数字光立方层次化实验项目的设计与实践

孙秀娟，张 姗，王传江，卫永琴

（山东科技大学电气与自动化工程学院，山东青岛 266590）

0 引言

在新工科建设的时代背景下，各地本科院校工程对专业的人才培养提出了新的观点和要求，强调提高学生的创新意识与实践动手能力［1-4］。

本实验项目的构思即来源于新工科建设背景下的日常教育教学问题。教学中最重要、最值得思考的问题就是如何提高教学质量？如何更好地培养创新型人才？尤其是对于实践性和理论性都很强的专业课，如单片机、微机原理、DSP（数字信号处理）、FPGA（现场可编程门阵列）、ARM（高级RISC微处理器）等嵌入式系统类课程来说，优秀实验项目的设计对教学水平和教学质量的提高起着极大的促进作用。因此，如何巧妙精细地设计一个实验项目，使得它既具有知识的系统性和综合性，又能激发学生的主动性、创新性，并且难易程度适中，可以适合不同层次的学生进行学习，是教学设计中要考虑的关键性问题［5］。基于此，设计了数字光立方实验项目并应用于教学。实践证明，该实验项目符合以上的几项要求，深受学生欢迎。

1 项目基本情况

1.1 相关知识及背景

光立方显示打破了以往传统的平面显示设计方案，它既可以类似发光二极管点阵展示平面的静／动态图像和画面，还可以展示立体的静／动态图像和画面，视觉效果强烈，显示呈现丰富多彩、美轮美奂，可广泛用于传媒信息、各种装饰显示、娱乐、心情表达等，生动有趣，实用性强。

本实验是一个来源于日常生活、趣味性较强的工程应用实例。光立方功能强大、样式绚丽，其酷炫、过程连贯、节奏感强的图形样式，具有极强的趣味性和感染力，容易吸引观赏者的眼光，强化设计者的成就感，促进设计者克服困难完成实验。光立方的技术设计并不算很复杂，但也不算容易，难易程度适中，创新性强，是合适的实验项目。

1.2 层次化的实验任务设计

为使项目能适合不同学习层次的学生，实现因材施教，在实验任务设计上，采用了层次设计法。以基础知识为支撑点，由浅入深，循序渐进，层层深入，难度逐级加大［6］。

项目基本要求是以光立方体为控制对象，设计制作一个具有多种造型和图案、能进行三维立体显示的光立方系统。任务设计上分为基础层和进阶层，结构如图1 所示。

图1 光立方的层次化实验任务

基础部分以4 阶光立方系统设计为主，按点、线、面、体的实现从最简单到逐渐深入，只需实现两种或两种以上的显示效果即可，这是绝大多数学生能完成的实验；对于进阶层的任务，学生可以按照自身的学习水平进行模块选做。因此，该实验项目既可以让多数掌握了基础知识的学生完成，也可以让部分优秀的学生发挥特长，锻炼创新能力。此外，层次化的任务模块设计也方便任课教师灵活选择实验内容和教学学时，满足电子工艺实训课程或单片机等嵌入式系统类课程的基础实验、创新性实验、课程设计，甚至毕业设计等的课题选择［7］，具有较好的普遍性和适用性。

2 方案设计

2.1 系统结构

图2 所示是光立方系统的硬件系统结构框图，系统设计中至少需要主控模块和光立方模块，其他为辅助模块。

图2 光立方硬件系统结构框图

2.2 方案设计与选择

图3 所示是光立方系统的实现方案图。

图3 光立方系统的实现方案

主控模块中可供选择的主控芯片有多种，如单片机、ARM、DSP、FPGA、Arduino等［8-12］。因此，根据主控模块的选择，本实验可用做相关课程的综合性／创新性实验项目。以下描述以单片机课程为例。

2.2.1 单片机选择

引导学生了解目前各种主流单片机的特点，选择适合实验的具体的单片机型号，如8951、AT89C51、C8051F、STC89C52RC等。

2.2.2 方案设计

按主控芯片系统设计的方法，对其他各个模块进行方案设计。

（1）光立方模块设计原理。从规模上看，光立方可设计成简单的3 阶、4 阶或复杂的8 阶、16 阶等，显示呈现如图4 所示。各阶光立方显示器的基本结构原理相同，如图5 所示。组成光立方的LED 也有单基色、双基色、全彩色之分，当然色彩越多控制越复杂，显示也会更加梦幻和绚丽；根据使用场合不同，又可选择室内屏或室外屏。

图4 不同规模光立方示意图

图5 4阶光立方的立体和平面图

（2）驱动模块。按光立方的显示原理，驱动模块可分别设计行驱动和列驱动，有多种带有驱动或锁存功能的芯片可供选择，如串入并出芯片74LS164、边沿触发的D 型触发器74HC574／573、ULN2803 达林顿管、5 V固体继电器等。

（3）电源模块。电源部分也有多种设计选择，如普通干电池；锂电池；由三端集成稳压器LM7805 组成的电源电路供电；5 V 集成稳压电源；USB 口供电、太阳能供电等。

（4）键盘模块。键盘的设计通常有独立式、编码式、行列式、二维直读式、无线遥控键盘等。

（5）扩展模块。系统可扩展各种感应模块，如添加一个光敏电阻模块，进而识别环境光照，使光立方能够自动调节亮度；增加音乐播放功能，实现根据音乐的律动来改变图形跳跃节奏；增加触摸屏模块，通过触摸感应控制光立方图形变化；增加上位机电脑或手机，通过互联网-蓝牙通信功能来实现对光立方显示器的控制等［13］。这些功能都可以在基本设计的基础上继续开发得以实现。

该实现方案图对各个模块都提供了设计选择，使实验项目具有分层次、可扩展的特点。从最简单的方案“单片机最小系统+4 阶光立方”，到扩展的融合先进技术的多功能复杂光立方方案，均可实行。

3 软件算法流程

三维光立方的显示，主要是采用动态扫描显示原理。用较高速度循环的显示几帧连续的画面，只要保证帧速率高于15 帧／s，根据视觉暂留效应，人肉眼看就是一个相对静止的且较为完整的画面［14］。以8 阶光立方为例，图6 给出了单层LED灯以动态扫描显示原理显示字符“E”每一帧的过程。

图6 动态扫描显示原理示意图

应用程序主要实现了点、线、面、体及两两结合组成的各种三维立体图像的显示，由于各种不同花样的图像都是通过软件来实现的，软件的代码量较大。编程时，一般将各种图案预先设计计算好，存为数据表的形式，利用图形数据表加巧妙算法的编程，实现静态图形显示，也可以实现动态、循环、左右移动等花样功能显示。动态扫描类型可以分为列扫描和行扫描，选通第n列后，可以查找到对应数据表其中的第n个至n+7 个数据元素，由低至高位顺序依次在控制端口处输出，将各行的数据输送到对应的锁存器，利用片选控制锁存器同步输出，按序循环选通各列数据来展现所需的画面，直到把所有的数据全部输出［15］。显示完画面后，才退出显示程序，等待下一步指令。图7 所示是软件设计的主程序和部分子程序流程图。

图7 软件设计程序流程图

设计三维图形，需要有新的思路，发现三维立体空间中点、线、面、体的规律所在。在程序中使用循环、参数逻辑、判断语句等方法，用最少最精炼的语句达到最绝佳的显示效果，实现操控任意点，可以设计出任何想展示的图形效果，并且还可以操控LED灯的亮度、显示速度、反亮显示和全局显示等。此部分给学生留有充分的自由发挥空间，可以激发主动性和创造性。

4 项目实施情况

4.1 焊接制作的部分作品及其显示效果

光立方的焊接非常考验耐性和锻炼动手能力，特别要注意每一个灯的焊接时间的长短和焊接整齐度的控制，焊接整齐度直接影响整个制作效果。图8、9 所示为部分学生焊接制作的作品及几种光立方显示效果。

图8 部分学生作品

4.2 考核评价

实验评价结合过程考核和结果考核，重点考虑以下5 个方面：

（1）实物验收。光立方功能的完成程度和性能指标是否达标。如：光立方运行稳定，能呈现清晰、流畅、逼真的3D显示；基本任务和扩展任务的完成情况、完成时间。

（2）实验质量。电路设计方案的合理性，焊接整齐度、组装工艺水平；软件设计的逻辑性、可扩展性及可移置性。

（3）自主创新。光立方体功能构思、电路设计方案的创新性，自主思考能力与独立实践能力。

图9 多种光立方显示效果

（4）实验报告。实验报告书写的规范性与完整性。

（5）实验成本。是否能够充分利用实验室现有条件，所选材料与元器件选择是否合理，实验成本核算等。

5 结语

数字光立方实验作为本科生的创新性实验项目，在教学实践中取得了良好的教学成果。该项目的考核方式具有直观性、有效性的优点。除此之外，项目设计还体现了如下特点：

（1）项目呈现的趣味性、实用性。光立方功能强大，样式绚丽，其酷炫、过程连贯、节奏感强的图形效果，具有极强的趣味性和感染力，应用场景广泛，实用性强。因此，使设计者的成就感增强，可促进克服困难完成实验。

（2）实现方法的多样性、创新性。系统结构中的各个模块都有多种实现方式，尤其是3D 图形图案的设计及其软件实现，更能体现创新性、灵活性和多样性。

项目设计使学生有充分的自主选择任务与自主发挥空间，实现方法具有探索性，实验结果也具有多种不确定性。

（4）项目设计的层次性、可扩展性。项目从基本功能到扩展功能，任务和要求上分层次设计，梯度递进地进行扩展。因此能适用于不同学习水平能力的学生，便于因材施教；也适合不同的教学需求和环节，如单个实验、综合创新性实验、课程设计、毕业设计等。

实践表明，学生对数字光立方实验非常感兴趣，实验完成率高，能激发学生的创新意识和潜能。