【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ........... 30 5． 2 驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā) ............................................. 31 5． 3 主機(jī)應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā) ........................................ 33 5． 4 固件程序的設(shè)計(jì) ............................................. 34 5． 4． 1 程序設(shè)計(jì)總體考慮 ....................................... 34 武漢科技學(xué)院 2020屆畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 III 5． 4． 2 主程序設(shè)計(jì) .............................................. 35 5． 4． 3 USB 中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì) .................................. 37 5． 4． 4 FLASH 讀寫程序設(shè)計(jì) ..................................... 38 5． 4． 5 LED 點(diǎn)陣顯示程序設(shè)計(jì) .................................. 41 6. 結(jié)論與展望 .................................................. 45 總結(jié) ......................................................... 45 展望 ......................................................... 46 參考文獻(xiàn) ......................................................... 47 附 錄 ............................................................ 49 外文資料 ......................................................... 50 中文翻譯 ......................................................... 55 致 謝 ............................................................ 60 武漢科技學(xué)院 2020屆畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 1 1. 緒論 1． 1 課題的提出及意義 LED 點(diǎn)陣顯示牌 是 由 LED點(diǎn)陣組成的顯示信息的產(chǎn)品。它采用低電壓掃描驅(qū)動(dòng)，具有耗電少、使用壽命長(zhǎng)、成本低、亮度高、視角大、可視距離遠(yuǎn)等許多優(yōu)點(diǎn)，其顯示的內(nèi)容由 PC 機(jī)傳送過(guò)來(lái)，可以是圖形文件和文本文件并以多種模式顯示之，具有技術(shù)的先進(jìn)性和系統(tǒng)的可靠性，因而廣泛應(yīng)用于證券、交通、醫(yī)院、銀行等公共場(chǎng)合 [1]。 現(xiàn)代 生活 對(duì) LED 點(diǎn)陣顯示牌 的要求日益提高。除了性能好以外，還要求 LED點(diǎn)陣顯示牌 能有其它特點(diǎn)，如使用方便、經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠 、 掉 電顯示 等 。 目前 常 用的 LED 點(diǎn)陣顯示牌輸入信息固定，一般都是利用取模軟件生成點(diǎn)陣字模在點(diǎn)陣上顯示， 不便于 更新信息，普遍存在 掉 電后不能工作的缺陷。 現(xiàn)在的 UART 串行口雖然支持外插，但 不能給外設(shè)供電， 其速度太慢， 遠(yuǎn)不能適用現(xiàn)今高速設(shè)備的發(fā)展需求。 USB（通用串行總線）的普及使其 成為在 各類便攜式 設(shè)備中進(jìn)行 數(shù)據(jù)傳 輸 的一種較好的選擇 。 因此 ， 可以 應(yīng) 用 USB總線 設(shè)計(jì) LED點(diǎn)陣顯示牌 并同時(shí)對(duì)其供電 ，但 USB總線電源 斷開(kāi)時(shí)， 系統(tǒng)便不能工作 。若用鋰電池 自動(dòng)切換 供電，則可以解決 以上的缺陷 [2]。 基于此，本 文 提出了 基于 USB 的 LED 點(diǎn)陣顯示牌 ，它 具有 傳輸速度快、更新信息方便、 設(shè)備安裝和配置容易、易于擴(kuò)展、能夠采用總線供電、使用靈活等優(yōu)點(diǎn) ；外接的鋰電池可迅速充電，提供工作電源，便于攜帶 ， 基本上 完善了LED 點(diǎn)陣顯示牌的 功能， 具有良 好的應(yīng)用前景和很高的實(shí)用價(jià)值。 本課題 介紹的 LED點(diǎn)陣顯示牌可應(yīng)用于會(huì)議展牌、學(xué)生牌、電影院展示牌、廣告顯示牌， 首先 在上位機(jī)編輯漢字并通過(guò) USB適時(shí)發(fā)送漢字的點(diǎn)陣字模， 然后由單片機(jī)控制漢字的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)顯示 。 該 顯示牌 可實(shí)現(xiàn) 多個(gè)漢字的顯示 。 USB 接口控制芯片采用 Cygnal 公司推出的一款新型 USB 微控制器芯片 C8051F320， 鋰電池充電芯片采用凌力爾特公司新推出的多功能電源管理器件 LTC3555。 武漢科技學(xué)院 2020屆畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 2 1． 2 USB 的發(fā)展?fàn)顩r 1． 2． 1 USB 的發(fā)展現(xiàn)狀 USB(Universal Serial Bus)即 通用串行總線， 在傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)組織結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上引入了網(wǎng)絡(luò)的某些技術(shù)，可以說(shuō)是計(jì)算機(jī)外設(shè)連接技術(shù)的重大變革。 1995年 ， 由 Compaq、 Digital Equipment、 IBM、 Intel、 Microsoft、 NEC 和Northern Tele七個(gè)在計(jì)算機(jī)與通信工業(yè)領(lǐng)先的公司組成聯(lián)盟 ， 并建立 USB IF (USB 實(shí)施者論壇 ) 來(lái)推進(jìn)采用 USB 標(biāo)準(zhǔn)的兼容設(shè)備的開(kāi)發(fā)。它最初是為將電話接入 PC 機(jī)而設(shè)計(jì)的 ， 然而由于這種新的連接標(biāo)準(zhǔn)性能優(yōu)良 ， USB IF 決定將 USB 推廣為一種計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)。 在 1996年 ， USB IF公布了 USB 規(guī)范 1. 0， 這是第一個(gè)為 USB 產(chǎn)品提出設(shè)計(jì)要求的標(biāo)準(zhǔn)。 1998年 ， 在進(jìn)一步對(duì)以前版本的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行闡述和擴(kuò)充的基礎(chǔ)上 ，發(fā)布了 USB 標(biāo)準(zhǔn) 1. 1。而此時(shí)聯(lián)盟僅剩四個(gè)核心公 司， 它們是 Compaq、 Intel、Microsoft 和 NEC。 由于 USB 的方向偏離了通信 ， IBM 和 Northern Tele退出了該聯(lián)盟。 USB2. 0 發(fā)布于 1999。由于 USB2. 0 的發(fā)布 ， Hewlett Packard、 Philips 和Lucent 三個(gè)公司加入了聯(lián)盟 ， 從而 使聯(lián)盟的核心成員數(shù)重新恢復(fù)為七個(gè)。之后 ，USB一直持續(xù)不斷地增長(zhǎng)。 向下兼容 ，還支持寬帶寬數(shù)字?jǐn)z像設(shè)備及下一代掃描儀、打印機(jī)及存儲(chǔ)設(shè)備。 在 1998年 8月 ， Apple公司推出了僅有 USB 端口的 iMAC， 曾引起整個(gè)業(yè)界的轟動(dòng) ， 并使該公司的股票價(jià)格高漲。 今天的 USB IF 已經(jīng)擁有 600多個(gè)成員公司 ， 幾乎包括所有世界上的 PC 和外設(shè)制造商。在美國(guó) ， 100 %的 PC 機(jī)與膝上型電腦配備有 Windows 98支持的 USB 接口。盡管該操作系統(tǒng)不具備所有外設(shè)的驅(qū)動(dòng)程序 ， 用戶卻并不太在意 這一點(diǎn) ，因?yàn)?USB 仍可提供僅需一個(gè)步驟的簡(jiǎn)易安裝。過(guò)去兩年內(nèi) ， 其它的操作系統(tǒng) ， .像 MacOS 和開(kāi)放式 UNIX， 也已經(jīng)加入了 USB之中。 USB 由于速度快、通用性好、擴(kuò)展性強(qiáng)、功耗、穩(wěn)定、易開(kāi)發(fā)等眾多優(yōu)點(diǎn)，正逐步取代傳統(tǒng)的接口總線而應(yīng)用與計(jì)算機(jī)的各種外設(shè)中，特別是 2020年第一季推出 USB 標(biāo)準(zhǔn)后， USB 接口的應(yīng)用將會(huì)更加廣泛。 武漢科技學(xué)院 2020屆畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 3 1． 2． 2 USB 的優(yōu)點(diǎn) USB 標(biāo)準(zhǔn)可以針對(duì)不同的價(jià)格性能比要求，提供不同的選擇，針對(duì)相同的系統(tǒng)和部件提供不同的功能，可以說(shuō) USB 是外設(shè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，其特 性在于以下幾點(diǎn)： 1） 速度快 USB 有 全 速和低速兩種模式。主模式為 全 速模式，速率為 12Mb/s，從而使一些要求高速數(shù)據(jù)的外設(shè)，如高速硬盤、攝像頭等，都能統(tǒng)一到同一個(gè)總線框架下。另外為了適應(yīng)一些不 需要很大吞吐量 , 但有很高 實(shí)時(shí)性要求的設(shè)備， 如鼠標(biāo)、鍵盤、游戲桿等 ， USB 還提供低速方式 , 速率為 。不管是 全 速還是低速模式 , 速度都比 RS232 接口快得多。 2) 易擴(kuò)展 USB 采用的是一種易于擴(kuò)展的樹(shù)狀結(jié)構(gòu) , 通過(guò)使 用 USB Hub 擴(kuò)展，可連接多達(dá) 127 個(gè)外設(shè)。標(biāo)準(zhǔn) USB 的電纜長(zhǎng)度為 3 米（ 5 米，低速）。通 過(guò) Hub 或中繼器可以使外設(shè)距離達(dá)到 30 米。 3） 支持熱插拔和即插即用 在 USB 系統(tǒng)中 , 所有的 USB 設(shè)備可以隨時(shí)接入和 拔離系統(tǒng)， USB 主機(jī)能夠動(dòng)態(tài)地識(shí)別設(shè)備的狀態(tài) , 并 自動(dòng)給接入的設(shè)備分配地址和配置參數(shù)。這樣一來(lái) ，安裝 USB 設(shè)備不必再打開(kāi)機(jī)箱 ， 加、減己安裝過(guò)的設(shè)備完全不用關(guān)閉計(jì)算機(jī) , 也不必像過(guò)去那樣 , 需要手動(dòng)跳線或撥碼開(kāi)關(guān)來(lái)設(shè)置新的外設(shè)。 4） USB 提供總線供電和自供電兩種供電形式 當(dāng)采用總線供電時(shí) , 不需要額外的電源。 USB 主 機(jī)和 USB Hub 有電源管理系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)的電源進(jìn)行管理。 5） 使用靈活 USB 共有 4 種傳 輸模式：控制傳輸（ Control）、同步傳輸（ Synchronization）、中斷傳輸（ Interrupt）、批量傳輸（ Bulk），以適應(yīng)不同設(shè)備的需要。 6) 支持多個(gè)外設(shè)同時(shí)工作 在主機(jī)和外設(shè)之間可以同時(shí)傳輸多個(gè)數(shù)據(jù)和信息流。 7) 成本低 USB 設(shè)備一般都比同類功能的設(shè)備成本低。 武漢科技學(xué)院 2020屆畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 4 8）有很高的容錯(cuò)性能 它具有事務(wù)處理錯(cuò)誤檢測(cè)機(jī)制，能夠?qū)τ腥毕莸脑O(shè)備進(jìn)行認(rèn)定，對(duì)錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)進(jìn)行恢復(fù)或報(bào)告。 總之， USB 是一種方便、靈活、簡(jiǎn)單、高速的總線結(jié)構(gòu) [3]。 1． 3 LED 點(diǎn)陣顯示牌簡(jiǎn)述 隨著 通信 技術(shù)的迅 猛 發(fā)展 ，以嵌入式 計(jì)算 機(jī)為核心的 LED 點(diǎn)陣顯示牌已經(jīng)在 LED 點(diǎn)陣顯示 領(lǐng)域中占到了統(tǒng)治地位。 在 生活工作中，可用來(lái)及時(shí)的傳播信息和電視，尤其用來(lái)播放廣告、產(chǎn)品介紹等更有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。 現(xiàn)在常用的 LED 點(diǎn)陣顯示牌有兩種：脫機(jī)型與聯(lián)機(jī)型。脫機(jī)型移動(dòng)方便，適宜作廣告、宣傳牌、顯示牌，但信息修改更新不便；聯(lián)機(jī)型信息修改方便，時(shí)效性強(qiáng)， 適用于要求快速發(fā)布信息的場(chǎng)合 [4]。 本課題研究的 LED 點(diǎn)陣顯示牌利用一臺(tái)微機(jī)作為上位機(jī)，可實(shí)時(shí)地將 上位機(jī)上 用戶輸入的漢字生成漢字的點(diǎn)陣字模，并通過(guò) USB傳輸給單片機(jī)，存儲(chǔ)在 單片機(jī) 片內(nèi) FLASH ，然后由單片機(jī)控制漢字在 16 塊 LED 點(diǎn)陣上的顯示（下位機(jī)），外帶的鋰電池支持 掉 電顯示，集合了以上兩種的優(yōu)點(diǎn)。 故基于 USB 的 LED 點(diǎn)陣顯示牌具 有很大的應(yīng)用前景。 1． 4 方案論證 在進(jìn)行一個(gè) USB 設(shè)備開(kāi)發(fā)之前，首先要根據(jù)具體使用要求選擇合適的 USB控制器。目前，市場(chǎng)上供應(yīng)的 USB 控制器主要有兩種：帶 USB接口的單片機(jī)（ MCU）或純粹的 USB 接口芯片。 帶 USB 接口的單片機(jī) 在 應(yīng)用上又可以分成兩類，一類是從底層設(shè)計(jì)專用于USB 控制的單片機(jī) ， 比如 Cypress公司的 CY7C630（低速）、 CY64X13（全速），但由于價(jià)格、開(kāi)發(fā)工具以及單片機(jī)性能有限等問(wèn)題，所以一般不選用。另一類是增加了 USB接口的普通單片機(jī)，例如 Intel公司的 8X931（基于 8051）、 8X930（基于高速、增強(qiáng)的 8051）、 Cypress公司的 EZ－ USB(基于 8051）， Cygnal公司的C8051F32X(基于高速，增強(qiáng)的 8051)，選擇這類 USB控制器的最大好處在于開(kāi)發(fā)者對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令集比較熟悉，開(kāi)發(fā)工具簡(jiǎn)單。 武漢科技學(xué)院 2020屆畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 5 純粹的 USB 接口芯片僅處理 USB 通信，必須有一個(gè)外部微處理器來(lái)進(jìn)行協(xié)議處理和數(shù)據(jù)交換。典型產(chǎn)品有 Philips公司的 PDIUSBD12(并行接口）， NS公司的 USBN9603/9604(并行接口）， NetChip公司的 NET2888等。 USB接口芯片的主要特點(diǎn)是價(jià)格便宜、接口方便、可靠性高，尤其適合于產(chǎn)品的改型設(shè)計(jì)（硬件上僅需對(duì)并行總線和中斷進(jìn)行改動(dòng)，軟件則需要增加微處理器的 USB中斷處理和數(shù)據(jù)交換程序、 PC機(jī)的 USB接口通信程序，無(wú)需對(duì)原有產(chǎn)品系統(tǒng)結(jié)構(gòu)作很大的改動(dòng)） 。但其明顯的缺點(diǎn)是至少需要兩個(gè) 芯片 (MCU和 USB芯片 )，電路設(shè)計(jì)和調(diào)試比較復(fù)雜，不利于快速開(kāi)發(fā)一個(gè)項(xiàng)目 [5]。 根據(jù)本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求和實(shí)際情況，選用 Cygnal公司的 C8051F320芯片來(lái)完成 USB 數(shù)據(jù) 傳輸 。 選用此芯片將 大大簡(jiǎn)化硬件電路、減小外設(shè)體積，而且還可以提高產(chǎn)品的可靠性 。 該 芯片 具有較快的處理速度和較大的存儲(chǔ)容量，并且具有在系統(tǒng)可編程的功能， 是比較理想的選擇 。 鋰電池充電部分 我們選用 凌力爾特 公司的 LTC3555，它是 一種 應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)鋰電池或聚合 物電池快速充電的電源管理器件 ，速度快、低功耗 , 低噪聲 , 使用靈活且體積小， 支持 I2C總線， 采用它可以節(jié)省總線個(gè)數(shù)，節(jié)省 C8051F320引腳。使用該芯片作為 電源管理 是較理想的選擇。 2． USB 系統(tǒng)簡(jiǎn)介 2． 1 USB 系統(tǒng)組成 一個(gè) USB 系統(tǒng)主要由三個(gè)部分： USB 設(shè)備 ， USB 主機(jī)和 USB 互聯(lián) [6] [7]。 1） USB 設(shè)備 USB 有兩種設(shè)備類：集線器（ Hub）和功能部件（ Function） ， 如人機(jī)接口、打印機(jī)、圖像掃描儀或海量