（检测技术与自动化装置专业论文）基于usb的led屏控制器的改进与优化.pdf

摘要 摘要 近年来，l e d 显示屏市场得到迅猛发展，l e d 显示屏已经广泛应用于各领域。针对小型化l e d 灯光屏这一新兴市场，本嵌入式系统研究室提出基于u s b 的l e d 屏控制器的设计方案。该控制器 可对l e d 灯光屏进行实时控制和用户d i y 方式控制。目前国内市场尚无同类产品。本文在基于u s b 的l e d 屏控制器第一阶段研究任务的基础上，对l e d 屏控制器进行了改进优化及功能完善。 本文详细分析了l e d 屏控制器的系统构成及t 作原理。包括整体方案分析设计；相关器件选择： 系统埂f i ，l ：结构设计；功能模块划分及程序结构设计。为基于u s b 的l e d 屏控制器的改进与优化工 作奠定基础。 改进了同步方式中u s b 传输方式。对i o 传输控制方式进行分析；由原有的可编程i o 寻址方 式改进为直接存储器存取( d m a ) 方式；通过l p c 2 1 4 8 白带的d m a 引擎实现u s b 数据传输；加 入rd m a 方式的中断处理；使刚c 语言编程实现。对u s b 传输方式的改进，完善了同步方式u s b 功能、提高了l p c 2 1 4 8 的运行效率、提高了同步方式一1 - u s b 的传输速度。 完善j ，存储方式中u s b 功能。介绍了u s b 的协议规范；分析了u s bb u l k o n l y 的操作过程； 按b u l k o n l y 模式配置l e d 屏控制器描述符；响应s c s i 指令集相关指令。使得在存储方式中基于 u s b 的l e d 屏控制器被p c 机枚举成为一个海量存储类( m s c ) 。完善了存储方式功能的同时，也 使l e d 脐控制器的操作更为方便。 实现了f a t 文f ，l ：系统在n a n df l a s h 上的应用与改进。对多种文件管理系统进行分析，选i j 适合本设计的f a t l 6 文件系统，对l e d 屏控制器的n a n df l a s h 进行管理；针对n a n df l a s h 仃储器的特点和通刖f a t l 6 文件系统的不足，改进f a t 表以及f d t 表的存储方式、引入块均衡损 托和垃圾州收策略，使f a t l 6 文什系统的可靠性得到提高。 优化了系统代码，提高了系统运行效率。同时将代码蚓化到片内f l a s h 中，使基于u s b 的l e d 屏控制器可脱机运行。对u s b 功能进行了测试，测试表明：同步方式中数据通信流畅、存储方式中 稳定可靠。 本设计已得剑充分验证，在整机测试过程中系统运行稳定，性能优良，同时系统功能易于扩展维 护。 关键词：l e d 灯光屏；通用串行总线；文件系统；a r m 7 ； a b s t r a c t a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，l e dd i s p l a ym a r k e th a sb e e nt h er a p i dd e v e l o p m e n t ，a n dl e dd i s p l a yh a sb e e n w i d e l ya p p l i e di nv a r i o u sf i e l d s f o rt h ee m e r g i n gm a r k e to fs m a l l - s c r e e nl e dl i g h t i n g ，o u re m b e d d e d s y s t e mp r o p o s er e s e a r c hd e s i g nt h el e d s c r e e nc o n t r o l l e rb a s e do nu s b t h ec o n t r o l l e rc a nb eo nt h el e d s c r e e ni nr e a l t i m el i g h t i n gc o n t r o la n du s e rc o n t r o lo fd i y a tp r e s e n tt h e r ei sn or e l a t e dp r o d u c t sf o rt h e d o m e s t i cm a r k e t o nt h eb a s i so ft h ef i r s ts t a g er e s e a r c ht a s ko ft h el e ds c r e e nc o n t r o l l e rb a s e do nu s b t h i sp a p e ri m p r o v e sa n do p t i m i z e st h ep e m c tt h ef u n c t i o no f t h el e ds c r e e nc o n t r o l l e r i nt h i sp a p e r , w eg i v ead e t a i l e da n a l y s i so f t h es y s t e ml e ds c r e e nc o n t r o l l e ra n di t sw o r k i n gp r i n c i p l e i n c l u d i n ga n a l y s i so ft h eo v e r a l ld e s i g n ；c h o i c eo fr e l a t e dd e v i c e s ；s y s t e mh a r d w a r ed e s i g n ；m o d u l ed e s i g n o ft h es t r u c t u r ea n dp r o c e d u r e s t h i sa r t i c l ei m p r o v e st h ew a yo ft h eu s bs y n c h r o n i z a t i o nt r a n s m i s s i o n t h r o u g ha n a l y z i n gt h ei 0 t r a n s m i s s i o nc o n t r o lm e t h o d s ，w ec h a n g et h eo r i g i n a lp r o g r a m m a b l ei oa d d r e s s i n gt ot h ed i r e c tm e n l o l y a c c e s s ( d m a ) m o d e t h r o u g ht h ed m ae n g i n eo fl p c 12 4 8 ，w ea c h i e v eu s bd a t at r a n s m i s s i o n a n dw e m a k ecp r o g r a m m et oj o i nt h ei n t e r r u p t i o no fd m am o d e t h eu s bt r a n s m i s s i o ni m p r o v e dw a y si n c l u d e p e r f e c t i n gt h es y n c h r o n i z a t i o nm o d ef u n c t i o n ，i m p r o v i n gt h eo p e r a t i n ge f f i c i e n c yo ft h el p c 2 14 8 ，r a i s i n g t h eu s bt r a n s m i s s i o ns p e e do ns y n c h r o n i z a t i o nm o d e t h i sa r t i c l ei m p r o v e su s bf u n c t i o n so ni t ss t o r a g em o d e f i r s t l yw ei n t r o d u c et h en o r m so fu s b a g r e e m e n t ；s e c o n d l yw ea n a l y s et h eo p e r a t i o np r o c e s so fu s bb u l k - o n l y ；t h i r d l yw ec o n f i g u r a t el e d s c r e e nc o n t r o l l e rd e s c r i p t o r s i ni na c c o r d a n c ew i t ht h eb u l k o n l ym o d e ；l a s tw er e s p o n s et h er e l e v a n t i n s t r u c t i o n so fs c s ic o m m a n ds e t s i ns t o r a g em o d e ，p ce n u m e r a t e su s bc o n t r o l l e rb a s e do nt h el e d s c r e e na sam a s ss t o r a g ec l a s s ( m s c ) n o to n l yi m p r o v i n gt h es t o r a g ef u n c t i o n ，b u ta l s om a k i n gt h el e d s c r e e nc o n t r o l l e ro p e r a t i o nm o r ec o n v e n i e n t t h i sa r t i c l ea p p l i e sa n di m p r o v e st h ef a tf i l es y s t e mm e t h o do nt h en a n df l a s h w em a k e a n a l y s i so nav a r i e t yo fd o c u m e n tm a n a g e m e n ts y s t e m ；c h o o s e t h em o s ts u i t a b l ef a t i6f i l e s y s t e m ； m a n a g et h en a n df l a s ho ft h el e ds c r e e nc o n t r o l l e r s f o rt h ec h a r a c t e r i s t i c so fva n dt h el a c ko ft h e g e n e r a lf a t l 6f i l es y s t e m ，w ei m p r o v et h es t o r a g em o d eo f t h ef a tt a b l ea n df d tf o r m ，a n di n t r o d u c et h e b l o c kb a l a n c el o s sa n dt h ew a s t er e c y c l i n gs t r a t e g y , s ot h a tt h ef a t16f i l es y s t e mr e l i a b i l i t yi si m p r o v e d t h i sa r t i c l eo p t i m i z e st h es y s t e mc o d ea n di m p r o v e st h es y s t e mo p e r a t i n ge f f i c i e n c y a tt h es a m et i m e w ec u r i n gt h ec o d ei n t ot h ef l a s hi nc h i p ，s ot h a tt h el e ds c r e e nc o n t r o l l e rb a s e do nu s bc a nr u n o f f - l i n e t h et e s to fu s bf u n c t i o n ss h o w e dt h a t ：d a t ac o m m u n i c a t i o n si ss m o o t ho ns y n c h r o n o u sm o d e 。a n d s t a b l ea n dr e l i a b l eo ns t o r a g em o d e t h i sd e s i g nh a sb e e nf u l l yv e r i f i e d i nt h ef u l lm a c h i n ec o u r s et e s t i n g ，t h es y s t e mi sr u n n i n gs t a b i l i t y e x c e l l e n tp e r f o r m a n c e ，w h i l es y s t e mf u n c t i o n sa r ee a s yt oe x p a n da n dm a i n t a i n k e y w o r d s ：l e dl i g h t i n g ；u s b = f a t a r m 7 ； i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签名： 日 期：汹了。7 o 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名： 导师签名： 如。苫7 口 日 期：妇了7 、0 绪论 第一章绪论 1 1 课题背景及意义 随着人们生活水平的不断提高，人们已经不能满足丁：仅停留住温饱状态，对生活质量提出了越 米越高的要求。在具备一定物质条件的基础上，追求一种更加舒适，更加富有情趣的生活方式。最 近儿年，欧美的一些国家开始流行一种家用的小型l e d 灯光屏，就是一个很好的体现。这种家用的 小型l e d 灯光屏，尺寸一般在1 平方米左右，可以悬挂在客厅或者门外。通过l e d 灯光屏控制器 的控制，在l e d 灯光屏上实现各种文字，图案甚至动画的显示，五彩的图案配上温馨的话语，无论 是伍平时还是在节日里，都能让人感受剑科技的气息，给人以美的享受。由于还可以“d i y ”设计 显示的内容，所以越米越受到人们的喜爱【l l l 2 l 。 这种小型的l e d 灯光屏，不仅可应用在私人住家中，在如同酒吧、舞厅、学校等等很多场所都 有很人的应川发展空间。控制器在设计上力求结构紧凑、功能强大、操作简单，特别适用丁酒店、 娇礼、家庭娱乐装饰等需要对l e d 灯光进行实时控制和川户d i y ( d oi t y o u r s e l f ) 控制的场合使刚。 面对这一巨大的新兴的l e d 灯光屏市场，国内外很多公司都把注意力从l e d 大屏转移到l e d 脐小型化的研究和应川中。其中，常州银港数据系统有限公司提出了c o l o rp i x e l 智能灼光控制 系统。该系统包括全彩l e d 控制芯片、基丁以太网的l e d 灯光屏控制系统。其中全彩l e d 控制芯 片运h j 独特的单线i o 总线结构，简化了l e d 灯具控制连线，实现了4 0 9 6 色p w m 调光控制，三路 p w m 凋光技术，以s o p l 6 封装，具备1 0 2 4 颗芯片级联能力。基于以太网的l e d 灯光屏控制系统， 有l i 富的剧边软4 ；，l ：支持，最多可控制6 5 5 3 6 个l e d 灯具。基丁以太网的l e d 灯光屏控制系统是由 江南人学嵌入式系统研究室研制完成。 从目前情况看，l e d 照明灯具的控制技术是提升l e d 灯具应用水平的关键所在，现有l e d 灯具 f l ；j 控制方式土要有下面2 种方法：( 1 ) 独立控制法：在每个l e d ： j 具中使j h 一个低价格单片机或者 专刖控制芯片。产生一系列颜色变换，如七彩、渐变等，有的控制：签片还带有音频同步口。使l e d 与附近的音乐同步闪烁，灯与灯之间没有控制线，靠上电、或a c 过零点同步控制。这种产品特点是 比较简单，灯头、灯座与传统灯具兼容，能人批量生产和山口。但是，其缺点是无法实现灯光的动 画效果，更不能根据应刚的需要设计出整体的灯光方案。因此只能应用于局部简单的场合。( 2 ) 联 线控制法：l e d 戈j 具与控制器相连，控制器通过d m x 5 1 2 联成网络，实现对l e d 灯具的控制。另一 种联线控制法是每一个灯管中含有一个低价格单片机，通过r s 4 8 5 连线控制，也有使_ h = 】移位寄存器 ( s p i 总线) 来传送l e d 控制信掣3 1 。 以上两种l e d 的控制方式各有优缺点，独立控制方式的优点是结构比较简单，缺点是如果j j 户 想更改设计仡样，就必须依靠厂家。联线控制方式的优点是能够控制较人的系统，缺点是必须p c 机实时参与控制、在p c 机上需设置很多的参数、操作较繁琐、不利丁用户d i y 。针对这些实际情 况，本课题提山了一种基于u s b 的l e d 灯光屏控制器的设计方案，其设计目标在于实现对l e d 灯 光实现同步、同放以及存储控制3 种控制方式的解决方案。本文在基于u s b 的l e d 屏控制器第一 阶段研究i ：作的基础上，完成了同步、回放以及存储控制方式中的软1 ，| ：设计和改进：包括u s b 传输 办弋的改进与软1 ；，l ：设计；存储方式下u s bb u l k o n l y 协议的解析和实现；n a n df l a s h 上f a t l 6 文f ，| ：系统的改进与实现；系统代码的优化及程序同化：u sb 协议调试及系统整体测试。完善了基于 u s b 的l e d 屏控制器的功能，使本课题向产晶化、市场化的方向又迈出了一大步。 1 2 国内外研究现状及发展趋势 二十lu = 纪九十年代开始，全球信息产业高速增长，信息技术各个领域不断突破，l e d 显示屏在 l e d 材料和控制技术方面也不断出现新的成果。随着微机及微电子领域的技术发展，在显示屏控制 披术领域出现了视频控制技术，显示屏灰度等级能实现1 6 级灰度和6 4 级灰度，显示屏的动态显示 江南火学硕十学位论文 效果大火提高。这一阶段，l e d 显示屏在我国发展1 卜常迅速，从初期的儿家企业、年产值儿千，无 发展剑儿十家企业、年产值儿亿元，产品应用领域涉及金融证券、体育、机场、铁路、币站、公拄 交通、商业广告、邮电等诸多领域。l e d 显示屏在平板显示领域的主流产品局面基本形成，l e d 显 示屏产业成为新兴的高科技产业i 4 l 。 l e d 显示屏有以下3 个发展趋势：高亮度、全彩化；标准化、规范化：产晶结构多样化、网络化。 基于上述特点，针对一些特定场合的需要，剑走偏锋，致力于小型化的l e d 显示屏的研究麻j l j ，是 一个很好的市场策略。欧美国家的小型化l e d 屏控制器技术比较成熟。如位于美国波+ 顿的专业l e d 制造商c o l o rk i n e t i c s ，就有一款小型l e d 灯光屏控制器。其结构如图1 1 所示【5 l 。 图卜1c o l o rk i n e ti c s l e d 景观灯控制器结构 f i g 1 1s t r u c t u r eo fc 0 1 0 rk i n e ti c sl e d li g h ti n gc o n tr 0 1 l e r 该款控制器是由p c 机以及i p l a y e r 2 两部分组成。p c 机的作用主要是生成l e d 景观并通过u s b i u 缆 下载至u j i p l a y e r 2 。首先，在p c 机上安装上位机软件c o l o r p l a y 景观灯光创作软件币l l i p l a y e r 2 巧区动稗序。 然后可实现设计c o l o r p l a y 的景观灯光的4 个步骤：分配和标明灯光位置：在时间表中生成景观；模拟、 预览景观：下载景观至- i j c o l o rk i n e t i c s 控制器。c o i o r p l a y 取代了昂贵复杂的灯光设计控制台的需求。 c o l o r p l a y 可以让c o l o rk i n e t i c s 整个d m x 5 1 2 体系多达1 7 0 个灯光地址的灯任意组合产生景观。 c o l o r p l a y 以简单的j j 户界面设计，使设计者可以花更多时间在灯光设计的创意方面，花很少1 1 ，r i h j 住 技术编程上。i p l a y e r 2 是c o l o rk i n e t i c s 公司设计的j h j 来存储并在灯具上同放c o l o r p l a y 景观的、功能强 大、结构紧凑的装置。i p l a y e r 2 具有1 6 m b 闪存，可控制一整套d m x 5 1 2 系统( 1 7 0 个单独灯址) 。i p l a y e r 2 十分通川，且操作简单。i p l a y e r 2 具有两种独立的。：作模式：编程模式和同放模式。编科模式羽l 川放 模式各自独立的上作，可通过指示灯容易地识别其上作模式。该款控制器从外观剑上何机软什界| 面 2 绪论 都很精致，在设计理念上，也极人方便了用户d i y 设计的使用。是一款成功的小型化l e d 屏控制器。 国内的l e d 屏控制器起步较晚，技术相对来说不如欧美国家成熟。以江南大学嵌入式系统研究 室硼f 究开发的基丁以太网的l e d 灯光屏控制系统为例进行简要介绍。智能l e d 幻光系统是基于以 太网的l e d 灯光控制系统，整个控制系统主要由p c 机、以太网络、网络l e d 控制器( n e tl e d c o n t r o l l e r ，n l c ) 、l e d 屏幕等组成。l e d 火屏幕网络控制器原理如图1 2 所示1 6 1 。 a x ll o l 5 图1 - 2l e d 大屏幕网络控制器原理框图 f i g 1 2s c h e m a t i cb l o c ko fl e dl a r g es c r e e nn e tc o t r o l l e r 首先，c p u 通过网络接口接收网络主机发送的画面帧数据。然后，c p u 通过其l o c a l b u s 总线把 数据经由c p l d 存入s r a m 进行码流缓冲。最后，c p l d 以s p i 总线形式把帧数据从s r a m 中取出 发送至l e d 屏幕像素控制芯片。控制器主要包括：嵌入式t o e 网络处理器、可编程逻辑器件、数 j l i ：存储器、e e p r o m 配置电路和s d 膏电路等五部分。其中，网络处理器主要负责接收网络数据， ) f ：将其通过c p l d 存入数据存储器中；数据存储器则用于缓存帧数据；可编程逻辑器什c p l d 负责 接收c p u 发送的数据，对s r a m 进行f i f o 功能控制，并且产生数据发送所需要的各种时序； e e p r o m 中土要存放一些网络处理器的配置参数和h j 户信息等；s d 卡电路用来读取s d 中的视频 文f ，| ：，土要川丁：脱机播放。基于以太网的l e d 灯光屏控制系统实现了l e d 屏控制器的网络化。 1 3 本文主要研究内容与任务 住参与基- t - u s b 的l e d 屏控制器第一阶段研究任务的基础上，本文主要研究内容为：基于u s b 的l e d 屏控制器的功能完善、软件改进与优化。重点为同步方式中u s b 传输方式的改进与软件实 现；同放方式中u s bb u l k o n l y 的解析及软件实现；存储方式中对n a n df l a s h 的f ：a t 文什系统 的优化与设计；系统代码优化与程序l 司化。具体任务包括以f ) d 个部分t ( 1 ) 深入分析l e d 屏控制器的构成及工作原理。深入理解a r m 7 ( l p c 2 1 4 8 ) 的基本架构、 配置、标准电路与软件结构。结合实际的l e d 屏控制器的功能需要做进一步的完善、改进与优化。 ( 2 ) 参与基tu s b 的l e d 屏控制器第一阶段设计工作。包括整体方案分析与设计；相关器件 选择；系统硬件结构设计；功能模块划分及程序结构设计。 ( 3 ) 改进同步方式中u s b 传输方式。将同步方式中u s b 的传输方式由可编程i o 寻址方式改 进为d m a 传输方式；通过l p c 2 1 4 8 自带的d m a 引擎实现u s b 数据传输；同时在数据传输过程中， 对d m a 方式进行中断处理，并软件编程实现。对u s b 传输方式的改进，可完善同步方式中u s b 3 江南人学硕十学位论文 的功能、提高l p c 2 1 4 8 运行效率、提高u s b 读取速度。 ( 4 ) 完善存储方式中u s b 功能。解析u s bb u l k o n l y 协议、配置l e d 屏控制器描述符、响戍 s c s i 指令集相关命令，使l e d 屏控制器在存储方式中被p c 机枚举为一个海量存储类m s c 。使l e d 屏控制器在存储方式中的操作更加方便。 ( 5 ) 实现f a t 文什系统在n a n df l a s h 上的应用与改进。建立f a t l 6 文件系统，可对n a n d f l a s h 进行写入、读出、块擦除操作。针对n a n df l a s h 存储器的特点和通川f a t l 6 文f ，i ：系统的 不足，改进f a t 表以及f d t 表的存储方式、引入块均衡损耗和垃圾同收策略，使f a t1 6 文f ，i ：系统 的可靠性得到提高。 ( 6 ) 优化系统代码，提高系统运行效率：进行程序同化，实现l e d 屏控制器脱机运行。u s b 功能测试。 4 基丁u s b 的l e d 屏控制器的整体方案设计 第二章基于u s b 的l e d 屏控制器的整体方案设计 2 1l e d 屏控制器方案分析 根据h j 户需求，l e d 屏控制器采用u s b 总线接口通信，可对l e d 灯光进行同步、存储、回放三 种控制方式，力求价格低廉、操作简单。基于u s b 的l e d 屏控制器的设计主要有2 种方案：一种是选 川一卜c p u 芯片与u s b 接口专用芯片结合的方式，即双芯片方式；另一种是选片j 自带u s bd e v i c e 接口 的c p u 芯片，即单芯片方式。 舣：笛片方式通过l p c 2 2 1 4 和i s p l 5 8 米实现。l p c 2 2 1 4 是p h i l i p s 公司生产的a r m 7 t d m i s 核芯 片，处理器时钟高达6 0 m 7 5 m h z ，片内集成2 5 6 k b 的高速f l a s h 存储器，1 2 8 位宽度的存储器接口 利独特的加速结构使3 2 位代码能够在最大时钟速率下运行。它一方面具有a r m 处理器的所有优点： 低功耗、高性能：同时义具有非常丰富的片上资源，是一款性价比较高的适合丁嵌入式产晶开发的 a r m 芯片。i s p l5 8 是专为各种便携式高速u s b 虑片j 所设计的低功率高速u s b 接口器件，它不仅符合 u s b 2 0 规格，并支持u s b o t g p b 设功能。在u s b 应用中，具有o n t h e g o ( o t g ) p - 设的对话请求协议 ( s r p s e s s i o n r e q u e s t p r o t o c 0 1 ) 功能，还可以直接连接至i j o t g 双重角色设备上。支持高速( 4 8 0 m b i t s ) 与 伞逑( 12 m b i t s ) 数据传输率。 单芯片方式中的土c p u 选择有c y p r e s s 的c y 7 c 6 8 0 1 3 、a t m e l 的a t 9 l s a m 7 s e 5 1 2 、p h i l i p s 的 l p c 2 1 4 8 以及p h i l i p s 的l p c 2 3 7 8 。主控芯片是整个控制器的核心，应该选择外设接口丰富、扩展容 易、价格低、性能女r 的m c u 米担当。其中，c y p r e s s 的c y 7 c 6 8 0 1 3 需要外接存储器，价格较高，可扩 展性筹；a t m e l 的a t 9 1s a m 7 s e 5 1 2 技术支持差，开发难度人，周期长；而p h i l i p s 的l p c 2 1 4 8 以及 p h i l i p s f l , j l p c 2 3 7 8 作为a r m 7 不同系列的芯片，其结构特点和片上集成的资源都很适合作为l e d 屏 控制器的主c p u ，而且技术支持较好，性价比较高。但考虑到开发成本问题，l p c 2 1 4 8 开发极价格 为4 0 0 元，而l p c 2 3 7 8 开发板为1 0 8 0 元。在不影响l e d 屏控制器功能实现的情况下，最终选择接口丰 南，成本较低的：i ：业级芯片l p c 2 1 4 8 作为单芯片方式的主芯片。 本设计中l e d 屏控制器方案比较如表1 1 所示。 方案 单：卷片方式双：芯片方式 内容 ( l p c 2 1 4 8 )( l p c 2 2 1 4 + i s p l 5 8 ) 开发难度 由 偏人 技术支持好 中 参考资料多少 相关案例有无 制板人小小中 能台实现能能 优点主要功能由单：占1 实现产品资源：卜富 结构简单、节约成本容易升级、改造 缺点单：占片资源仃限需要两块丰要j 薛片 扩展和丌级较难成本较人 费用小较人 5 江南人学硕 一学何沧文 山表l - l 可以看；，经过从开发难度、技术支持、参考资料、相关窠倒、制板人小、出现陀、优 缺点以及所需赞j i 上的练台分析，单芯片方式优干烈芯片方式。综l 所述，水殴 | 采j ij l p c 2 1 4 8 n 为l e d 屏控制器的主c p u 。 2 2l e d 屏控制器硬件设计 2 11 系统组成 摹j u s b j l e d 屏控制系统主监i l l 3 个部分 r 成：伉机、l e d t 光控制器_ l l e d 光j i _ 。l 吲 构如酬2 一l 所示。 l e d 灯光显示屏 黑 _蕾薹薹薹童| | | | | 目2 - 1 拉“$ 镕自 f i i2 一is tr u u ro ri h ec o i l tr o is y s t e m ( 1 ) 上位机 该灯光控制系统的上伸机装有l i g h ts t u d i o 应用软f i ，色为l e d 灯光景观墁计提供了一套“l 的设计方法自l j 二作平台。u 曲ts t u d i o 建立在w i n d o w s 平台上可b 流行的较忭a u t q c a d 、f l a s i i 等拂同r 作，其中还嵌入了f l a s h 动画$ 1 1m e d i ap l a y e r 媒体捕放软1 1 ，川户可以白己设计h 集娈化 的方案，在l i g h t s t u d i o 中直接捕放，井可以利 h 其白带的转换l 一具，把捕放的幽案转换成棚麻r o b 格式的l e d 灯光控制数据”1 。酗2 2 是l i g h ts t u d i o 软竹f 作的土界面，界面的以上角足推坡竹 f l a s h 动画主界面点阵l 的幽形就是川它白身的t 具转换以后拄实际煳具上的模拟演示l 割型1 点阵上的每一个点就代表实际l e d 屏上的一个灯具。 ( 2 ) l e d 屏控制器 l e d 屏拧制器根据上竹机送来的l e d 灯光控制数据，可产生路或多路同步l e d 灿光控制线， 每一路同步控制线能控制5 1 2 个内嵌s d m x 5 1 2 4 芯片的l e d 景观刘。可实现同步方式、存储 式、 亓| 放方式三种控制方式。通过拨码开关对二种控制方式进行选择，选用e e p r o m 作为参数俘储器， 保存j ； j 户设置的参数。选h jn a n df l a s h 作为数据存储器，存储州户的l e d 甜光显下立仆( s d p 作为备h j 的数据存储器) 。c p u 控制c p l d 将显示文件数据转换成曼彻斯特编码，井通过光舶将 数据发送剑l e d 屏上。 ( 3 ) l e d 灯光屏 l e d 灯光屏中的每个像素点都由一颗s d m x s l 2 4 芯片采控制。s d m x 5 1 2 4 是一颢高集成度 低功耗的l e d 照明灯具控制芯片。它采用了独创的同步d m x 5 1 2 单线l e d 照明控制机制，使l e d 灯具的级联控制变得灵活和简单。s d m x 5 1 2 4 内部由通信控制模块和三路数字p w ml e d 调光控制 两部分组成。以s d m x 5 1 2 4 为基础的全彩l e d 灯具组成级联控制方式，灯具问的控制线为单根线， 基丁u s b 的l e d 屏控制器的整体方案设计 不需要设置地址，每个芯片的控制数据为1 2 位，控制r g b 三种颜色。每一种颜色为4 位控制数据， 1 6 级灰度等级。s d m x 5 1 2 4 采川级联控制方式，一根控制线上的s d m x 51 2 4 的r g b 二个p w m 通 道的色彩通过一个数据帧同时刷新捧j 。 2 1 2 器件选择 ( 1 ) 土控芯片 l p c 2 1 4 8 是一款基于实时仿真和嵌入式跟踪的3 2 1 6 位a r m 7 t d m i sc p u 的微控制器，并带 有3 2 k bs r a m 和5 1 2 k b 嵌入的高速f l a s h 存储器。1 2 8 位宽度的存储器接口和独特的加速结构使 3 2 何代码能够在最人时钟速率卜运行。l p c 2 1 4 8 具有较小的封装和很低的功耗，并内置了标准的通 信接口( 从u s b 2 0d e v i c e ( 全速) 、多个u a r t 、s p i 、s s p 和1 2 c 总线接口) ，还含有多个3 2 位定 时器、2 个1 0 位a d c 、1 0 位d a c 、p w m 通道、4 5 个高速g p i o 口以及多达9 个边沿或电平触发 的外部t l ，断管脚，使它们特别适用丁小型虑j j ，通信网关、协议转换器和工业控制等系统中一j 。 ( 2 ) c p l d 器件 c p l d 采川a l t e r a 公司的主流c p l 口一m a x3 0 0 0 a 系列的e p m 3 0 6 4 a 。它的结构中包括4 个 逻辑阵列块( l a b ) 、6 4 个宏单元( m i c r o c e l l ) 、扩展乘积项( 共享和并联) 、可编程互联线和i o 控 制块儿个部分。此外有一个全局时钟输入、一个输出使能输入、一个全局时钟和输出使能复h j 的输 入、一个全局清零信号。e p m 3 0 6 4 a 可用门数达1 2 5 0 ，有6 6 个朋户i o 。 m a x3 0 0 0 a 器什的内核电压为3 3 v ，i o 电压可以为5 0 v 、3 3 v 和2 5 v 兼容，其i o 是兼容 p c i 总线标准的，可以支持可编程的翻转斜率和漏极开路输出【1 0 】。e p m 3 0 6 4 a 在控制器中需要实现 的功能足：负责把接收的数据进行码流缓冲，进行f i f o 功能控制，产生m a n c h e s t e rc o d e 并发送 数据拿l e d 灯具。本设计中c p l d 采州2 4 5 7 6 m h z 的晶振，以便分频得到标准的通信输出速率。 ( 3 ) 存储器件 n a n df l a s h n a n df l a s h 是t o s h i b a 公司在1 9 8 9 年提出的。其特点在丁它能提供极高的单元密度，可以 进行高密度存储，并且写入和擦除的速度非常快。以其技术成熟、使用方便、供货充足、性价比高， 等优势在许多场合成为存储人容量数据的首选，由于其存储密度高，n o rf l a s h 相比，单位容量 的n a n df l a s h 要便宜很多，所以，n a n df l a s h 也被称为d a t af l a s h 。经常作为数码设备的 数据存储介质，如各种移动存储卡、数据存储卡和固态盘式储存介质等。 本没计中选用三星公司的k 9 f i g 0 8 u o b ，该芯片性能稳定，市场占有量高，价格便宜。其供电 电j i i j , j3 3 v ，可以和l p c 2 1 4 8 的引脚直接连接。所有指令、地址和数据都通过8 位数据线接口传输。 容量人小为( 1 2 8 m + 4 m ) x 8 b i t ，页面人小为( 2 k - i - 6 4 ) x 8 b i t 。按页读写，按块( 每块6 4 页) 擦 除。每块的容量人小为( 1 2 8 k + 4 k ) ，共有1 0 2 4 块。最小读操作时间为2 5 n s 字节，写操作时间为2 0 0 p s 页，块擦除时间为1 5 m s 块。块擦除次数超过l o 万次，数据保存时间1 0 年j 。 s d 卡 s d ( s e c u r ed i g i t a lf l a s hc a r d ) 是一种基于半导体快闪记忆器的新一代记忆设备。由日本松下、 尔芝及美国s a n d i s k 公司于1 9 9 9 年8 月共同开发研制。大小犹如一张邮票的s d 记忆卡，重量只有 2 兜，但却拥有高记忆容量、快速数据传输率、极人的移动灵活性以及很好的安全性。在本设计中 的数据存储器选j i jn a n df l a s h ，s d 卡作为备选数据存储器。 ( 4 ) 其它器件 选川具有e e p r o m 和复位功能的c a t l 0 2 5 j 1 3 0 作为参数存储器芯片，c a t l 0 2 5 是基于微控制 器系统的存储器和电源监控的完全解决方案。它利h 低功耗c m o s 技术将2 k 位的串行e e p r o m 和 川丁掉电保护的系统电源监控电路集成在一块芯片内。存储器采用4 0 0 k h z 的1 2 c 总线接口。 c a t l 0 2 4 5 片内2 k 位的串行e e p r o m 构成1 6 字节的页，足够用户参数设置使用。 7 江南人学硕十学位论文 选用s i p e x 的s p 3 2 3 2 e 作为r s 2 3 2 接口芯片。 考虑控制器对电源精度的要求和电压等级的需求选用a m c 2 5 7 6 5 和s p x l l l 7 m 3 3 3 作为电源 芯片，来实现高精度和5 v 、3 3 v 双电压的要求。 选川光耦6 n 3 1 7 作为接口芯片，以便与公司以往的接口兼容。 2 1 3 硬件结构 根据系统的总体设计和器什的选择，基- f u s b 的l e d 控制器的硬件结构如图2 。2 所示。 图2 - 2l e d 控制器的硬件原理结构 f i g 2 - 2h a r d w a r es t r u c t u r eo fl e dc o n t _ t 0 1l e r 其中，电源提供整个控制器的能量来源；拨码开关用丁灯光控制的相关参数设置和i ：作方式的 选择：u s b 2 0 接口是l e d 屏控制器与p c 机交换数据的主要通道：e e p r o m 作为参数存储器，h j 于保存用户设置的参数；n a n df l a s h 作为数据存储器，存储用户的l e d 灯光显示文1 ，l ：信息：s d 卡作为备h j 的数据存储器：m c u 负责协调管理整个控制器的功能、驱动外闱的接口( 包括参数存储 器和数据存储器接口) 、与c p l d 通信等；c p l d 负责曼彻斯特编码数据的产生和时钟的同步等功能， 并通过光耦将数据发送到l e d 屏上。 2 3l e d 屏控制器软件设计 2 3 1 程序结构 l e d 屏控制器软什实现采用了模块化设计的方法，简化了软件设计，缩短了开发周 j ，便j ：软 件的维护和升级。 主控系统软件主要分为两人模块：初始化程序和主控程序。初始化程序在系统上电或复f 移时刀： 始执行，系统初始化完成以后便开始主控程序的执行。土控程序就是系统三种i ：作方式的软什实脱： 回放方式、存储方式及同步方式。l e d 屏控制器的主程序流程如图2 - 3 所示。 8 基于u s b 的l e d 屏控制器的整体方案设计 图2 - 3 主控程序流程 f i g 2 - 3f l o w c h a r to fi l i a i n s o f t w a r e 主控科序开始斤，首先要对l e d 屏控制器进行初始化设置。初始化包括各个模式的堆栈、设置 r e m a p 、设置系统的各部分时钟、设置存储器加速模块和向量中断