镜才能看出立体效果。随着时代的发展，这样的显示形式也终将面临被丢入历史的长河的厄运。2013年5月1日，钢铁侠3的上映，3D显示技术给动漫角色赋予了新的生命，让无数漫画迷们如身临其境，过足了英雄瘾。钢铁侠里面经常出现这样的镜头，里面的所用设备、材料等等通过立体显示技术出现在实验室的中央位置。也许是这样的镜头看的多了，让我们对这种显示方式习以为常。但是，这种
10、立体显示在我们的现实生活中还处于刚刚起步的阶段，随着3D真实影像显示技术市场的不断扩大，一台显示效果清晰，可通过计算机系统控制，与显示器同步显示二维、三维图像的高清晰、全方位、真实的立体显示系统，已成为当今军事、科技、医学3.4及信息发布媒体的必然需求。符合上述要求的显示系统虽然已经存在，但由于其制造成本太高，使如此有划时代特性的产品难以推广。因此，我们利用LED的多种优良特性设计出本系统，希望使之在更广泛的领域达到更理想的效果，满足大众需求。旋转矩阵式LED3D显示技术利用人眼的视觉暂留效果，通过双闭环PWM调速机构使光栅遮罩桶与LED显示阵列围绕中心旋转，以获得具有空间深度信息的全方位立体
11、影像的技术。在技术上，与现有的3D显示技术有所不同，前者着眼于有深度的裸眼显示效果，而非快门式或者偏振式3D显示系统那样用光学视差的形式成像的效果。 系统简介1.1系统概述 体3D1显示是将计算机中的三维物体模型映射到现实物理空间中，然后将与物体物理模型对应的空间位置介质激发，使介质发光而产生体像素，众多离散的体像素叠加在一起便构成了三维立体图像。根据显示空间形成方式的不同，体3D显示可以分为静态体3D显示和扫描体3D显示2。1979年MIT的研究生Edwin Berlin首先提出了基于旋转高速发光阵列的体3D显示的构想9。高速发光体阵列可由LED等发光器件构成，电路系统对屏幕扫掠过的空间位置
12、进行寻址，从而产生体像素，每个扫描平面显示3D场景的一个切面，发光体阵列高速旋转，由于视觉暂留效应，使人眼感知为完整的3D画面。 随着LED设计和制造水平的不断提高，发光效率的不断增强，LED作为当前响应速度最快的发光器件，对于要求数据刷新速度非常快的体3D显示而言无疑是一种福音。LED拥有超长的使用寿命，达10万小时以上，这对于造价不菲，机构复杂，维修困难的空间3D显示来说是非常重要的。LED发光近似为朗伯体(见图1-1)，在4空间内发光基本上是各向同性的，这使得空间3D系统显示图像的亮度和色度均匀性大大提高，提高了3D图像的品质。图1-1 LED配光曲线基于时域复用场分割技术的体3D全息显
13、示系统6-8是一个集视频实时采集、图像处理、LED显示、电子技术、自动控制调节等多种技术综合应用于一体的扫描体3D显示系统，它可以实现全方位360观看3D图像的功能5。1.2基于时域复用场分割技术的体3D显示技术的系统的构成系统主要包括实时图像采集单元、旋转LED阵列、光栅遮罩桶、PWM调速调相控制器、直流伺服电机、控制软件、控制计算机、电源部分等组成。1.2.1图像显示器屏体显示屏屏体（见图1-2）由三块可围绕中心旋转的LED阵列条和其外部的光栅遮罩桶构成。显示屏接受从显示屏控制器输出的全彩色3D影像数据流，进行解码并显示。显示单元安装有高速模拟图像驱动电路。(下图在测试现场所采集到为调整相
14、位、抖动校正得到的2D图像，画质清晰细腻。)图1-21.2.2屏控制器显示屏控制器(见图1-3)是图像信息处理的核心设备。显示屏控制器可以直接接受计算机图形式配卡（显示卡）输出的信号，进行解码、转换及信号处理、编码、模拟化传输，向LED旋转阵列输出显示信号。图1-3注：图中为测试版屏控制器1.2.3体像素分割器利用开放式图形库OpenGL构建了一种为旋转解码器空间三维体显示系统10-13提供前期三维数据，模拟图像预显示的软件仿真平台。该平台从3DS文件中获取体显示系统的三维物体信息，使用剪切算法转化为显示点集源数据，再经坐标变换得到LED旋转阵列的控制信号，用OpenGL中的一系列应用程序接口
15、（application programming interface, API）函数在普通的平面显示器上仿真显示所得点集,同时将所得的控制信号生成计算机图形适配器驱动信息，用以驱动显示。1.2.4图像加速器智能图像加速器(SIA)的使用，实现了出色的多媒体质量，而不会以牺牲处理速度为代价。SIA是一个实时可编程的图像重建引擎，传输速率高达80Mpixel/s，因此节省了一个外接图像协处理器，从而达到降低材料成本(BOM)的目的。SIA配合30Mpixel/s MPEG图象编码能力的智能视频加速器(SVA), 能够实现出色的高速回放性能，以及低功耗视频编码功能。 图像加速器将智能视频加速器与支持
16、2D/3D图形密集应用的图形加速器连接到一起。支持高质量的加速，30帧/秒SDTV(标清) MPEG-4编码运算可与复杂的音频处理同时进行。H.264/AVC解码通过SVA加速，并以30帧/秒的速率支持高达VGA的格式。通过将繁重的多媒体处理任务分配给不同的加速器，这些加速器可以独立或并行处理特定的编解码功能，它允许CPU集中处理控制任务和程序流，而无需很高的时钟速度。1.2.5 LED阵列驱动器将各个方向的图像处理结果分时叠加在一路RGB信号传输通道中，通过分时解码器依次解出各个方向的图像，与LED旋转阵列相位检测器同步后，依次投射出空间各方向图像，可以使海量数据传送使用模拟方式由简单的几颗
17、数据传输线完成，解决了高速数据传输与数据传输通道带宽限制的瓶颈。无需使用复杂的FPGA阵列及众多的数据总线。（见图1-4）图1-41.2.6电机本系统使用Maxon-DC-Motor作为驱动电动机，利用双闭环PWM调速机构（见图1-5）使LED显示阵列及光栅遮罩桶围绕中心旋转，以获得具有空间深度信息的全方位立体影像的技术。图1-51.2.7电源电源设备为显示器提供了电力（见图1-6）。电源设备采用单向交流220V供电。可以自动控制或者远程遥控开、关显示屏。下两张图为主开关电源板及侧面部分接口，可以实现自由的拓展。图1-61.2.8 视频流数据及行、场同步信号，异步消隐信号，同步刷新信号发生器能
18、够产生大量的视频流数据，行、场同步信号、异步消隐信号，同步刷新信号发生器，集成了各种信号，叠加到RGB复用器上，通过滑环传给分时解码器。 图1-71.2.9 分时解码器分时解码器通过视频流数据，行、场同步信号、异步消隐信号，同步刷新信号发生器所叠加成的视频信号，经过时域分割，复用，解码，进而传递LED阵列。1.2.10控制软件图像处理和分析工具主要功能是进行图像增强，便于后续的专业视觉工具进行识别和理解。常用的图像处理和分析工具包括：直方图工具、滤波操作、形态学操作、几何变换、颜色空间变换。从输出关系角度，可将基本图像预处理算法分为：点变换算法、领域操作算法。1 、直方图分析直方图分析是最基本
19、的图像分析工具，直方图可对图像的整体灰度分布进行刻画，主要指标包括：均值、标准差等。2 、滤波操作滤波是最常用使用的图像增强方法，主要包括：低通滤波、高通滤波、边缘检测、高斯滤波等。3 、形态学操作形态学操作是常用的图像增强方法：主要包括：膨胀、腐蚀、开启、闭合、中值滤波等。4 、几何变换常用的几何变换包括：旋转、平移、尺度、切变等，其统称为仿射变换。仿射采样也为集合变换范畴。5、 颜色空间转换图像处理技术从图像格式上可以分为灰度图像处理和彩色图像处理。在图像处理技术发展的早期，由于受计算机处理能力的限制，图像处理技术领域的研究主要集中在灰度图像处理技术。随着计算机处理能力的飞速发展，彩色图像
20、处理技术越来越受到关注。彩色图像处理相比灰度图像处理存在很多优势，其中最重要的有两点：（1）彩色图像所包含的信息量比灰度图像丰富很多（2）彩色图像更加符合人的视觉习惯。一般情况下，相机输出的颜色数据为RGB颜色空间数据。然而，在工业作用中，经常需要在CIE色度学空间、人类视觉空间或者OD颜色密度空间进行彩色图像处理。颜色空间转换即指由RGB颜色空间到CIE LAB空间、CIE LCH空间、HSI空间、HSL空间以及OD颜色密度空间转换。1.2.11控制计算机对采集到的图像进行处理的计算机。通过对采集得到的图形进行抠像、复原、提取轮廓、变换轮廓线等过程，输出图像序列，经LED旋转阵列显示在成像面
21、上。1.2.12 GPU加速器等组成3D加速引擎是3D图形加速系统的重要组成部分,以往在软件平台上对3D引擎的研究,实现了复杂的渲染模型和渲染算法,但这些复杂算法与时域复用场分割技术的结合是很有难度的。将各个方向的图像处理结果分时叠加在一路RGB信号传输通道中，通过分时解码器依次解出各个方向的图像，与LED旋转阵列相位检测器同步后，依次投射出空间各方向图像，可以使海量数据传送使用模拟方式由简单的几颗数据传输线完成，解决了高速数据传输与数据传输通道带宽限制的瓶颈。无需使用复杂的FPGA阵列及众多的数据总线。本文在研究3D加速引擎结构的基础上,实现了基于时域复用场分割技术的图像处理平台,使用模块化
22、的思想,利用IP核技术分析设计实现了3D加速管道及其他模块,并进行了仿真、验证和实现。2 系统软件软件部分由三维影像数据的采集、重构、还原、显示以及图形数据的管理五部分组成。2.1软件的系统结构软件系统中采用了CUDA和Open GL交互式操作，利用ObjectiveC和C+完全兼容式编程实现图像还原保真，并且采用多视点图形合成还原技术，利用图像补差法和光影位移法及面部识别系统使图像可以在计算机里呈现为清晰的立体像，最后将GPU处理图像显示在LED旋转阵列上，利用同步刷新形成完整的3D立体影像。本软件系统，首先在MFC框架下使用OpenGL语言进行图像处理编程。根据三维数据处理的需要定义菜单选
23、项ID, 并添加由系统发给应用程序的消息,同时将消息映射到相应的处理函数。在消息处理函数中, 通过类的成员函数获得相应类的指针,可以在类之间实现数据的交换。软件程序的主要步骤和关键技术：a在窗口的创建过程中，设置好显示的像素格式，并按照OpenGL的要求设置好窗VI属性和风格。b首先获得Windows设备描述表，然后将其与事先设置好的OpenGL绘制描述表联系起来。c调用OpenGL命令进行图形绘制。d退出OpenGL图形窗VI时，释放OpenGL绘制描述表RC和Windows设备描述表DC。图2-1 软件程序顺序图建立起OpenGL工作环境后，基于此环境建立3D模型。我们基于OpenGL的多
24、种函数，建立了一种新的算法，这种算法将图片进行转换坐标系、渲染、纹理等操作处理。此算法为：1、建立圆柱坐标系下的立体像素：由于LED阵列板旋转起来后形成一个圆柱体，因此，我们在圆柱坐标系中建立圆柱形的3D图像空间。在这个坐标系下，每一个点的坐标、半径、水平极角和垂直高度的形式将如图所示。在本3D显示系统中，每个公转LED板上转动每分钟960转。这种快速旋转造成的视觉暂留，使人眼感觉到每个元素对应的LED点在同一时间被点亮。最终，这些点将形成一个3D的图像排列在一个离散的圆柱形状网格。图2-2 圆柱立体像素格2、渲染算法概述：渲染算法首先是将获取的图片经过OpenGL的处理，处理后的两个图片之间
25、有一个相角，相角的值应为观察者观察的相位差的整数倍。并将图像纹理、灰度等信息进行相应适于本系统显示方式的处理。采用7维函数对空间光场任意的一个光线进行处理。即：光线发光点的三维描述，光线空间角的二维描述，光线颜色的一维描述和光线射出时间的一维描述。渲染部分主要解决的是光线颜色的一维描述和光线空间角的二维描述。使用脉宽调制的方法，使红蓝光线有8个灰度，蓝色使用4个灰度。所以整个256色显示系统。3、全光函数1991年Adelson等人提出了全光函数(Plenoptic function)的概念14，该函数由包含对光线7个维度的描述:P=P(,Vx,Vy,Vz,t)，其中(Vx, Vy, Vz)表
26、示观察点的空间坐标，(,)表示全景画面上发光点相对于观察点的空间角，表示全景画面上发光点的波长即发光点的颜色，t表示观察全景画面的某一时刻。全光函数能够描述对于特定空间观察点的所有可见图像的光信息，在图像的获取和处理中获得了广泛的应用。1995年Leonard McMillan等人将全光函数用于全景图像的获取和处理，并忽略了波长和时间的维度描述，将图像光场的描述变为5维全光函数P=P(,Vx,Vy,Vz)15，如图2-3所示。1996年Marc Levoy和。PatHanrahan将自由空间中的全景图像的光场描述简化为4维全光函数s=S(u,v,m,n) 16，如图2-4所示，其中(u,v)表
27、示相机平面的坐标，(m,n)表示焦平面的坐标。图2-3全景画面的光场分布 图2-4自由空间中光场分布4、基于OPENGL与CUDA的8路视频信息采集系统的算法：经过8个摄像头采集回来的图像，经过CUDA的处理加工，同时与OPENGL交互操作，进行图像信息的分割，复用，彩色信息，像素点等进行一系列的整合，处理。之后将图像信息发送给上位机软件，进行下一步的预处理。附：部分OpenGL源代码：8路YUV的视频文件读取到CPU内存当中，并拷贝给GPU上的内存，在GPU上进行YUV到RGB的转换后，在显存里调用合成算法，再将合成后的数据拷贝出来，在CPU端窗口上显示。#pragmaonce#includ
28、e#include#include#include#pragmacomment(lib,glew32.lib)GLuintpbo;/OpenGLpixelbufferobjectGLuinttexid;/textureintsize=0;intwidth=720;intheight=384;intyuv_size=width*height*1.5;unsignedchar*yuv_buffer0;unsignedchar*yuv_buffer1;unsignedchar*yuv_buffer2;unsignedchar*yuv_buffer3;unsignedchar*yuv_buffer4;
29、unsignedchar*yuv_buffer5;unsignedchar*yuv_buffer6;unsignedchar*yuv_buffer7;unsignedchar*big_sample_buffer;八路yuv视频数据按顺序拼接成一幅大图unsignedchar*d_in_data;unsignedchar*d_out_data;unsignedchar*d_combine_out_data;intmain(intargc,char*argv)if(!InitCUDA()return0;voiddisplay()/executefilter,writingresultstopboC
30、UDA_SAFE_CALL(cudaGLMapBufferObject(void*)&d_combine_out_data,pbo);下面两句调用kernel函数，完成后数据存放在了d_combine_out_data里。launch_kernel_yuv2rgb720384(d_in_data,d_out_data);launch_kernel_combine(d_out_data,d_combine_out_data);CUDA_SAFE_CALL(cudaGLUnmapBufferObject(pbo);/displayresultsglClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT
31、);/loadtexturefrompboglBindBuffer(GL_PIXEL_UNPACK_BUFFER,pbo);glBindTexture(GL_TEXTURE_2D,texid);glTexSubImage2D(GL_TEXTURE_2D,0,0,0,width,height,GL_RGB,GL_UNSIGNED_BYTE,0);glBindBuffer(GL_PIXEL_UNPACK_BUFFER,0);glDisable(GL_DEPTH_TEST);glBegin(GL_QUADS);glVertex2f(0,0);glTexCoord2f(0,0);glVertex2f(
32、0,1);glTexCoord2f(1,0);glVertex2f(1,1);glTexCoord2f(1,1);glVertex2f(1,0);glTexCoord2f(0,1);glEnd();glBindTexture(GL_TEXTURE_2D,0);glutSwapBuffers();voididle()glutPostRedisplay();图2-5 渲染算法示意图渲染后的实际效果见图2-6图2-6渲染后效果图3 系统组成3.1电路部分 电路部分包括解码器、视频放大器、PWM调速调相控制器、伺服电机驱动器、相位检测器、LED阵列板、8路视频采集装置等组成。3.1.1图像解码部分的实
33、现本机采用M52307P芯片（见图3-1）把计算机图形适配器送来的体3D像素信号解码成供LED播放的视频流数据及行、场同步信号，异步消隐信号，同步刷新信号。M52307P解码芯片是专门为彩色显示器设计的宽带预视放芯片。内部含有R、G、B三通道放大器，每个通道都设有黑电平箝位电路，通过调节外元件，可改变放大器的基准直流电平，用作暗平衡控制。如同步改变RGB三路放大器的基准直流电平，则可实现亮度控制。内部还设有对比度控制电路，用来同步改变三路放大器的增益，达到对比度调节的目的。我们把行、场同步信号，异步消隐信号，同步刷新信号分别送至体扫描控制单片机和行扫描控制单片机。行扫描控制单片机负责控制LED
34、阵列的纵向刷新率，使其与适配器给出的频率同步。体扫描单片机负责光栅遮罩桶与适配器给出的刷新频率同步。时域复用场分割技术将各个方向的图像处理结果分时叠加在一路RGB信号传输通道中，通过分时解码器依次解出各个方向的图像，与LED旋转阵列相位检测器同步后，依次投射出空间各方向图像，可以使海量数据传送使用模拟方式由简单的几颗数据传输线完成，解决了高速数据传输与数据传输通道带宽限制的瓶颈。无需使用复杂的FPGA阵列及众多的数据总线。图3-13.1.2视频放大器视频放大器可以直接接受计算机图形式配卡（显示卡）信号，把显示卡输出的三路RGB视频信号放大到足够的幅度和功率，并使之满足一定的极性条件然后去驱动L
35、ED。以共射-共基电路为核心组成视放末级，完成视频信号的功率放大。其中第二级放大是直接驱动LED的，因此它的重要性也是不言而喻的，它不仅决定了能否重现图像，同时也决定了图像显示的效果。这部分电路除了具有视频信号的放大以外，还有一些附加功能，如对比度调节、自动亮度控制（ABL）、亮度调节、白平衡调节等。因此在控制器上可直接调节显示屏的对比度、亮度、白平衡等参数。（见图3-2）图3图3-2 视频放大及驱动电路3.1.4 PWM调速调相电机部分这个系统的基础组件包含一个PWM调速调相模块、电机驱动、控制电路、电源和基本机械结构。PWM调速调相模块内的电机控制器控制电机的转动相位和速度。这是一个标准的
36、比例积分微分（PID）控制器的传递函数: Gs=KdS2+Kps+Kis (1) 这里Kp，Ki，Kd表示比例增益、积分增益和导数。该控制器采用光栅码盘输出信号作为反馈。通过试验对控制器的增益进行调整，直到PID控制器的运行令人满意为止。直流伺服电机采用瑞士MAXON2260.815型高精度直流伺服电机，电机在转速为1200转时提供200W的有功功率。然而，在常规运用中，电机允许运行于不同速度，最高可达1800转，可进一步提高运动物体三维图像的显示效果。图3-3 电路工作流程图3.1.4体扫描控制部分的实现系统为了得到稳定的速度而采用速度闭环调速系统。1.直流电机驱动电路的设计根据稳态关系式，
37、可得速度闭环调速系统的静特性方程如下：式中： -闭环系统的开环放大倍数,它是各环节放大系数的乘积,其中电动机环节的放大系数为 。1/CTmTlS2+TmS+1KsTsS+1KpR(T1S+1)-闭环系统理想空载转速。-闭环系统静态转速降落。图3-4 体扫描系统传递函数模型图由图可见，将电机调速装置按一阶惯性环节近似处理后，速度闭环调速系统就是一个三阶线性系统。其开环传递函数为： WS=KTsS+1(TmTlS2+TmS+1)当I=0，系统的闭环传递函数为：W(S)= =式中 2.考虑因素在直流电机驱动电路的设计中，主要考虑一下几点：（1）功能：电机为单向转动，需要调速。可以使用由4个功率元件（
38、三极管，场效应管等开关元件）组成的H桥电路，实现PWM（脉冲宽度调制）调速。（2）性能：对于PWM调速的电机驱动电路，主要有以下性能指标。输出电流和电压范围，它决定着电路能驱动多大功率的电机。（3）效率：高的效率不仅意味着节省电源，也会减少驱动电路的发热。要提高电路的效率，可以从保证功率器件的开关工作状态和防止共态导通（H桥或推挽电路可能出现的一个问题，即两个功率器件同时导通使电源短路）入手。（4）对控制输入端的影响：功率电路对其输入端应有良好的信号隔离，防止有高电压大电流进入主控电路，这可以用高的输入阻抗或者光电耦合器实现隔离。（5）对电源的影响：共态导通可以引起电源电压的瞬间下降造成高频电
39、源污染；大的电流可能导致地线电位浮动。（6）可靠性：电机驱动电路应该尽可能做到，无论加上何种控制信号，何种无源负载，电路都是安全的。3.三极管-电阻作栅极驱动（1）输入与电平转换部分：输入信号线由SPD引入，1脚是地线，其余是信号线。注意1脚对地连接了一个2K欧的电阻。当驱动板与单片机分别供电时，这个电阻可以提供信号电流回流的通路。当驱动板与单片机共用一组电源时，这个电阻可以防止大电流沿着连线流入单片机主板的地线造成干扰。或者说，相当于把驱动板的地线与单片机的地线隔开，实现“一点接地”。高速运放KF347（也可以用TL084）的作用是比较器，把输入逻辑信号同来自指示灯和一个二极管的2.7V基准
40、电压比较，转换成接近功率电源电压幅度的方波信号。KF347的输入电压范围不能接近负电源电压，否则会出错。因此在运放输入端增加了防止电压范围溢出的二极管。输入端的两个电阻一个用来限流，一个用来在输入悬空时把输入端拉到低电平。不能用LM339或其他任何开路输出的比较器代替运放，因为开路输出的高电平状态输出阻抗在1千欧以上，压降较大，后面一级的三极管将无法截止。（2）栅极驱动部分：三极管和电阻，稳压管组成的电路进一步放大信号，驱动场效应管的栅极并利用场效应管本身的栅极电容（大约1000pF）进行延时，防止H桥上下两臂的场效应管同时导通（共态导通）造成电源短路。当运放输出端为低电平（约为1V至2V,不
41、能完全达到零）时，下面的三极管截止，场效应管导通。上面的三极管导通，场效应管截止,输出为高电平。当运放输出端为高电平（约为VCC-(1V至2V),不能完全达到VCC）时，下面的三极管导通，场效应管截止。上面的三极管截止，场效应管导通,输出为低电平。上面的分析是静态的，下面讨论开关转换的动态过程：三极管导通电阻远小于2千欧，因此三极管由截止转换到导通时场效应管栅极电容上的电荷可以迅速释放，场效应管迅速截止。但是三极管由导通转换到截止时场效应管栅极通过2千欧电阻充电却需要一定的时间。相应的，场效应管由导通转换到截止的速度要比由截止转换到导通的速度快。假如两个三极管的开关动作是同时发生的，这个电路可
42、以让上下两臂的场效应管先断后通，消除共态导通现象。实际上，运放输出电压变化需要一定的时间，这段时间内运放输出电压处于正负电源电压之间的中间值。这时两个三极管同时导通，场效应管就同时截止了。所以实际的电路比这种理想情况还要安全一些。场效应管栅极的12V稳压二极管用于防止场效应管栅极过压击穿。一般的场效应管栅极的耐压是18V或20V，直接加上24V电压将会击穿，因此这个稳压二极管不能用普通的二极管代替，但是可以用2千欧的电阻代替，同样能得到12V的分压。（3）场效应管输出部分：大功率场效应管内部在源极和漏极之间反向并联有二极管，接成H桥使用时，相当于输出端已经并联了消除电压尖峰用的四个二极管，因此
43、这里就没有外接二极管。输出端并联一个小电容(out1和out2之间)对降低电机产生的尖峰电压有一定的好处，但是在使用PWM时有产生尖峰电流的副作用，因此容量不宜过大。在使用小功率电机时这个电容可以略去。如果加上这个电容则一定要用高耐压的，普通的瓷片电容可能会出现击穿短路的故障。输出端并联的由电阻、发光二极管和电容组成指示电机转动方向的电路。（4）性能指标：电源电压2436V，最大持续输出电流5A/每个电机，短时间（10秒）可以达到10A，PWM频率最高可以用到30KHz(一般用1KHz到10KHz)。电路板包含4个逻辑上独立，输出端两两接成H桥的功率放大单元，可以直接用单片机控制。实现电机的双
44、向转动和调速。图3-5 PWM电机调速调相机构电原理图4.边沿延时驱动电路在前级逻辑电路里，有意地对控制PMOS的下降沿和控制NMOS的上升沿进行延时，再整形成方波，也可以避免场效应管的共态导通。另外，这样做可以使后级的栅极驱动电路简化，可以是低阻推挽驱动栅极，不必考虑栅极电容，可以较好的适应不同的场效应管。这个栅极驱动电路由两级三极管组成：前级提供驱动场效应管栅极所需的正确电压，后级是一级射极跟随器，降低输出阻抗，消除栅极电容的影响。为了保证不共态导通，输入的边沿要比较陡，上述先延时再整形的电路就可以做到。3.1.5 电源部分本设计电源部分LED阵列驱动电源，控制电路电源和机械旋转部分电源。
45、（1）LED阵列驱动电源在本设计中，需要将频率脉冲宽度和功率进行变化，输出不同的模拟形式的PWM LED阵列驱动信号，该信号于图像还原时对LED峰值亮度随图像实时变化。为达到这样的技术要求，就需要一种驱动电路来实现这一功能。在实际的应用中成像的性能取决于LED阵列动态特性，由LED驱动电源产生的模拟型点脉冲PWM直接调制的。因此，模拟型脉宽调制（Analog pulsewidth modulator，PWM）驱动电源的设计是LED阵列影像还原技术中的一项极其关键的技术。该电源设计的技术难点在于：一方面，模拟型点脉冲PWM直接调制LED阵列的激励调制电流很大，即使是峰值功率为50mw的LED单体，瞬间峰值电流要达到185mA，若直接使用较大功率的开关驱到功率MOS管时其体积、成本都将较难控制在一个较为合适的范围内，所以有必要利用能量压缩技术，即把瞬时功率较小的能量通过一定时间（相对较长）存储在储能元件中，在适当时刻瞬时（相对较短的时间内）放出。另一方面：在LED用于影像还原的应用场合，LED的照度随图像的细节部分的变化而实时变化，因而需要对LED阵列进行调制，LED单元对电压是很敏感的，对调制脉冲的宽度和上升沿要求非常高。然而，在实际产生窄脉冲大电流的电路中，脉宽和上升沿主要受开关器件速度和电路寄生参数（在较高频条件下特别寄生电