基于量子阱二极管阵列芯片的多功能装置及其控制方法与流程

1.本发明涉及照明、显示及光通信技术领域，尤其涉及一种基于量子阱二极管阵列芯片的多功能装置及其控制方法。


背景技术：

2.led(light emitting diode，量子阱发光二极管)阵列是由呈阵列排布的多个led构成。led是一种常用的发光器件，其是通过电子与空穴的复合释放能量而实现发光，在照明等领域具有广泛的应用。目前市面上广泛使用的led阵列，仅仅可以作为显示器使用，功能较为单一。
3.可见光通信(visible light communication，vlc)是在led等技术上发展起来的一种新型、短距离、高速的无线通信技术。它以led作为光源，以大气或水作为传授媒介，通过发出肉眼察觉不到的、高速明暗闪烁的可见光信号来传输信息，在接收端利用光电二极管(photodiode，pd)完成光电转换，然后进行电信号的接收、再生、解调来实现信息的传递。与传统无线射频通信技术相比，vlc具有：耗能低、购置设备少等优势，符合国家节能减排战略；无电磁污染，可见光波段和射频信号不相互干扰，对人眼安全，频谱无需授权即可使用的优点；同时，适合信息安全领域使用，只要遮挡住可见光，vlc通信网络中的信息就不会外泄，具有高度保密性。基于上述原因，可见光通信被公认为最具发展前景的通信技术，已成为国内外的研究热点。但是，当前的可见光通信装置也仅仅是用于信号的传输，功能较为单一，从而限制了可见光通信技术应用领域的扩展。
4.因此，如何扩展led阵列的功能，使得同一led阵列能够满足多种不同需求，从而扩展led阵列的应用领域及应用场合，是当前亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

5.本发明提供一种基于量子阱二极管阵列芯片的多功能装置及其控制方法，用于解决现有的具有led阵列的装置功能单一、使用场合受限等问题。
6.为了解决上述问题，本发明提供了一种基于量子阱二极管阵列芯片的多功能装置，包括：
7.量子阱二极管阵列芯片，包括由n行m列量子阱发光二极管构成的量子阱发光二极管阵列、m个pmos、n个nmos、以及一个多路开关，每一列的所述量子阱发光二极管的正极连接至同一pmos，每一行的所述量子阱发光二极管的负极连接至同一nmos，所述多路开关用于切换所述量子阱发光二极管阵列的工作模式，所述工作模式包括照明模式、显示模式、探测模式及同时照明探测模式；其中，n和m均为正整数；
8.信号处理模块，包括一显示界面，所述显示界面包括第一区域和第二区域；所述第一区域中具有与四种工作模式一一对应的四个按键，用于用户选择相应的工作模式，并根据用户的选择调整所述多路开关的导通状态；所述第二区域中具有与所述二极管阵列中的多个所述量子阱发光二极管一一对应的多个坐标位置，用于在所述显示模式下，根据用户
触摸的所述坐标位置点亮与其对应的所述量子阱发光二极管；
9.所述信号处理模块还用于在照明模式下，分别调整所述pmos和所述nmos的开断状态，以实现对所述量子阱发光二极管阵列的轮询扫描；
10.所述信号处理模块还用于在探测模式下，获取所述量子阱发光二极管阵列中每一所述量子阱发光二极管上的感应光电流的变化量，并将所述变化量超过阈值的所有所述量子阱发光二极管共同构成的探测图形显示于所述显示界面；
11.所述信号处理模块还用于在同时照明探测模式下，在对所述量子阱发光二极管阵列进行轮询扫描的同时，获取所述量子阱发光二极管阵列中每一所述量子阱发光二极管上的感应光电流的变化量，并将所述变化量超过阈值的所有所述量子阱发光二极管共同构成的探测图形显示于所述显示界面。
12.可选的，还包括：
13.电源模块，所述电源模块的输入端连接220v交流电压、输出端连接所述量子阱二极管阵列芯片和所述信号处理模块，用于分别向所述量子阱二极管阵列芯片和所述信号处理模块供电。
14.可选的，在所述照明模式下，所述信号处理模块对所述量子阱发光二极管阵列轮询扫描的扫描速度在100k以上。
15.可选的，所述显示界面还包括：
16.第三区域，用于显示与所述基于量子阱二极管阵列芯片的多功能装置相关的基本信息。
17.可选的，在所述探测模式和同时照明探测模式下，所述探测图形以第一颜色显示于所述第二区域；
18.在所述显示模式下，用户触摸的所述坐标位置以第二颜色显示于所述第二区域，所述第一颜色不同于所述第二颜色。
19.可选的，还包括：
20.蜂鸣器，用于发出与四种所述工作模式一一对应的四种报警声。
21.可选的，所述信号处理模块包括：
22.跨阻放大器，用于将所述量子阱发光二极管探测到的所述感应光电流转换成感应电压；
23.电压放大器，用于对感应电压进行放大；
24.电压比较器，用于判断经放大的所述感应电压是否大于参照电压，若是，则确定与所述感应电压对应的所述量子阱发光二极管被选中，所有被选中的所述量子阱发光二极管共同构成所述探测图形。
25.可选的，还包括：
26.与m列所述量子阱发光二极管一一对应的m条探测线，同一列的所述量子阱发光二极管连接同一条所述探测线，在所述探测模式下，所述信号处理模块控制所有的所述pmos断开，并循环扫描多条所述探测线，以获取所述量子阱发光二极管阵列中每一所述量子阱发光二极管上的感应光电流的变化量。
27.可选的，还包括设置在所述量子阱发光二极管阵列相对两端、且与所述量子阱发光二极管阵列连接的限流电路和保护电路。
28.为了解决上述问题，本发明还提供了一种如上述任一项所述的基于量子阱二极管阵列芯片的多功能装置的控制方法，包括如下步骤：
29.当选通照明模式时，对所述量子阱发光二极管阵列进行轮询扫描，实现所述基于量子阱二极管阵列芯片的照明功能；
30.当选通显示模式时，在显示界面上设置与所述量子阱发光二极管阵列中的n行m列量子阱发光二极管一一对应的多个坐标位置，并根据用户触摸的所述坐标位置点亮与其对应的所述量子阱发光二极管；
31.当选通探测模式时，获取所述量子阱发光二极管阵列中每一所述量子阱发光二极管上的感应光电流的变化量，并将所述变化量超过阈值的所有所述量子阱发光二极管共同构成的探测图形显示于所述显示界面；
32.当选通照明探测模式时，在对所述量子阱发光二极管阵列进行轮询扫描的同时，获取所述量子阱发光二极管阵列中每一所述量子阱发光二极管上的感应光电流的变化量，并将所述变化量超过阈值的所有所述量子阱发光二极管共同构成的探测图形显示于所述显示界面。
33.本发明提供的基于量子阱二极管阵列芯片的多功能装置及其控制方法，利用量子阱发光二极管具有发光和探测共存的现象，设置信号处理模块以及量子阱发光二极管阵列周围的外围电路结构，使得所述基于量子阱二极管阵列芯片的多功能装置同时具备显示、照明、探测以及同时照明探测四种工作模式，使得具备量子阱二极管阵列芯片的装置具备多种功能，可用于未来下一代智慧屏幕、光通信路灯等等多种场合，具有广泛的应用前景。
附图说明
34.附图1是本发明具体实施方式中基于量子阱二极管阵列芯片的多功能装置的硬件框图；
35.附图2是本发明具体实施方式中基于量子阱二极管阵列芯片的多功能装置的软件框图；
36.附图3是本发明具体实施方式中量子阱二极管阵列芯片的结构示意图；
37.附图4是本发明具体实施方式中信号处理模块的结构示意图；
38.附图5是本发明具体实施方式中基于量子阱二极管阵列芯片的多功能装置的控制方法流程图。
具体实施方式
39.下面结合附图对本发明提供的基于量子阱二极管阵列芯片的多功能装置及其控制方法的具体实施方式做详细说明。
40.本具体实施方式提供了一种基于量子阱二极管阵列芯片的多功能装置，附图1是本发明具体实施方式中基于量子阱二极管阵列芯片的多功能装置的硬件框图，附图2是本发明具体实施方式中基于量子阱二极管阵列芯片的多功能装置的软件框图，附图3是本发明具体实施方式中量子阱二极管阵列芯片的结构示意图，附图4是本发明具体实施方式中信号处理模块的结构示意图。如图1
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图4所示，本具体实施方式提供的基于量子阱二极管阵列芯片的多功能装置，包括：
41.量子阱二极管阵列芯片，包括由n行m列量子阱发光二极管35构成的量子阱发光二极管阵列、m个pmos 31、n个nmos 33、以及一个多路开关30，每一列的所述量子阱发光二极管35的正极通过连接至同一pmos 31，每一行的所述量子阱发光二极管35的负极通过连接至同一nmos 33，所述多路开关30用于切换所述量子阱发光二极管阵列的工作模式，所述工作模式包括照明模式、显示模式、探测模式及同时照明探测模式；其中，n和m均为正整数；
42.信号处理模块，包括一显示界面，所述显示界面包括第一区域和第二区域；所述第一区域中具有与四种工作模式一一对应的四个按键，用于用户选择相应的工作模式，并根据用户的选择调整所述多路开关的导通状态；所述第二区域中具有与所述二极管阵列中的多个所述量子阱发光二极管35一一对应的多个坐标位置，用于在所述显示模式下，根据用户触摸的所述坐标位置点亮与其对应的所述量子阱发光二极管；
43.所述信号处理模块还用于在照明模式下，分别调整所述pmos 31和所述nmos 33的开断状态，以实现对所述量子阱发光二极管阵列的轮询扫描；
44.所述信号处理模块还用于在探测模式下，获取所述量子阱发光二极管阵列中每一所述量子阱发光二极管35上的感应光电流的变化量，并将所述变化量超过阈值的所有所述量子阱发光二极管35共同构成的探测图形显示于所述显示界面；
45.所述信号处理模块还用于在同时照明探测模式下，在对所述量子阱发光二极管阵列进行轮询扫描的同时，获取所述量子阱发光二极管阵列中每一所述量子阱发光二极管35上的感应光电流的变化量，并将所述变化量超过阈值的所有所述量子阱发光二极管35共同构成的探测图形显示于所述显示界面。
46.可选的，所述基于量子阱二极管阵列芯片的多功能装置还包括：
47.电源模块，所述电源模块的输入端连接220v交流电压、输出端连接所述量子阱二极管阵列芯片和所述信号处理模块，用于分别向所述量子阱二极管阵列芯片和所述信号处理模块供电。
48.具体来说，所述量子阱二极管阵列芯片包括量子阱发光二极管阵列、以及围绕所述量子阱发光二极管阵列外围的外围电路结构。所述外围电路结构包括pmos 31、nmos 33、用于驱动pmos 31的第一驱动电路、用于驱动nmos 33的第二驱动电路、多路开关等。所述信号处理模块包括fpga。所述量子阱发光二极管阵列采用扫描驱动模式，由fpga控制与所述量子阱发光二极管35正极电连接的所述pmos 31的开启或关断以及与所述量子阱发光二极管35负极电连接的所述nmos 33的开启或关断来控制整个所述量子阱发光二极管阵列的扫描。所述多路开关用于不同工作模式之间的切换，所述多路开关也有fpga控制。本具体实施方式是以所述量子阱发光二极管阵列为20行20列为例进行说明，本领域技术人员可以根据实际需要调整所述量子阱发光二极管阵列的尺寸大小。
49.可选的，所述基于量子阱二极管阵列芯片的多功能装置还包括设置在所述量子阱发光二极管阵列相对两端、且与所述量子阱发光二极管阵列连接的限流电路和保护电路。
50.具体来说，所述量子阱发光二极管阵列的首端连接有所述限流电路，所述量子阱发光二极管阵列的尾端连接有所述保护电路。所述限流电路和所述保护电路的设置，用于提高整个所述基于量子阱二极管阵列芯片的多功能装置的稳定性和鲁棒性。其中，所述限流电路和所述保护电路的具体结构，本领域技术人员可以根据实际需要进行设置，只要能提高整个所述基于量子阱二极管阵列芯片的多功能装置的稳定性和鲁棒性即可。
51.所述电源模块的输入端直接由220v交流电压供电，经过电压转换(例如降压)、滤波和稳压等处理，由所述电源模块的输出端输出所述量子阱二极管阵列芯片所需的5v供电电压、信号处理模块所需电压、以及所述量子阱发光二极管阵列所需的3.3v电压。
52.可选的，在所述照明模式下，所述信号处理模块对所述量子阱发光二极管阵列轮询扫描的扫描速度在100k以上。
53.具体来说，所述显示界面的所述第一区域中具有分别与照明模式、显示模式、探测模式、同时照明探测模式一一对应的四个按键，用户通过按压所述按键，实现对所述基于量子阱二极管阵列芯片的多功能装置的工作模式切换。
54.当用户选择所述基于量子阱二极管阵列芯片的多功能装置开启照明模式后，所述信号处理模块中的fpga控制所述量子阱二极管阵列芯片中的所述多路开关30选通所述照明模式。选通后fpga发出扫描信号，控制所述pmos 31和所述nmos 33的开断，来控制所述量子阱发光二极管阵列轮询扫描。当扫描速度在100k以上时，由于余晖效应，整个所述量子阱发光二极管阵列呈现出一种集体照明的效果。
55.所述显示界面可以为一tft显示屏。当用户选择所述基于量子阱二极管阵列芯片的多功能装置开启显示模式后，所述信号处理模块中fpga控制所述量子阱二极管阵列芯片中的多路开关30选通所述显示模式。选通后fpga发出对所述tft显示屏的扫描信号，当fpga检测到所述tft显示屏中有一与所述量子阱发光二极管对应的坐标位置(即像素点阵)被点击时，经过转换寻址到所述量子阱发光二极管阵列中相应的单颗量子阱发光二极管，控制该单颗所述量子阱发光二极管点亮。当用户在所述tft显示屏上连续点击或者触摸多个坐标位置时，所述量子阱发光二极管阵列中的多颗所述量子阱发光二极管同时被点亮，从而达到通过所述量子阱发光二极管阵列显示用户于所述tft显示屏上绘制的输入图形的效果。所述输入图形可以是图像或者字符。
56.可选的，所述信号处理模块包括：
57.跨阻放大器，用于将所述量子阱发光二极管35探测到的所述感应光电流转换成感应电压；
58.电压放大器，用于对感应电压进行放大；
59.电压比较器，用于判断经放大的所述感应电压是否大于参照电压，若是，则确定与所述感应电压对应的所述量子阱发光二极管35被选中，所有被选中的所述量子阱发光二极管35共同构成所述探测图形。
60.当用户选择所述基于量子阱二极管阵列芯片的多功能装置开启探测模式后，所述信号处理模块中的fpga控制所述量子阱二极管阵列芯片中的所述多路开关30选通所述探测模式，并且同时开启所述信号处理模块中的多路复用器(例如十六选一多路复用器)，以对所述量子阱发光二极管阵列进行行扫描。所述fpga还同时控制所述信号处理模块中的所述跨阻放大器、所述电压放大器和所述电压比较器开启。所述fpga通过扫描的方式，来获取每一颗所述量子阱发光二极管35上的感应光电流。由于所述感应光电流信号较为微弱，因此，后续通过所述跨阻放大器将所述感应光电流转换成fpga能够识别的电压数值(即所述感应电压)，并经所述电压放大器放大所述感应电压之后，所述电压比较器根据ttl电平的标准，来判断此颗量子阱发光二极管是否接收了外界光的刺激(即确定此颗所述量子阱发光二极管是否被选中)，即能显示外界光强环境的变化，从而获取相应量子阱发光二极管阵
列上发生光电流突变的单颗量子阱发光二极管，寻址(即根据所述第二区域中多个坐标位置与所述量子阱发光二极管阵列中多个量子阱发光二极管的一一对应关系)后在tft显示屏上显示出来。集成光学系统后，就成为了基于量子阱二极管阵列芯片的探测摄像头。相当于外界通过发射光源照射所述量子阱发光二极管阵列中的一颗或者多颗量子阱发光二极管(即光写入)，相应在所述tft显示屏上显示由被照射的一颗或者多颗量子阱发光二极管共同构成的探测图形。本具体实施方式中所述的多颗是指两颗及两颗以上。本具体实施方式中所述的探测模式是指在黑暗环境下的探测模式，同时照明探测模式是指在照明环境下的探测模式。
61.当用户选择所述基于量子阱二极管阵列芯片的多功能装置开启同时照明探测模式后，利用量子阱发光二极管具有发光、探测共存的物理现象，将照明模式与探测模式结合起来。所述fpga在控制对所述量子阱发光二极管阵列进行轮询扫描、以实现照明的同时，控制所述多路开光30选通同时照明探测模式，并且同时开启用于行扫描的多路复用器、跨阻放大器、电压放大器、以及电压比较器。同样用扫描的方式，来获取每一颗量子阱发光二极管上面的感应光电流，接着转换成相应fpga能够识别的感应电压后送至fpga处理。之后，同样在所述tft显示屏上进行显示，从而达到在照明的同时，获取外界光信息的效果。
62.可选的，所述基于量子阱二极管阵列芯片的多功能装置还包括：
63.与m列所述量子阱发光二极管一一对应的m条探测线32，同一列的所述量子阱发光二极管连接同一条所述探测线，在所述探测模式下，所述信号处理模块控制所有的所述pmos 31断开，并循环扫描多条所述探测线32，以获取所述量子阱发光二极管阵列中每一所述量子阱发光二极管35上的感应光电流的变化量。
64.具体来说，所述多路开关30包括第一端口301、第二端口302和第三端口303。每一所述pmos 31的栅极连接一条点亮线、源极连接所述多路开关30的第三端口303、漏极连接一列量子阱发光二极管的正极。在所述显示模式下，需要根据tft显示屏上用户触碰到的像素点，分别扫描与点亮线36连接的pmos和与扫描线34连接的nmos，使得对应的量子阱发光二极管导通，在所述量子阱发光二极管阵列中呈现用户手指所绘出的输入图形。在所述照明模式下，与点亮线36连接的pmos和与扫描线34连接的nmos轮询导通，经过高速扫描，呈现全亮模式。在所述显示模式和所述照明模式下，都不需要用到所述探测线32。在所述显示模式和所述照明模式下，所述多路开口30的第三端口303均不与第一端口301和第二端口302接通。在所述探测模式下，所述第三端口303与所述第二端口302接通，通过所述点亮线36控制所有的pmos关闭，切断所有所述量子阱发光二极管35正极与电源的连线；接着，循环扫描所述探测线32，判断是否有外界刺激，从而形成探测图形。在所述同时照明探测模式下，所述第三端口303与第一所述端口301接通，运用所述点亮线36、所述扫描线34和所述探测线32同时扫描，在点亮一颗所述量子阱发光二极管的同时进行该所述量子阱发光二极管的探测，此种模式下的时序由fpga控制。
65.可选的，所述显示界面还包括：
66.第三区域，用于显示与所述基于量子阱二极管阵列芯片的多功能装置相关的基本信息。
67.其中，所述基本信息可以包括所述基于量子阱二极管阵列芯片的多功能装置的生产厂家、型号、尺寸、功能等。
68.可选的，在所述探测模式和同时照明探测模式下，所述探测图形以第一颜色显示于所述第二区域；
69.在所述显示模式下，用户触摸的所述坐标位置以第二颜色显示于所述第二区域，所述第一颜色不同于所述第二颜色。
70.例如所述第一颜色为黄色，所述第二颜色为白色。
71.可选的，所述基于量子阱二极管阵列芯片的多功能装置还包括：
72.蜂鸣器，用于发出与四种所述工作模式一一对应的四种报警声。
73.具体来说，为了给用户相应的提醒，在所述显示界面上所述第一区域中的一个所述按键被点击时，所述蜂鸣器发出与被点击的所述按键对应的报警声，从而起到指示的作用，使得用户可以直观、快速的知晓点击成功与否。
74.如图1和图2所示，所述信号处理模块中的所述fpga不仅能够实现蜂鸣报警、ram存储、数模转换、触摸显示、模式切换和阵列扫描六大功能，还能够实现数码管显示、pll锁相环等功能。其中，所述pll锁相环是用于产生特定频率的时钟信号，以驱动tft显示屏正确显示、驱动对所述量子阱发光二极管阵列的扫描、以及驱动所述信号处理模块中的周边电路以正确的频率来获取所述量子阱发光二极管上感应光电流的变化。
75.在所述fpga控制对所述量子阱发光二极管阵列进行扫描时，由所述fpga引出的io口，控制对pmos和nmos循环扫描。所述io口作为io输出，主要用于显示模式和照明模式，扫描频率为100k或者100k以上即可。所述io口作为io输入，主要用于探测模式和同时照明探测模式，扫描频率为10k，以使得所述量子阱发光二极管的探测性能达到最佳。
76.在所述fpga实现模式切换功能时，由所述fpga引出的io口，控制多路复用器的选通以及四种工作模式对应的多路开关的通路，所述io口作为io输出，控制四种工作模式根据tft显示屏上面的按键作为选通。
77.在所述fpga实现数模转换功能时，主要是用于对输入的模拟感应电压信号变换为数字信号，即fpga输入输出口的高低电平，来增加整个所述基于量子阱二极管阵列芯片的多功能装置的可靠性。
78.在所述fpga实现ram存储功能时，主要是通过fpga来存储四种模式位，显示模式下的输入图形(字符或者图像)、探测及同时照明探测模式下的外界光变换(即探测图形)等信息，另外还有相应的字模信息，例如在四种工作模式下分别于tft显示屏上显示的字模内容、基本信息显示部分(即第三区域)显示的字模内容等等。
79.不仅如此，本具体实施方式还提供了一种如上述任一项所述的基于量子阱二极管阵列芯片的多功能装置的控制方法。附图5是本发明具体实施方式中基于量子阱二极管阵列芯片的多功能装置的控制方法流程图。本具体实施方式所述的基于量子阱二极管阵列芯片的多功能装置的具体结构可参见图1
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图4。如图1
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图5所示，本具体实施方式提供的基于量子阱二极管阵列芯片的多功能装置的控制方法，包括如下步骤：
80.步骤s51，当选通照明模式时，对所述量子阱发光二极管阵列进行轮询扫描，实现所述基于量子阱二极管阵列芯片的照明功能；
81.步骤s52，当选通显示模式时，在显示界面上设置与所述量子阱发光二极管阵列中的n行m列量子阱发光二极管一一对应的多个坐标位置，并根据用户触摸的所述坐标位置点亮与其对应的所述量子阱发光二极管；
82.步骤s53，当选通探测模式时，获取所述量子阱发光二极管阵列中每一所述量子阱发光二极管上的感应光电流的变化量，并将所述变化量超过阈值的所有所述量子阱发光二极管共同构成的探测图形显示于所述显示界面；
83.步骤s54，当选通照明探测模式时，在对所述量子阱发光二极管阵列进行轮询扫描的同时，获取所述量子阱发光二极管阵列中每一所述量子阱发光二极管上的感应光电流的变化量，并将所述变化量超过阈值的所有所述量子阱发光二极管共同构成的探测图形显示于所述显示界面。
84.本具体实施方式中上述步骤s51、步骤s52、步骤s53和步骤s54之间没有先后顺序关系，本领域技术人员可以根据实际需要进行调整。
85.本具体实施方式提供的基于量子阱二极管阵列芯片的多功能装置及其控制方法，利用量子阱发光二极管具有发光和探测共存的现象，设置信号处理模块以及量子阱发光二极管阵列周围的外围电路结构，使得所述基于量子阱二极管阵列芯片的多功能装置同时具备显示、照明、探测以及同时照明探测四种工作模式，使得具备量子阱二极管阵列芯片的装置具备多种功能，可用于未来下一代智慧屏幕、光通信路灯等等多种场合，具有广泛的应用前景。
86.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。