毕业设计（论文）-基于USB的LED点阵显示牌.doc

武武 汉汉 科科 技技 学学 院院 毕毕业业设设计计论论文文 论文题目 论文题目 基于基于 USB 的的 LED 点阵显示牌点阵显示牌 院院 系系 电子信息工程学院电子信息工程学院 专专 业业 班班 级级 学学 生生 姓姓 名名 指指 导导 教教 师师 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果 除了文中特别加以标注引用的内容外 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写 的成果作品 本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担 作者签名 曾 呈 呈 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保障 使用学位论文的规定 同意学校保留并向有 关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被查阅和借阅 本人授 权省级优秀学士学位论文评选机构将本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和汇编本学位论文 本学位论文属于 1 保密 在 年解密后适用本授权书 2 不保密 请在以上相应方框内打 作者签名 年 月 日 导师签名 年 月 日 武汉科技学院武汉科技学院 毕业设计 论文 任务书毕业设计 论文 任务书 课题名称 课题名称 基于基于 USB 的的 LED 点阵显示牌点阵显示牌 完成期限 完成期限 年年 月月 日日 至至 年年 月月 日日 院系名称院系名称 电子信息工程学院电子信息工程学院 指指导导教教 师师 专业班级专业班级 电电 信信 班班 指导教师职称指导教师职称 讲讲 师师 学生姓名学生姓名 院系毕业设计 论文 工作领导小组组长签字院系毕业设计 论文 工作领导小组组长签字 一 课题训练内容一 课题训练内容 1 培养学生收集资料 文献检索的能力 发现问题的能力 2 培养学生工程开发的能力 制定工作计划和协调组织的能力 3 培养学生综合运用所学专业知识 理论 解决实际工程问题的能力 4 培养学生原理设计 实验分析或理论推导的能力 5 培养学生撰写文档的能力 6 培养学生阅读英语文献的能力和翻译的能力 7 培养学生学习能力及动手能力 8 培养学生与人合作 相互交流的能力 二 设计 论文 任务和要求 包括说明书 论文 译二 设计 论文 任务和要求 包括说明书 论文 译 文 计算程序 图纸 作品等数量和质量等具体要求 文 计算程序 图纸 作品等数量和质量等具体要求 主要功能 1 能够在 PC 机将用户输入的汉字生成汉字的点阵字模并通过 USB 传输到 下位机 3 能够在下位机系统接收到上位机传送的汉字点阵字模文件 并将其显示到 LED 点阵上 3 能够在下位机实现控制汉字在 LED 点阵上的显示效果 如汉字的静态显 示 动态显示等 4 能够完成锂电池充电 并由锂电池给系统供电 设计内容 1 根据设计要求 LED 显示方案并进行方案论证 2 利用 VC 编程 完成上位机要实现的功能 3 对下位机系统进行软件设计 使之可以将上位机的汉字点阵字模存放 在单片机片内 Flash 中 并实现汉字在 LED 点阵上的显示 4 对下位机系统进行硬件设计 使之完成锂电池充电 LED 点阵驱动 5 撰写毕业设计正文 写出系统的设计结构 并提出改进思想 应完成的设计资料 1 开题报告 2 中英文摘要 3 毕业设计正文 4 外文资料及相应的中文翻译 5 参考文献 三 毕业设计 论文 主要参数及主要参考资料三 毕业设计 论文 主要参数及主要参考资料 1 系统参数 1 单片机及锂电充电芯片 C8051F320 LTC3555 2 汉字显示个数 4 6 个 可静态或动态显示 3 锂电池充电达到的电压最大值 4 2V 4 实现汉字字模提取 2 主要参考资料 1 关积珍 LED 显示屏发展状况及趋势 J 世界产品与技术 2002 2 21 22 2 尤勇 具有 USB 电源管理器的锂离子电池充电器 D 西安 西安电子科技 大学 2007 3 黄维柱 通用串行总线 USB J 计算机应用研究 2001 46 48 4 刘高霞 LED 脱机屏上位机软件的设计与实现 D 长春 中国科学院长春 光学精密机械与物理研究所 2006 5 刘益成 USB 接口技术 J 石油仪器 2002 16 5 56 59 6 邵高平 通用串行总线 USB 及其开发方法 J 微计算机信息 1999 15 3 10 11 7 周立功 USB2 0 与 OTG 规范及开发指南 M 北京 北京航空航天大学出 版社 2004 8 邵高平 通用串行总线 USB 及其开发方法 J 微计算机信息 1999 15 3 10 11 9 史波 田凯 通用串行总线 USB 技术概述 J 信息技术 2001 4 35 36 10 惠玥琳 基于单片机的 USB 主从机的设计与实现 D 成都 电子科技 大学 2007 四 毕业设计 论文 进度表四 毕业设计 论文 进度表 武汉科技学院毕业设计 论文 进度表武汉科技学院毕业设计 论文 进度表 序 号 起止日期计划完成内容实际完成情况 检查人签名 检查日期 12 25 3 6 确定所要用的单片机芯 片和锂电池充电芯片 熟悉 USB 协议及系统 框架 23 7 4 25 完成硬件电路原理图设 计及制板 包括单片机 最小系统 锂电池充电 电路 电源电路 LED 点阵驱动电路 34 26 5 8熟悉 USB 设备开发 45 9 5 15 完成下位机 USB 设备 开发 55 16 5 19完成锂电池充电 65 20 5 24 完成汉字在 LED 点阵 上的静态显示 动态显 示 75 24 5 31撰写 修改 定稿论文 86 1 6 4准备答辩 注 1 本任务书一式两份 一份院 系 留存 一份发给学生 任务完成后附在说明书内 2 实际完成情况 和 检查人签名 由教师用笔填写 其余各项均要求打印 打印 字体和字号按照 武汉科技学院毕业设计 论文 规范 执行 武汉科技学院毕业设计 论文 开题报告武汉科技学院毕业设计 论文 开题报告 课题名称基于 USB 的 LED 点阵显示牌 院系名称电子信息工程学院专 业电子信息工程 班 级学生姓名 一一 课题的提出及意义课题的提出及意义 LED 点阵显示牌是由LED点阵组成的显示信息的产品 它采用低电压扫描 驱动 具有耗电少 使用寿命长 成本低 亮度高 视角大 可视距离远等许 多优点 其显示的内容由PC 机传送过来 可以是图形文件和文本文件并以多种 模式显示之 具有技术的先进性和系统的可靠性及性能价格优等特点 因而广 泛应用于证券 交通 医院 银行等公共场合 1 现代生活对LED 点阵显示牌的要求日益提高 除了性能好以外 还要求 LED点阵显示牌能有其它特点 如使用方便 经济合理 安全可靠 掉电显示 等 目前常用的 LED 点阵显示牌输入信息固定 一般都是利用取模软件生成点 阵字模在点阵上显示 不便于更新信息 普遍存在掉电后不能工作的缺陷 现在的UART 串行口虽然支持外插 但不能给外设供电 其速度太慢 远 不能适用现今高速设备的发展需求 USB 通用串行总线 的普及使其成为在各类便携式设备中进行数据传输 的一种较好的选择 因此 可以应用USB总线设计LED点阵显示牌并同时对其供 电 但USB总线电源断开时 系统便不能工作 若用锂电池自动切换供电 则 可以解决以上的缺陷 2 基于此 本文提出了基于 USB 的 LED 点阵显示牌 它具有传输速度快 更新信息方便 设备安装和配置容易 易于扩展 能够采用总线供电 使用灵 活等主要优点 外接的锂电池可迅速充电 提供工作电源 便于携带 基本上 完善了普通 LED 点阵显示牌的功能 具有良好的应用前景和很高的实用价值 本课题介绍的LED 点阵显示牌可应用于会议展牌 学生牌 电影院展示牌 广告显示牌 首先在上位机编辑汉字并通过USB 适时发送汉字的点阵字模 然 后由单片机控制汉字的静态与动态显示 该显示牌可实现多个汉字的显示 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 锂电池充电芯片采用凌力尔特公司新推出的多功能电源管理器件 LTC3555 二二 USB 的发展现状及特点的发展现状及特点 USB是Universal Serial Bus 通用串行总线 也译为万能总线 的简称 作为 一种新的外设连接技术最初是1995年由 Compaq Digital IBM Intel Microsoft NEC以及Northern Telecom七家公司 共同开发的 是为了解决传统总线的不足而推广的一种新型串行通讯标准 这 一技术将最终解决对串行设备和并行设备如何与计算机相连的争论 从而大大 地简化计算机与外设的连接过程 为用户提供一种可共享的 可扩充的使用方 便的串行总线 3 USB 标准可以针对不同的价格性能比要求 提供不同的选择 针对相同的 系统和部件提供不同的功能 可以说 USB 是外设发展的必然趋势 其特性在于 以下几点 1 速度快 2 易扩展 3 支持热插拔和即插即用 4 USB 提供 总线供电和自供电两种供电形式 5 使用灵活 6 支持多个外设同时工作 7 成本低 8 有很高的容错性能 总之 USB 是一种方便 灵活 简单 高速的总线结构 三三 LEDLED 点阵显示牌简述点阵显示牌简述 随着通信技术的迅猛发展 以嵌入式计算机为核心的LED 点阵显示牌已经 在LED 点阵显示领域中占到了统治地位 在生活工作中 可用来及时的传播信 息和电视 尤其用来播放广告 产品介绍等更有良好的经济效益和社会效益 现在常用的LED 点阵显示牌有两种 脱机型与联机型 脱机型移动方便 适宜作广告 宣传牌 显示牌 但信息修改更新不便 联机型信息修改方便 时效性强 适用于要求快速发布信息的场合 4 本课题研究的LED 点阵显示牌利用一台微机作为上位机 可实时地将上位 机上用户输入的汉字生成汉字的点阵字模 并通过USB传输给单片机 存储在 单片机片内Flash 然后由单片机控制汉字在16 块LED 点阵上的显示 下位机 外带的锂电池支持断电显示 故基于USB 的LED 点阵显示牌具有很大的应用 前景 四四 课题研究内容课题研究内容 该系统综合了电路设计 微机控制技术 通信技术及相应的软件技术等 所研究的内容包括 1 服务于单片机控制系统的 USB 驱动程序的开发 2 PC 上用户界面的开发 包括在 PC 机上用 VC 实现汉字字模的提取和汉字库的生成 以及字库文件的传输 3 基于 USB 总线的单片机系统的固件的开发 4 单片 机控制汉字在 LED 点阵上的显示 5 单片机最小系统的实现 6 LED 点阵的 驱动电路及锂电池的充电电路 5 6 7 五五 课题实现方案课题实现方案 本文介绍的 LED 点阵显示牌包括微控制器 USB 通信接口 LED 点阵以 及点阵驱动电路 为了支持掉电显示 还加上锂电池 本设计选用 Cygnal 公司 内置 USB 接口的高性能微控制器芯片 C8051F320 选用凌力尔特公司的 LTC3555 作为锂电池充电芯片 这样简化了硬件部分的设计 1 系统硬件原理框图系统硬件原理框图 JTAG 口 单片机 MCU USB 接口 PC 机 总 线 驱 动 器 行驱动电路 LED 点阵 列驱动电路 LTC 3555 开关切换 锂电池 VBUS 2 硬件电路设计 硬件电路设计 1 电源电路的设计电源电路的设计 电源方面采用了两种供电方式 一是在 USB 总线连接到 PC 机上时 由总线 电源 VBUS给系统供电 二是当系统脱离主机时 由锂电池供电 2 锂电池充电电路的设计锂电池充电电路的设计 LED 点阵显示系 统 锂电池充电由 LTC3555 完成 LTC3555 是一个能够快速实现锂电池充电的 电源管理芯片 LTC3555 的引脚端 BAT 可以接锂电池 当配置好 LTC3555 后 将锂电池插上 即可完成锂电池的充电 3 LED 点阵显示电路点阵显示电路的设计的设计 LED 点阵显示电路包括行驱动电路的设计和列驱动电路的设计 由于本 LED 点阵为 16 行 64 列的点阵 采用 74HC595 则需要 10 片 由 2 片 74HC595 组成 16 行的驱动 由 8 片 74HC595 组成 64 列的驱动 考虑到一行上 64 列同时显示的情况 按每一个发光二极管 10mA 电流计算 则总电流为 640mA 为了提高驱动能力 在每一行上加一个三极管 8050 8 3 软件设计 软件设计 1 驱动程序的驱动程序的设计设计 Windows 系统为 USB 驱动程序的设计提供了良好的支持 系统提供了对 USB 的直接支持 即 USBD USB 系统驱动程序 在 USBD 提供给用户的接 口 USBDI 的支持下 编写驱动程序就大为方便了 用户只需通过构建满足 USBD 要求的 URB USB 请求块 并将其提供 USBDI 发送下去 就可实现对 USB 设备的控制 2 主机应用程序的主机应用程序的设计设计 主机应用程序中需要实现两个功能 一是提供汉字编辑界面 二是与下位 机进行 USB 传输 使用 Visual C 作为开发工具 Visual C 的 MFC 提供的 CFile 类和 CString 类有较强的文件和字符串处理能力 这使得汉字点阵字模和 汉字库文件的生成比较容易实现 与下位机进行 USB 传输主要采用 VC 自带 的控件实现 9 10 3 固件程序的固件程序的设计设计 C8051F320 的固件程序设计主要完成三个基本功能 USB 数据传输功能 Flash 读写和 LED 点阵显示功能 整个系统设计成完全的中断驱动程序 主要包 括 USB 中断子程序 11 12 六六 课题研究任务及达到的指标课题研究任务及达到的指标 本设计所完成的工作包括 单片机控制系统的硬件设计 LED 点阵显示系 统的硬件设计 锂电池充电 供电的设计 单片机显示汉字的软件设计 基于 USB 接口的单片机控制系统的固件设计 PC 机中 USB 驱动程序的开发设计 上位 PC 机的软件设计 包括汉字字模的提取和汉字库的生成 本课题实现的系统具有以下优点 采用可即插即用的 USB 接口 上位机实 现汉字字模的提取及生成汉字库 PC 机与单片机的通讯 外带锂电池支持掉电 显示且实现了锂电池充电 七七 参考书目参考书目 1 关积珍 LED 显示屏发展状况及趋势 J 世界产品与技术 2002 2 21 22 2 尤勇 具有 USB 电源管理器的锂离子电池充电器 D 西安 西安电子科技大学 2007 3 黄维柱 通用串行总线 USB J 计算机应用研究 2001 46 48 4 刘高霞 LED 脱机屏上位机软件的设计与实现 D 长春 中国科学院长春光学 精密机械与物理研究所 2006 5 刘益成 USB 接口技术 J 石油仪器 2002 16 5 56 59 6 邵高平 通用串行总线 USB 及其开发方法 J 微计算机信息 1999 15 3 10 11 7 周立功 USB2 0 与 OTG 规范及开发指南 M 北京 北京航空航天大学出版社 2004 8 邵高平 通用串行总线 USB 及其开发方法 J 微计算机信息 1999 15 3 10 11 9 史波 田凯 通用串行总线 USB 技术概述 J 信息技术 2001 4 35 36 10 惠玥琳 基于单片机的 USB 主从机的设计与实现 D 成都 电子科技大学 2007 11 肖踞雄 翁铁成 宋中庆 USB 技术及应用设计 M 北京 清华大学出版社 2003 12 边海龙 贾少华 USB 2 0 设备的设计与开发 M 北京 北京人民邮电出版社 2004 指导教师签名 年 月 日 摘 要 本论文首先论述了USB规范的核心内容 然后介绍了LED点阵显示牌的设 计 LED点阵显示牌的设计包括硬件设计 驱动程序开发 主机应用程序开发 和固件程序开发四大部分 在硬件设计部分 首先介绍了设计中所用的 C8051F320 LTC3555芯片的性能和特点 然后给出了具体硬件设计方案 驱 动程序开发部分论述了驱动程序开发工具的选择的原则 介绍了驱动程序的结 构和驱动程序的开发过程 主机应用程序主要是提供一个友好的人机界面 用 户输入汉字 生成汉字库并传输给单片机 固件程序开发部分是设计中的重点 论文先从总体上介绍了程序的设计思想及其层次结构 随后详细介绍了各层次 程序的设计过程 并给出了部分源代码和程序流程图 本论文基本上实现了汉字在LED点阵上的显示 使用USB总线传输数据 且由锂电池供电 为LED点阵显示牌的设计提供了新的实现方案 关键字 关键字 USB 协议 固件 驱动程序 LED 点阵 LTC3555 ABSTRACT The paper firstly deals with the core content of Universal Serial Bus in detail and then discusses the design of LED dox matrix s display board which includes four segments hardware design device driver host application program design and firmware design In hardware design segment the performance of C8051F320 LTC3555 firstly is described then the hardware designs scheme is given in detail In device driver segment the principle of choosing driver develop tools is explained at last the structure and writing steps of device driver are discussed Host application program mainly provides a friendly user interface to edit the Chinese character create Chinese character library and transfer the data to MCU The most important project is the firmware writing The paper shows the idea of firmware program design and the hierarchy and then introduces the program design in detail and gives some code The paper has basically realized that Chinese characters display on LED dox matrix Using USB bus to transfer data and using Li ion for power blazed a way in the design of LED dox matrix s display board Keywords USB Protocol Firmware Device Driver LED dox matrix LTC3555 武汉科技学院 2008 届毕业设计论文 I 目 录 1 绪论 1 1 1 课题的提出及意义 1 1 2 USB 的发展状况 2 1 2 1 USB 的发展现状 2 1 2 2 USB 的优点 3 1 3 LED 点阵显示牌简述 4 1 4 方案论证 4 2 USB 系统简介 5 2 1 USB 系统组成 5 2 2 总线拓扑结构 7 2 3 物理接口 8 3 USB 协议简介 8 3 1 USB 数据流模型 8 3 1 1 端点 9 3 1 2 管道 9 3 1 3 包 10 3 1 4 事务 11 3 2 数据传输模型 13 3 2 1 控制传输 Control Transfer 13 武汉科技学院 2008 届毕业设计论文 II 3 2 2 批量传输 Bulk Transfer 14 3 2 3 中断传输 Interrupt Transfer 14 3 2 3 同步传输 Synchronous Transfer 15 3 3 USB 设备总线枚举 16 3 3 1 设备暂态 16 3 3 2 USB 设备的总线枚举 17 3 3 3 标准 USB 描述符 18 4 系统硬件设计 18 4 1 主要芯片介绍 20 4 1 1 C8051F320 简介 20 4 1 2 LTC3555 简介 23 4 2 硬件设计电路 27 4 2 1 电源电路 27 4 2 2 锂电池充电电路 27 4 2 3 LED 点阵显示电路 28 5 系统软件设计 30 5 1 系统初始化的设计与实现 30 5 2 驱动程序的开发 31 5 3 主机应用程序的开发 33 5 4 固件程序的设计 34 5 4 1 程序设计总体考虑 34 武汉科技学院 2008 届毕业设计论文 III 5 4 2 主程序设计 35 5 4 3 USB 中断服务程序设计 37 5 4 4 FLASH 读写程序设计 38 5 4 5 LED 点阵显示程序设计 41 6 结论与展望 45 6 1 总结 45 6 2 展望 46 参考文献 47 附 录 49 外文资料 50 中文翻译 55 致 谢 60 武汉科技学院 2008 届毕业设计论文 1 1 绪论 1 1 课题的提出及意义 LED 点阵显示牌是由LED点阵组成的显示信息的产品 它采用低电压扫描 驱动 具有耗电少 使用寿命长 成本低 亮度高 视角大 可视距离远等许 多优点 其显示的内容由PC 机传送过来 可以是图形文件和文本文件并以多 种模式显示之 具有技术的先进性和系统的可靠性 因而广泛应用于证券 交 通 医院 银行等公共场合 1 现代生活对LED 点阵显示牌的要求日益提高 除了性能好以外 还要求 LED点阵显示牌能有其它特点 如使用方便 经济合理 安全可靠 掉电显示 等 目前常用的 LED 点阵显示牌输入信息固定 一般都是利用取模软件生成点 阵字模在点阵上显示 不便于更新信息 普遍存在掉电后不能工作的缺陷 现在的UART 串行口虽然支持外插 但不能给外设供电 其速度太慢 远 不能适用现今高速设备的发展需求 USB 通用串行总线 的普及使其成为在各类便携式设备中进行数据传输 的一种较好的选择 因此 可以应用USB总线设计LED点阵显示牌并同时对其 供电 但USB总线电源断开时 系统便不能工作 若用锂电池自动切换供电 则可以解决以上的缺陷 2 基于此 本文提出了基于 USB 的 LED 点阵显示牌 它具有传输速度快 更新信息方便 设备安装和配置容易 易于扩展 能够采用总线供电 使用灵 活等优点 外接的锂电池可迅速充电 提供工作电源 便于携带 基本上完善 了 LED 点阵显示牌的功能 具有良好的应用前景和很高的实用价值 本课题介绍的LED点阵显示牌可应用于会议展牌 学生牌 电影院展示牌 广告显示牌 首先在上位机编辑汉字并通过USB适时发送汉字的点阵字模 然 后由单片机控制汉字的静态与动态显示 该显示牌可实现多个汉字的显示 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 锂电池充电芯片采用凌力尔特公司新推出的多功能电源管理器件 武汉科技学院 2008 届毕业设计论文 2 LTC3555 1 2 USB 的发展状况 1 2 1 USB 的发展现状 USB Universal Serial Bus 即通用串行总线 在传统的计算机组织结构基础 上引入了网络的某些技术 可以说是计算机外设连接技术的重大变革 1995年 由Compaq Digital Equipment IBM Intel Microsoft NEC 和 Northern Telecom七个在计算机与通信工业领先的公司组成联盟 并建立USB IF USB 实施者论坛 来推进采用USB 标准的兼容设备的开发 它最初是为将 电话接入PC 机而设计的 然而由于这种新的连接标准性能优良 USB IF 决 定将USB 推广为一种计算机标准 在1996年 USB IF公布了USB 规范1 0 这是第一个为USB 产品提出设 计要求的标准 1998年 在进一步对以前版本的标准进行阐述和扩充的基础上 发布了USB 标准1 1 而此时联盟仅剩四个核心公司 它们是 Compaq Intel Microsoft 和NEC 由于USB 的方向偏离了通信 IBM 和 Northern Telecom退出了该联盟 USB2 0 发布于1999 由于USB2 0 的发布 Hewlett Packard Philips 和 Lucent 三个公司加入了联盟 从而使联盟的核心成员数重新恢复为七个 之后 USB一直持续不断地增长 USB2 0 向下兼容USB1 1 还支持宽带宽数字摄像 设备及下一代扫描仪 打印机及存储设备 在1998年8月 Apple公司推出了仅有USB 端口的iMAC 曾引起整个业界 的轰动 并使该公司的股票价格高涨 今天的USB IF 已经拥有600多个成员公司 几乎包括所有世界上的PC 和外设制造商 在美国 100 的PC 机与膝上型电脑配备有Windows 98支持的 USB 接口 尽管该操作系统不具备所有外设的驱动程序 用户却并不太在意这 一点 因为USB 仍可提供仅需一个步骤的简易安装 过去两年内 其它的操作 系统 像MacOS 和开放式UNIX 也已经加入了USB之中 USB 由于速度快 通用性好 扩展性强 功耗 稳定 易开发等众多优 武汉科技学院 2008 届毕业设计论文 3 点 正逐步取代传统的接口总线而应用与计算机的各种外设中 特别是2000年 第一季推出USB 2 0 标准后 USB 接口的应用将会更加广泛 1 2 2 USB 的优点 USB 标准可以针对不同的价格性能比要求 提供不同的选择 针对相同的 系统和部件提供不同的功能 可以说 USB 是外设发展的必然趋势 其特性在于 以下几点 1 速度快 USB 有全速和低速两种模式 主模式为全速模式 速率为 12Mb s 从而 使一些要求高速数据的外设 如高速硬盘 摄像头等 都能统一到同一个总线 框架下 另外为了适应一些不需要很大吞吐量 但有很高实时性要求的设备 如鼠标 键盘 游戏杆等 USB 还提供低速方式 速率为 1 5Mb s 不管是全速 还是低速模式 速度都比 RS232 接口快得多 2 易扩展 USB 采用的是一种易于扩展的树状结构 通过使用 USB Hub 扩展 可连 接多达 127 个外设 标准 USB 的电缆长度为 3 米 5 米 低速 通过 Hub 或 中继器可以使外设距离达到 30 米 3 支持热插拔和即插即用 在 USB 系统中 所有的 USB 设备可以随时接入和拔离系统 USB 主机能 够动态地识别设备的状态 并自动给接入的设备分配地址和配置参数 这样一 来 安装 USB 设备不必再打开机箱 加 减己安装过的设备完全不用关闭计算 机 也不必像过去那样 需要手动跳线或拨码开关来设置新的外设 4 USB 提供总线供电和自供电两种供电形式 当采用总线供电时 不需要额外的电源 USB 主机和 USB Hub 有电源管 理系统 对系统的电源进行管理 5 使用灵活 USB 共有 4 种传输模式 控制传输 Control 同步传输 Synchronization 中断传输 Interrupt 批量传输 Bulk 以适应不同设备 的需要 武汉科技学院 2008 届毕业设计论文 4 6 支持多个外设同时工作 在主机和外设之间可以同时传输多个数据和信息流 7 成本低 USB 设备一般都比同类功能的设备成本低 8 有很高的容错性能 它具有事务处理错误检测机制 能够对有缺陷的设备进行认定 对错误的 数据进行恢复或报告 总之 USB 是一种方便 灵活 简单 高速的总线结构 3 1 3 LED 点阵显示牌简述 随着通信技术的迅猛发展 以嵌入式计算机为核心的LED 点阵显示牌已经 在LED 点阵显示领域中占到了统治地位 在生活工作中 可用来及时的传播信 息和电视 尤其用来播放广告 产品介绍等更有良好的经济效益和社会效益 现在常用的LED 点阵显示牌有两种 脱机型与联机型 脱机型移动方便 适宜作广告 宣传牌 显示牌 但信息修改更新不便 联机型信息修改方便 时效性强 适用于要求快速发布信息的场合 4 本课题研究的LED 点阵显示牌利用一台微机作为上位机 可实时地将上位 机上用户输入的汉字生成汉字的点阵字模 并通过USB传输给单片机 存储在 单片机片内FLASH 然后由单片机控制汉字在16 块LED 点阵上的显示 下 位机 外带的锂电池支持掉电显示 集合了以上两种的优点 故基于USB 的 LED 点阵显示牌具有很大的应用前景 1 4 方案论证 在进行一个USB 设备开发之前 首先要根据具体使用要求选择合适的 USB控制器 目前 市场上供应的USB 控制器主要有两种 带USB接口的单片 机 MCU 或纯粹的USB 接口芯片 带USB 接口的单片机在应用上又可以分成两类 一类是从底层设计专用于 USB 控制的单片机 比如Cypress公司的CY7C630 低速 CY64X13 全速 但由于价格 开发工具以及单片机性能有限等问题 所以一般不选用 另一类 武汉科技学院 2008 届毕业设计论文 5 是增加了USB接口的普通单片机 例如Intel公司的8X931 基于8051 8X930 基于高速 增强的8051 Cypress公司的EZ USB 基于8051 Cygnal 公司的C8051F32X 基于高速 增强的8051 选择这类USB控制器的最大好处在 于开发者对系统结构和指令集比较熟悉 开发工具简单 纯粹的USB 接口芯片仅处理USB 通信 必须有一个外部微处理器来进行 协议处理和数据交换 典型产品有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 主要特点是价格便宜 接口方便 可靠性高 尤其适合于产品的改型设计 硬 件上仅需对并行总线和中断进行改动 软件则需要增加微处理器的USB中断处 理和数据交换程序 PC机的USB接口通信程序 无需对原有产品系统结构作很 大的改动 但其明显的缺点是至少需要两个芯片 MCU和USB芯片 电路设计 和调试比较复杂 不利于快速开发一个项目 5 根据本系统的设计要求和实际情况 选用Cygnal公司的C8051F320芯片来 完成USB 数据传输 选用此芯片将大大简化硬件电路 减小外设体积 而且还 可以提高产品的可靠性 该芯片具有较快的处理速度和较大的存储容量 并且 具有在系统可编程的功能 是比较理想的选择 锂电池充电部分我们选用凌力尔特公司的LTC3555 它是一种应用于实现 锂电池或聚合物电池快速充电的电源管理器件 速度快 低功耗 低噪声 使用 灵活且体积小 支持I2C总线 采用它可以节省总线个数 节省C8051F320引脚 使用该芯片作为电源管理是较理想的选择 2 USB 系统简介 2 1 USB 系统组成 一个 USB 系统主要由三个部分 USB 设备 USB 主机和 USB 互联 6 7 1 USB 设备 USB 有两种设备类 集线器 Hub 和功能部件 Function 如人机接口 打印机 图像扫描仪或海量存储器等各种设备 当设备被连接 编号后 该设备就拥有一个唯一的 USB 地址 所有 USB 武汉科技学院 2008 届毕业设计论文 6 设备必须在零号端口上提供一个特殊的管道 用来连接 USB 设备的 USB 控制 管道 在零号端口上 控制管道中的信息应完整地描述 USB 设备 该信息分为 标准信息 类别信息 USB 厂商信息 此外 每个 USB 设备均需提供 USB 的 控制和状态信息 集线器是将设备连接在一起的集中器 可让不同性质的设备连接在 USB 端 口上 集线器可将一个连接点转化成多个的连接点 只有集线器可以提供附加 的 USB 的连接点 集线器极大简化了 USB 的互连复杂性 功能部件是一种能通过总线进行发送 接收数据和控制信息的 USB 设备 为主机提供具体的功能 它一般是一种分开的外设 通过一根电缆接插在集线 器的某个端口上 USB 设备必须能提供标准的 USB 接口 包括能理解 USB 协议 响应标准 USB 操作 能对设备进行配置和复位 此外 每个功能设备都 应包含设置信息 用来描述该设备的性能和资源要求 以便在使用功能部件前 主机对其进行设置 2 USB 主机 在任何 USB 系统中 只能有一个主机 USB 和主机系统的接口称作主控 制器 主控制器可由硬件 固件和软件来组合实现 根集线器集成在主机系统 内 用来提供一个或多个连接点 USB 的主机通过主控制器与 USB 设备进行 交互操作 主机负责完成以下工作 1 检测 USB 设备的连接和移除 2 管理主机和 USB 设备之间的控制流 3 管理主机和 USB 设备之间的数据流 4 收集状态和动作信息 5 给接上的 USB 设备提供能量 主机上 USB 的系统软件管理 USB 设备和主机上与该设备有关的软件之间 的交互作用 USB 系统软件与设备软件间有五种相互作用方式 1 设备编号和设置 2 同步数据传输 3 异步数据传输 4 电源管理 武汉科技学院 2008 届毕业设计论文 7 5 设备和总线管理信息 只要可能 USB 系统软件就会使用当前的主机软件接口来管理上述几种方 式 3 USB 的互连 USB 的互连是指 USB 设备与主机之间进行连接和通信的操作 它决定了 USB 的体系结构 主要包括以下几方面 1 总线的拓扑结构 USB 设备与主机之间的各种连接方式 2 内部层次关系 USB 的任务在系统的各个层次中执行时按照功能叠 放的层次 3 数据流模式 数据在系统中通过 USB 从产生方到使用方的流动方式 4 USB 的调度 通过对可使用的连接进行调度 提供资源共享并支持同 步数据传输 2 2 总线拓扑结构 USB 将 USB 设备和 USB 主机连接在一起 USB 的物理连接是一个分层 的星型拓扑结构 通过网络集线器进行连接 集线器位于星型的中心 从主机到 集线器或功能部件 或从集线器到集线器或功能部件之间 每条接线段是点到 点连接 USB 的拓扑结构如图 2 1 所示 武汉科技学院 2008 届毕业设计论文 8 主机根集线器 HUB1 HUB2 HUB3 设备 1 设备 6 设备 3设备 2 设备 7 设备 5设备 4 HUB4 设备 8 HUB5 HUB6HUB7 层 2 主机 层 1 层 3 层 4 层 5 层 6 层 7 图 2 1 USB 总线拓扑结构 由于集线器和电缆所能允许的传播时间上的限制 所允许的最大层数为 7 层 包括根层在内 在这 7 层中 在主机和任何设备之间的通讯线路上可支持 最大 5 个非根层的集线器 所以 如图 2 1 所示 占有 2 层的一个组合设备将 它接到第 7 层时 将不能工作 在第 7 层只能接具体的功能器件 2 3 物理接口 USB 采用四线电缆 其中两根用来作数据传送的串行通道 其余两根用来 为下流 Downstream 设备提供电源如图 2 2 所示 图中 D D 是串行数据 通信线 VBUS和 GND 作为电源线 USB 是基于令牌的总线 类似于像令牌环 网络或 FDDI 基于令牌的总线 USB 主控制器广播令牌 总线上设备检测令牌 中的地址是否与自身相符 通过接受或发送数据给主机作响应 USB 主机通过 支持悬挂 恢复操作来管理 USB 总线电源 8 VBUS D D GND VBUS D D GND 武汉科技学院 2008 届毕业设计论文 9 图 2 2 USB 电缆 3 USB 协议简介 3 1 USB 数据流模型 任何 USB 通信都是架构在主机的缓冲区与接收设备的端点之上的 数据在 这两者之间的管道之间传输 其数据流模型见图 3 1 本节将依次介绍端点 管道 包 事务等概念 9 主机 缓冲器 通信流 端点 接口 管道 USB 逻辑设备 图 3 1 USB 数据流模型 3 1 1 端点 每个逻辑设备都可视为一系列端点的集合 端点标志着主机与设备通信的 结束点 每个端点都有一个序号 序号值的范围在 0 到 14 之间 其中 0 号端 点专用于控制传输 不可为主机配置 其他非零端点需在主机配置后 方可访 问 端点根据数据流动的方向又可分为 IN 端点和 OUT 端点 因此 0 号端点 又分为控制 IN 和控制 OUT 两类 其他端点的属性 如方向 缓冲大小等的设 武汉科技学院 2008 届毕业设计论文 10 置则在相应的寄存器中进行 3 1 2 管道 主机与设备的端点之间的连接称为管道 USB 系统软件与端点 0 之间的连 接称为缺省控制管道 Default Control Pipe 用于配置和控制设备 客户软件则 使用一组管道与接口通信 管道代表通过内存缓冲区在客户软件与设备端点之 间移动数据的能力 其具有如下两种模式 1 流 Stream 管道 流管道中传输的数据不具有 USB 定义的结构 它可以 用作批量传输 同步传输和中断传输 且通常是单向的 因而 如果客户软件 要完成同设备的 IN 传输和 OUT 传输 则必须使用两条管道分别进行 IN 传输 和 OUT 传输 2 消息 Message 管道 在消息管道中传输的数据具有 USB 定义的结构 它一般只用作控制传输的管道 且是双向的 既支持 IN 传输又支持 OUT 传输 USB 设备中的 0 号端点所实现的缺省控制传输管道就是这样的消息管道 USB 系统软件确保不会有多个请求同时发送到消息管道 设备每个消息管道在 同一时刻只能响应一个请求 主机上多个客户软件可以通过缺省控制管道提出 请求 但是这些请求是按照先进先出的顺序发送到设备 3 1 3 包 包 是 USB 通信的最基本数据单元 每一个包 基本上包含了一个完整 的 USB 信息 按照包在整个 USB 数据传输中的作用不同 包主要分为 3 类 令牌包 数据包和握手包 包类型不同 其所包含的字段也不同 但第一个域 都是同步域 且它在总线上传输时 总是以 SOP 信号开始 以 EOP 信号结束 如表 3 1 所示 表 3 1 包的组成 同步域具有特定格式的域 EOP 武汉科技学院 2008 届毕业设计论文 11 令牌包定义了数据传输的类型 数据包中包含需要传输的数据 握手包则 用 于指明了数据接收的状态 1 令牌包 Token Packet 由于 USB 的事务是由 PC 主机启动的 所以在每一个事务中必须以下列的 5 个数据域所组成的令牌包为开始 执行通信协议的前导工作 令牌包格式如 表 3 2 所示 表 3 2 令牌包格式 8 位8 位7 位4 位5 位 SYNCPIDADDRENDPCRC5 2 数据包 Data Packet 数据包由 PID 域 0 1023 字节长度的数据域和 16 比特的 CRC 检查域组 成 数据包格式如表 3 3 所示 表 3 3 数据包格式 8 位8 位0 1023 位16 位 SYNCPIDDATACRC16 其中数据包的 PID 数据域包含两种类型 DATAO 和 DATA1 根据 USB 协议规定 最初的数据封包都是以 DATAO 位开始 其后才是 DATA1 然后以 此方式交替切换 这个动作称为 Data Toggle 如此就可以保持整个传输过 程中主机能与设备维持同步 3 握手包 Handshake Packet 握手包用于表示事务 Transaction 处理的最后时相 用来报告事务处理过 程中接收方的状态 它的结构如表 3 4 所示 没有数据字段和 CRC 字段 只有 同步字段和标识符字段用来表示数据传输状态 握手信号封包的 PID 数据域包含 ACK NAK STALL 三种类型名称 也就 对应了 ACK 握手信号封包 NAK 握手信号封包以及 STALL 握手信号封包 武汉科技学院 2008 届毕业设计论文 12 表 3 4 握手包格式 8 位8 位2 3 位 SYNC PIDEOP 3 1 4 事务 事务处理是 USB 总线上数据传输的基本单位 主机与 USB 设备之间的一 次通信可能要用到 1 个或者多个事务 事务处理由 3 个阶段组成 令牌阶段 数据阶段和握手阶段 事务又分为 IN 事务 OUT 事务 SETUP 事务 PING 事务 SOF 事务 SPLIT 事务和 PRE 事务 针对本课题 选取最为重要的 IN OUT SETUP SOF 等 4 个事务来介绍 7 10 11 1 IN 事务 IN 事务用于完成 USB 设备到主机的数据传输 其内容可由图 3 2 表示 正常情况下 USB 设备将向主机发出数据包 USB 设备不能成功地响应主机发 出的 IN 令牌包时 USB 设备的响应有 当收到的 IN 令牌包已损坏 则 USB 设备不应答 如 USB 设备暂时不能向主机发送数据 则返回 NAK 握手包 当 USB 设备的这个 IN 端点被停止了 则向主机返回 STALL 握手包 IN 令牌包DATA X 数据包ACK 握手包 主机USB 设备主机 令牌阶段数据阶段握手阶段 图 3 2 成功传输的 IN 事务处理 对主机而言 正常时应接收来自 USB 设备的数据 并以 ACK 握手 但当 主 机暂不能接收数据或检测到数据包已损坏 则会丢弃数据包 不做任何响应 2 OUT 事务 武汉科技学院 2008 届毕业设计论文 13 OUT 事务用于完成主机到 USB 设备的数据传输 正常情况下 USB 设备 成功接收来自主机的数据 并以 ACK 握手返回 当 USB 设备收到已损坏的 OUT 令牌包和数据包 则设备将不做答 当 USB 设备的该端点已被停用 它 将会向主机返回 STALL 握手包 当 USB 设备和该数据包的数据触发位不匹配 则 USB 设备则会丢弃数据 返回 ACK 握手 3 SETUP 事务 SETUP 事务是一种特殊的事务 它用于定义主机到 USB 设备的数据传输 由于它的数据格式较为特殊 只用于在 USB 控制传输的建立阶段 当 USB 设 备 接收到的 SETUP 令牌包有误 USB 设备则忽略该信息包 且不做任何响应 一旦 USB 设备接收了 SETUP 令牌包 则一定要接收后面的数据包并向主机返 回 ACK 包握手 与 IN OUT 事务不同的是 USB 设备不能对 SETUP 事务处 理返回 NAK 或者 STALL 等握手包 4 SOF 事务 SOF 事务表示 USB 帧 小帧的开始 它仅包含主机或者集线器事务翻译器 发 出的 SOF 令牌包 而不需 USB 设备返回任何握手 对低速 全速传输而言 帧的长度为 1ms 即每 1ms 产生一次