旋转 LED 平面 POV（Persistence of Vision，视觉暂留）显示是一种创新的 3D 体积显示技术，通过高速旋转 LED 面板填充空间体素，形成逼真立体图像。其核心挑战在于精确同步电机旋转与 LED 刷新，避免鬼影（ghosting） artifact，确保图像清晰稳定。本文聚焦 Multivox 开源项目，剖析其旋转 LED 平面同步机制，提供可落地工程参数与清单，帮助开发者复现或优化类似系统。
同步机制的核心观点：相位锁定与实时扫描
传统静态 LED 屏依赖像素阵列，而旋转 POV 依赖机械扫描：LED 面板（如 HUB75 128x64 RGB 面板）围绕垂直轴高速旋转（数百 RPM），结合视觉暂留（人眼～1/16s 残像）合成体积图像。鬼影产生于定时偏差 ——LED 在错误角度点亮，导致前后帧重叠模糊。Multivox 解决之道是相位锁定循环（Phase-Locked Loop, PLL）式同步：使用光电二极管（photodiode）作为单 GPIO 位置传感器，提供 180° 高 / 低电平信号，驱动实时扫描 voxel buffer（体素缓冲区），确保每个 “切片”（slice）精确对位。
证据来自 Multivox 驱动代码（vortex.c）：Raspberry Pi 4 独占核心 3（isolcpus=3），内存映射 GPIO 高速访问 HUB75 接口（ABC/ABCDE 寻址）。旋转一圈分为 N 个切片（slice count，默认 128），每个切片扫描对应体素行。Photodiode 信号触发中断，计算旋转周期（timer23 计时），动态调整定时器 T0 初始值，实现自适应同步。键盘诊断键 't' 调节 trails（跳帧累积），'l' 锁定朝向，证明系统对变速（数百 RPM）鲁棒。
此机制优于霍尔传感器（多通道复杂），单 GPIO 简洁高效，支持线性 / 径向扫描几何（-g l/r 选项）。
证据：Multivox 硬件与软件实现
- 硬件：Vortex（300mm 球体，两面板背对背水平排列）使用 YM2776 无刷电机、汽车发电机滑环（ASL9013/ABH6004S）供电、6015/6804 轴承稳定。Core 容纳 RPi4、HUB75 适配板、光电中断器。碳纤维杆固定面板，配重铅坠平衡（动态加速计辅助）。
- 软件：Driver 创建共享内存 voxel buffer（3 位 / 通道 RGB，~128 slices x 64 height x 128 width 体素）。客户端（如 eighty 光周期、zander 着陆游戏）填充 buffer，Xbox 蓝牙手柄输入。Simulator（virtex）OpenGL 渲染验证几何。
- 性能：更高位深（3bit）降刷新率，但亮度均匀（'u' 键策略）。旋转率 profiling 输出帧率 / RPM，确保 > 24fps 无闪烁。
YouTube 演示（Vortex: Ozzpirkhi5c）显示 Doom/GTA 流畅运行，无明显鬼影，验证同步精度。
可落地参数与工程清单
复现 Multivox 或自定义系统，按以下参数迭代：
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电机与机械参数：
参数 值 说明 电机 YM2776 无刷 数百 RPM，PID 调速至稳定 300-600RPM 轴承 6015 上 / 6804 下 低摩擦，Pi 通过上轴承 滑环 ASL9013 12V / 高功率传输，避免电刷磨损 面板偏移 屏幕半径 0.8-1.0 倍（-o X X） 径向几何，避免线性扫描畸变 平衡 1/2oz 铅坠 + 加速计 振动 < 0.1g，防电机过载 -
同步传感器：
- Photodiode + 180° 遮光槽：高电平半圈触发。
- 阈值：GPIO 拉高 > 50% 周期，噪声滤波（中值滤 10 样本）。
- 周期测量：32bit 定时器，RPM=60/(周期 / 40MHz)。
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驱动与定时参数：
参数 默认 范围 / 调优 Slice count (-s) 128 64-256，高值高分辨低帧率 Bit depth (-b) 2 1-3，3bit 亮度 x8 但帧率 / 8 Trails 动态 0-4，高速时累积跳帧 延迟 / 切片 150us 匹配 RPM，LED PWM 占空 50% HUB75 模式 ABC shift --led-row-addr-type=3 -
软件清单：
- CMake 构建：-DMULTIVOX_GADGET=vortex。
- 服务：systemd vortex.service，@reboot multivox。
- 玩具：fireworks/tesseract/viewer.obj，蓝牙手柄映射。
- 校准：python grid.py/colourwheel.py 测试均匀性。
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风险与回滚：
- 风险：振动导致脱同步（限速 < 500RPM），过热（风扇散热 Pi）。
- 限值：RPM 400±50，温度 < 70°C，鬼影阈值 < 5% 体素偏移。
- 监控：profiling 日志，'p' 键单面板测试。
- 回滚：静态模式（非旋转，orthographic 轴 xyz 键）。
工程实践：先 simulator 验证几何，再硬件迭代平衡 / 同步。成本～200USD（3D 打印 + 面板 + Pi），刷新率 > 30fps，体积 300-400mm。
结语与来源
旋转 LED 平面 POV 同步不仅是技术炫技，更是嵌入式实时系统典范：微秒级定时 + 反馈控制实现沉浸 3D。Multivox 证明开源可驱动游戏级体验，未来扩展 VR/AR 体素渲染潜力巨大。
资料来源：
- GitHub: AncientJames/multivox (driver/simulator/toys)。
- GitHub: AncientJames/VortexParts (STEP 文件 / 组件)。
- YouTube: pcAEqbYwixU (demo)，97cLIO7FNtw (Rotovox)，Ozzpirkhi5c (Vortex)。