【導(dǎo)讀】本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。學(xué)位論文管理部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。（請?jiān)谝陨舷鄳?yīng)方框內(nèi)打“√”。，并由鋰電池給系統(tǒng)供電。單片機(jī)片內(nèi)Flash中，并實(shí)現(xiàn)漢字在LED點(diǎn)陣上的顯示；撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)正文，寫出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，并提出改進(jìn)思想。漢字顯示個數(shù)：4～6個；LED點(diǎn)陣顯示牌是由LED點(diǎn)陣組成的顯示信息的產(chǎn)品?，F(xiàn)代生活對LED點(diǎn)陣顯示牌的要求日益提高。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。因此，可以應(yīng)用USB總線設(shè)計(jì)LED點(diǎn)陣顯示牌并同時對其供電，

　　

【正文】 或 OUT 少量或中量 、周期性 對 FLASH 等存儲介質(zhì)進(jìn) 行讀寫操作，一般沒有時間和速率的要求，一般都 采用批量傳輸方式進(jìn)行傳輸。 3． 2． 1 控制傳輸 （ Control Transfer） 控制傳輸作為最重要同時也是最為復(fù)雜的傳輸類型，是所有 USB 設(shè)備都必須支持的傳輸類型。待 USB 設(shè)備連接到主機(jī)上之后，主機(jī)借助控制傳輸來與設(shè)備交換信息、配置設(shè)備、讀取設(shè)備描述符等。 控制傳輸由初始設(shè)置、可選數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息三個階段組成。其中，初始設(shè)置 階段中，主機(jī)向指定的 USB 設(shè)備發(fā)送 SETUP 令牌包。可選數(shù)據(jù)階段中，主機(jī)則 發(fā)送具有 USB 定義格式的數(shù)據(jù)包。在最后的握手階段， USB 設(shè) 備則接收主機(jī)發(fā) 送給它的令牌包和數(shù)據(jù)包，并向主機(jī)返回 ACK 握手包。一旦 SETUP 令牌包出錯， USB 設(shè)備就 會 忽略該信息包，也不會對返回任何信息。而當(dāng)設(shè)備接收了來自主機(jī)的 SETUP 包時，就一定要接收后面的數(shù)據(jù)包，同時必需向主機(jī)返回 ACK握手包。 武漢科技學(xué)院 2020屆畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 14 3． 2． 2 批量 傳輸 （ Bulk Transfer） 批量傳輸支持在不確定時間進(jìn)行的大量的數(shù)據(jù)通信，在移動存儲設(shè)備中使用 廣泛。用于批量傳輸?shù)亩它c(diǎn)決定其接收或發(fā)送的最大數(shù)據(jù)凈負(fù)荷區(qū)大小。 USB規(guī)定最大的批量傳輸凈負(fù)荷區(qū)的長度為 1 32 或 64 字節(jié)。所有主機(jī)控制器都必須 支持這幾種字節(jié)長度作為最大長度，而對于超過此范圍的數(shù)據(jù)長度可以不支持。 以 BULK IN 傳輸為例，當(dāng)主機(jī)做好準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)時，就會向 USB 設(shè)備發(fā)送 IN 令牌包，并根據(jù) USB 設(shè)備返回的數(shù)據(jù)來握手。當(dāng) USB 設(shè)備在接收到令牌包后，發(fā)現(xiàn)此包損壞，將不應(yīng)答。若令牌包有效，則 USB 設(shè)備將返回 DATAx 數(shù)據(jù)包、 NAK 或者 STALL 握手包。主機(jī)接收到有效的 DATAx 數(shù)據(jù)包，就會向 USB設(shè)備返回 ACK 包；相反，如果接收的數(shù)據(jù)有誤，數(shù)據(jù)包將被丟棄，主機(jī)不做應(yīng)答，并重試該 IN 事務(wù)，但最多 3 次。 批量傳輸格式 如圖 33。 圖 33 批量傳輸格式 3． 2． 3 中斷傳輸 （ Interrupt Transfer） 中斷傳輸適用于傳輸數(shù)據(jù)量少、但服務(wù)周期固定的數(shù)據(jù)，常用來傳輸鼠標(biāo)、 鍵盤操作的數(shù)據(jù)。同批量傳輸類似，中斷傳輸包括 IN和 OUT 事務(wù)，并可分為令 牌、數(shù)據(jù)和握手三個階段，但不一定要經(jīng)歷所有 3個階段。其傳輸格式見圖 34。 IN IN IN ＯＵＴ DATA0/ DATA1 IN IN IN IN IN 總線空閑 出錯 數(shù)據(jù)出錯 出錯 主機(jī) 設(shè)備 空閑 空閑 武漢科技學(xué)院 2020屆畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 15 圖 34 中斷傳輸模式 中斷傳輸?shù)臄?shù)據(jù)不具有 USB 定義的格式。因此在總線上進(jìn)行中斷傳輸時，必須使用數(shù) 據(jù)觸發(fā)機(jī)制來保證數(shù)據(jù)包收發(fā)同步，從而使數(shù)據(jù)能被正確接收。 3． 2． 3 同步傳輸 （ Synchronous Transfer） 對于大量的、速率恒定且對服務(wù)周期有要求的數(shù)據(jù)，適合采用同步傳輸。通常，對于音視頻設(shè)備，如 CD 機(jī)、 MP3 等都采用同步傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。在同步傳輸中，數(shù)據(jù)的及時收發(fā)相對其正確性更為重要，因此，同步傳輸只包含令牌和數(shù)據(jù) 2 個 階段，省去了握手這一步。鑒于 USB 總線傳輸?shù)恼`碼率很低，即使偶爾出現(xiàn)錯誤情況，也都是在可以接受的范圍內(nèi)。同步傳輸格式見圖 35。 圖 35 同步傳輸格式 IN DATAx ＯＵＴ DATAx 總線空閑 出錯 主 機(jī) 設(shè)備 空閑 令牌 數(shù)據(jù) 13 IN IN IN ＯＵＴ DATA0/ DATA1 IN IN IN IN IN 總線空閑 出錯 數(shù)據(jù)出錯 出錯 主機(jī) 設(shè)備 空閑 令牌 數(shù)據(jù) 握手 空閑 數(shù)據(jù)出錯 武漢科技學(xué)院 2020屆畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 16 3． 3 USB 設(shè)備 總線枚舉 主機(jī)要識別 USB 設(shè)備之前，需要經(jīng)歷一系列的設(shè)備狀態(tài)，即設(shè)備暫態(tài)，進(jìn)而才能進(jìn)行 USB 設(shè)備的總線枚舉 [13]。 3． 3． 1 設(shè)備暫態(tài) USB 設(shè)備的暫態(tài)有： 接入態(tài) —— USB 設(shè)備接入主機(jī)的物理行為。主機(jī)通過檢測信號線上的電平變化即可發(fā)現(xiàn)有設(shè)備接入。 供電態(tài) —— 在設(shè)備未被配置前，設(shè)備的電源仍是默認(rèn)值。設(shè)備進(jìn)入配置階段之后，供電態(tài)會暫時停止供電，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的復(fù)位及重新接入。待設(shè)備被配置后 ，進(jìn)入正常的供電態(tài)，即主機(jī)按照設(shè)備要求的最大電流值供電 。 缺省態(tài) —— 設(shè)備在配置前，通過缺省地址 0 與主機(jī)通信時的狀態(tài)。 地址態(tài) —— 設(shè)備歷經(jīng)了配置、復(fù)位后，按照主機(jī)分配的地址通信的狀態(tài)。 配置態(tài) —— 主機(jī)通過各種 USB 請求命令獲取設(shè)備信息，并改變或設(shè)置設(shè)備的某些信息，從而完成對設(shè)備的配置。此狀態(tài)即為配置態(tài)。 掛起態(tài) —— 設(shè)備進(jìn)入掛起狀態(tài)。 除掛起態(tài)外，設(shè)備必須歷經(jīng)其他 5個狀態(tài)，方可被成功配置。而這 6個暫態(tài)之間的關(guān)系并非彼此孤立，而是相互關(guān)聯(lián)的。其關(guān)系可見圖 36。 武漢科技學(xué)院 2020屆畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 17 圖 36 USB 設(shè)備狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖 3． 3． 2 USB 設(shè)備的總線枚舉 USB 通過使用總線 枚 舉操作來管理 USB 設(shè)備的連接與斷開?？偩€枚舉的過程 由 兩 部分組成， 先 是主機(jī)和 USB 設(shè)備所連接的集線器進(jìn)行通信，然后主機(jī)才開始與這個新連接的 USB 設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?？偩€枚舉的具體過程如下 ： 1） 設(shè)備連接。 USB 設(shè)備接入 USB 總線，即進(jìn)入接入態(tài)。 2） 集線器為設(shè)備上電，使之進(jìn)入供電態(tài)。 3） 主機(jī)檢測到設(shè)備后，復(fù)位設(shè)備。即設(shè)備連接到總線后，主機(jī)通過檢測設(shè)備在總線上的上拉電阻檢測到有無設(shè)備與之連接，并得知設(shè)備的速度，繼而發(fā)出復(fù)位信號，復(fù)位設(shè)備。 4） 設(shè)備進(jìn)入缺省態(tài)。設(shè)備在收到 復(fù)位信號后，使用缺省地址對其尋址。 5） 地址分配。當(dāng)主機(jī)收到來自設(shè)備在缺省地址的響應(yīng)后，就對該設(shè)備分配一個空閑的地址。此后，該設(shè)備就用這個新獲得的地址與主機(jī)通信。 6） 讀取 USB 的設(shè)備描述符。主機(jī)通過讀取 USB 設(shè)備的描述符，從而確定缺省態(tài) 地址態(tài) 配置態(tài) 掛起態(tài) 掛起態(tài) 掛起態(tài) 供電態(tài) 掛起態(tài) 接入態(tài) 總線被激活 總線無活動 總線被激活 總線被激活 總線無活動 總線無活動 總線無活動 總線被激活 武漢科技學(xué)院 2020屆畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 18 USB 設(shè)備的諸多屬性。 7） 配置設(shè)備，即主機(jī)根據(jù)已獲的設(shè)備描述符對設(shè)備進(jìn)行配置。若主機(jī)能滿足設(shè)備所需的 USB 資源，主機(jī)就發(fā)送配置命令給設(shè)備，以表示配置結(jié)束。 8） 掛起。根據(jù) USB 協(xié)議規(guī)定，當(dāng) USB 總線空閑狀態(tài)超過 3ms，設(shè)備驅(qū)動程序就進(jìn)入掛起狀態(tài)。此時，設(shè)備的耗電流不超過 500μA。而設(shè)備的地址及配置等信息 都不會因此而發(fā)生改變，而是保存在設(shè)備里。 完成以上 8 步之后， USB 設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)即插即用。其中，步驟 8 是可選的。 即設(shè)備不一定都要進(jìn)入掛起狀態(tài)。 3． 3． 3 標(biāo)準(zhǔn) USB 描述符 如前文所述，任何 USB 設(shè)備都可視為是配置、接口和端點(diǎn)的集合。在實(shí)際應(yīng)用上，主機(jī)通過發(fā)送 GetDescriptor 請求來獲取設(shè)備描述符，從而了解設(shè)備的具體信息，以便為兩者通信做好準(zhǔn)備。標(biāo)準(zhǔn) USB 描述符分幾大類，見表 36。 表 36 標(biāo)準(zhǔn) USB 描述符 描述符的類型 值 描述符的類型 值 設(shè)備描述符 1 端點(diǎn) 描述符 5 配置描述符 2 設(shè)備限定描述符 6 字符串描述符 3 其他速率配置描述符 7 接口描述符 4 其中，設(shè)備描述符主要向主機(jī)提供 USB 設(shè)備的一般信息，并指出其所含配置的個數(shù)。配置描述符、接口描述符和端點(diǎn)描述符則根據(jù)設(shè)備的工作情況，返回設(shè)備的相關(guān)信息。只是一個 USB 設(shè)備只能有一個設(shè)備描述符，但可以同時有多個配置描述符，接口描述符和端點(diǎn)描述符。 4. 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) LED 點(diǎn)陣顯示牌 硬件部分的總體設(shè)計(jì)首先應(yīng)選好系統(tǒng)的中央處理系統(tǒng) CPU, 武漢科技學(xué)院 2020屆畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 19 然后在其基礎(chǔ)上擴(kuò)展，選擇其他的元器件，設(shè)計(jì)出與其相配套 的電路部分，經(jīng)調(diào)試后組成硬件系統(tǒng)。 本 文介紹的 LED 點(diǎn)陣顯示牌 包括 微控制器 、 USB 通信接口 、 LED 點(diǎn)陣 以及點(diǎn)陣驅(qū)動電路 和鋰電管理電路 。本設(shè)計(jì)選用 Cygnal 公司內(nèi)置 USB 接口的高性能微控制器芯片 C8051F320，選用 凌力爾特 公司的 LTC3555 做為 鋰電池 電源管理芯片 ，這樣簡化了硬件部分的設(shè)計(jì)，在一定程度上縮小了 LED 點(diǎn)陣顯示牌 的體積。 本 設(shè)計(jì)的 硬件電路 主要有 三個模塊：電源模塊、 鋰電 管理 模塊 、 LED點(diǎn)陣顯示模塊 。 系統(tǒng)硬件原理框圖如下圖 37所 示。 其工作原理是：通過 USB接口的 VBUS或者鋰電池給系 統(tǒng)供電，鋰電池充電通過配置 LTC3555實(shí)現(xiàn)， LED點(diǎn)陣顯示是通過單片機(jī)控制 LED點(diǎn)陣的行和列的高低電平來實(shí)現(xiàn)，并通過軟件編程實(shí)現(xiàn) C8051F320與 PC機(jī)的通信 [14]。 圖 37 系統(tǒng)硬件原理框圖 行驅(qū)動電路 單片機(jī)（ MCU） USB 接 口 PC機(jī) JTAG 口 鋰電池 總線驅(qū)動器 列驅(qū)動電路 LED 點(diǎn)陣 LED 點(diǎn)陣顯示系統(tǒng) 開關(guān)切換 LTC 3555 I2C VBUS 武漢科技學(xué)院 2020屆畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 20 4． 1 主要芯片介紹 4． 1． 1 C8051F320 簡介 C8051F320 是由 Cygnal 公司推出的 C8051F 系列單片機(jī)中的一款小型單片機(jī)。它是集成的混合信號片上系統(tǒng) SOC（ System on chip） ， 除了具有與 MCS51內(nèi)核及指令集完全兼容的微控制器、標(biāo)準(zhǔn) 8051 的數(shù)字外設(shè)部件之外， 片內(nèi)還集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件和其它數(shù)字外設(shè)及功能部件。C8051F320 片內(nèi)自帶有 USB 收發(fā)器和控制處理器是它區(qū)別于同一系列產(chǎn)品的一大特點(diǎn)。用 C8051F320 來進(jìn)行 USB 技術(shù)開發(fā)既方便又快捷。結(jié)構(gòu)示意圖如圖 41所示 [15]。 圖 41 C8051F320 單片機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖 C8051F320 功能部件及特點(diǎn)： ① USB 功能控制模塊：滿足 協(xié) 議 ； 可在全速（ 12 Mbps）或低速（ ）下運(yùn)行；集成有一個時鐘恢復(fù)源，對于全速或低速傳輸均可不用外武漢科技學(xué)院 2020屆畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 21 部晶振；支持 8 個靈活通用的端點(diǎn)；內(nèi)置一個 1K 的 USB 專用緩沖存儲器；集成了一個 USB 接收器，不需要外部電阻。 ②模擬外設(shè)： 10 位的 ADC（177。 1LSBINL） ： 其最大可編程轉(zhuǎn)換速率可達(dá)200kbps，可多達(dá) 17 個外部輸入，可編程為單端輸入或差分輸入，內(nèi)置一個溫度傳感器（177。 3℃）； 2 個模擬比較器； 的內(nèi)部電壓基準(zhǔn)；精確的 Vdd 監(jiān)視器和欠壓檢測器。 ③高速 8051 微控制器內(nèi)核：采用流水線指令結(jié)構(gòu)， 其 70%的指令的執(zhí)行時間為一個或兩個系統(tǒng)時鐘周期；速度可達(dá) 25 MIPS（時鐘頻率為 25MHz 時）。 ④數(shù)字外設(shè)： 25 個字節(jié)寬的端點(diǎn) I/O；所有口線均耐 5V電壓；可同時使用UART 串口、硬件 SMBusTM、 SPITM；帶有 4 個可編程的 16 位計(jì)數(shù)器 /定時器陣列；帶有 5 個捕捉 /比較模塊的通用 16 位計(jì)數(shù)器 /定時器。 ⑤時鐘源：內(nèi)部晶振，精度為 ；支持所有 USB 和 UART 模式；外部晶振器：晶體、 RC、 C 或外部時鐘；內(nèi)置一個針對 USB 控制器的片上時鐘乘法器。 ⑥供電電壓：片上的參考電源校準(zhǔn)器支持 USB 總線電源操 作；校準(zhǔn)器的Bypass 模式支持 USB 內(nèi)部電源操作。 ⑦存儲器： 1280 字節(jié)的內(nèi)部數(shù)據(jù) RAM（ 1K+256）； 16K 字節(jié)的可以在系統(tǒng)編程的 FLASH 閃速存儲器。 ⑧片內(nèi)調(diào)試模塊：片內(nèi)調(diào)試電路提供全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試（不需仿真器）；支持端點(diǎn)、單步、觀察點(diǎn)、堆棧監(jiān)視器；可以觀察 /修改存儲器和寄存器；比使用仿真芯片、目標(biāo)仿真頭和仿真插座的仿真系統(tǒng)有更好的性能。 ⑨工作溫度范圍： 0～ 70℃ ⑩性能特點(diǎn)： C8051F320 在保持 CISC 結(jié)構(gòu)及指令系統(tǒng)不變的情況下，對指令運(yùn)行實(shí)行流水作業(yè)，推出了 CIP51 的 CPU模式，從而大大提高了指令運(yùn)行速度，使 8051 兼容機(jī)系列進(jìn)入了 8 位高速單片機(jī)行列。 C8051F320 單片機(jī)系統(tǒng)集成了全速 /低速 USB 功能控制器，用于實(shí)現(xiàn) USB接口的外部設(shè)備（ C8051F320 不能被用作 USB 主設(shè)備）。 USB 功能控制器（ US