8阶光立方的制作

8阶光立方的制作

摘要

光立方是一个电子工程方面DIY的绝好实例，不管国内国外都有非常多的爱好者。它同时要求制作者具有软硬件设计及手工制作等多方面的能力，目前youtube上最大的DIY光立方是32阶全彩光立光，引脚数多达131,072个，这对于个人来说绝对算是个大型的工程了。

要制作出一个漂亮的光立方，除了电路设计与程序设计，辅助工具设计也很重要，缺少它甚至是无法完成整个制作的。另一方面，很多验证性工作也属于辅助设计，理论往往与实际会有很大的出入，这时就需要一步步去验证原始设计。网络上大多参考资料都只是一个制作记录，并没有详细分析为什么要这么做，是否还有其它的实现方法等等。因此，在遇到不同的实际环境的时候，出了问题却往往找不到原因在哪里，这就造成很多的困惑。本文试着从设计原理的角度来分析如何做一个8阶单色光立方，以及记录在制作过程当中遇到的各种问题与解决办法。

控制芯片采用STC MCU，输出为串口转并口，驱动芯片选用东芝16位移位寄存器，3个级联达48位并口输出，512个LED使用16*32矩阵接法。

目录1 准备篇

1．1设计框架

1．2 主芯片选型

1．3 所需工具材料

2设计篇

2．1 电路设计

2．2 程序设计

2．3辅助工具设计

3 完善篇

3．1 迭代

3．2 功能扩展

1 准备篇

光立方，由若干个LED以立方体的形式搭建而成。最常见的为8*8*8（512个LED），8阶光立方，也叫cube8。当灯按照一定的规则依次变换点亮的时候，可以产生十分唯美的灯光效果图，现在大多随着动感的音乐节奏一起变化，声色交错，

让人赏心悦目。

1-1光立方（蓝光）——cube8效果图

1.1 设计框架

第一个需要思考的问题是：如何连接这512个灯？有个前提条件需要满足：每个灯都必须可以单独点亮。那么，任何两个灯都不可以串联。最直接的办法是并联这512个灯，共阳或者共阴，然后提供512个输出。但这样做至少有两个非常大的缺点：首先，一般情况下无论是MCU、ARM、FPGA都无法提供这么多输出位，即使是使用多个16位移位寄存器，那么也需要32个，这无论在成本还是在实际焊接都十分不划算；其次，就算512个输出位不是问题，因为是立方体形式，线路之间会存在互相遮挡，所以，必须要求连接线路最少，显然，直接并联是最傻的情况。

现在把问题转换成一个求解题：试求512个灯的最少连接线路，要求每个灯可以单独点亮？这实际是一个求最优解（极值）问题。回想一个几何问题，在确定面

积下，求最小周长？答案是：C(min)=4*S^(1/2)。这里的关键是对S开平方根，所以对512开根号约等于22.627，很明显，最佳组合应该是相互间距最近，而且都是2的n次方，所以，最优解是16*32矩阵接法，只需要48个输出。但矩阵接法也有个天然的劣势，无法同时输出多个状态，必须使用动态扫描输出，利用高频特性伪装成同时输出的样子，所以，这就对频率提出了要求。但同样地，优势除了线路最简外，因为是动态扫描，所以电流也可最小化。

如何提供48个输出，最直接的方法当然是找一个具有48个以上输出的MCU，实际上确实有，STC15W4K16S4就有LQFP64S、LQFP64L、QFN64三种，提供62个IO 口，价格在6元以下。这种方法是最简单的，但却不是最灵活的，也就是扩展性和变化性不强，假如把8阶升级到16阶就只能换方案了。如果不直接输出，也就是说不选择并行输出，那么就串行输出吧。由MCU输出串行信号，再由移位寄存器转换成48位并行输出，控制16*32矩阵电路实现512个LED完全控制。

1.2 主芯片选型

由于MCU输出串行信号，一般3位输出即可，这里选用宏晶STC15W401AS-35I-SOP20，市场价2元。不选用DIP的原因是嫌它太大了，不利于后期制作PCB，选用18个IO的原因是为了后期扩展使用，比如加入红外遥控，按键，光敏，麦克风等，再者串行输出不要与MCU下载线路共用，不方便在线调试及信号测试等，串行输出也要根据后期程序的难易程序决定是否让移位寄存器级联，如果不级联那么

就要输出多个串行信号，所以初期不要选太少IO口的MCU。

1-2STC15W401AS-35I-SOP20

移位寄存器大多数选择74HC595，这里选用东芝TB62747AFNAG，是一个16位移位寄存器，串行数据输入频率可达25MHz，每位输出最高电流可达45mA，市场价1.65元。输出48位，须3个同时工作。

1-3TB62747AFNAG

1.3 所需工具材料

材料：万能板（数量与大小可根据实际需要与个人喜好选择购买），杜邦线若干，排针若干，转接板（转接SOP），焊接线若干，电容电阻若干，5mm方形LED 1000个左右。工具：电烙铁，热风枪，RS232(USB转TTL，MCU程序下载工具)，其它工具（剪刀，镊子等），万能表，电压源，示波器，3D打印机。软件：Keil C （编写及编译程序），STC-ISP（程序下载软件）。

这里有些工具并不是必须的，而且往往使用到的工具也远不止这些，有了这些工具的帮助将会更容易模拟问题，发现问题，并最终解决问题。在进行前期设计的时候更多的是用各种软件工具来进行模拟，论证。如果没有很多工具，那就要学会用其它已有的工具来代替。

2设计篇

2.1 电路设计

在设计原理图的时候，要先确保芯片的工作确实如你所想。在本次制作过程

中发现TB62747移位寄存器并不如所想那样工作，于是制作测试电路来检测真正的工作方式，发现两点问题，在芯片的数据手册里没有说明。第一，反向输出，OUT15为第一输出位，OUT0为第十六输出位；第二，移位标志位不会归零，每次刷新都必须更新所有位，即使只需要刷新一位，仍然需要把所有的位全部更新一次。

使用万能表测出LED点亮电压为3V，电流为10mA-15mA。再根据TB62747的数据手册，设置并验证REXT接1K的电阻到GND可以使电流在10mA左右，另外，此芯片输出必须接上拉电阻，芯片输出为5V，因此接上拉电阻0.2k。这里采用三片级联，当然也可以不级联，或者只级联两片，可以根据需要做相应调整。因为是采用动态扫描输出方式，所以每次都只是点亮一个灯，也就是说每次只有一个电流流过LED，其余都流经芯片，所以这里把正极平均分布在级联的三片芯片上。为了保证在快速刷新的时候芯片电流的稳定，在芯片的电源处并联20uF的电解电容。电路原理图设计如图2-1。

2-1电路原理图