基于usb的led点阵显示牌.docx

1、基于usb的led点阵显示牌武 汉 科 技 学 院 毕业设计论文论文题目： 基于USB的LED点阵显示牌院 系 电子信息工程学院 专 业 班 级 学 生 姓 名 指 导 教 师 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： 年 月 日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

2、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 日武汉科技学院毕业设计（论文）任务书课题名称：基于USB的LED点阵显示牌 完成期限： 年 月 日 至 年 月 日院系名称 电子信息工程学院 指导教师 专业班级 电 信 班 指导教师职称 讲 师学生姓名 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 1、培养学生收集资料、文献检索的能力，发现问题的能力

3、；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

4、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

5、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：46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

6、,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）进度表武汉科技学院毕业设计（论

7、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

8、“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 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

9、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

10、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

11、多功能电源管理器件LTC3555。二 USB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

12、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 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

13、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 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

14、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567。五 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LED点阵显示系统2硬件电路设计(1) 电源电路的设计 电源方面采

15、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

16、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80508。3软件设计(1) 驱动程序的设计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

17、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910。(3) 固件程序的设计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1112。六 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

18、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 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

19、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,

20、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

21、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：USB协议； 固件； 驱动程序； LED点阵； LTC3555ABSTRACTThe paper firstly deals with the core content of Universal Serial Bus in detail and then discus

22、ses the design of LED dox-matrixs 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 detai

23、l. 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 tran

24、sfer 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. Usi

25、ng USB bus to transfer data and using Li-ion for power blazed a way in the design of LED dox-matrixs display board.Keywords：USB Protocol; Firmware ; Device Driver; LED dox-matrix; LTC3555目 录1. 绪论 111 课题的提出及意义 112 USB的发展状况 2121 USB的发展现状 2122 USB的优点 313 LED点阵显示牌简述 414 方案论证 42USB系统简介 521 USB系统组成 522 总线

26、拓扑结构 723 物理接口 83. USB协议简介 831 USB数据流模型 8311 端点 9312 管道 9313 包 10314 事务 1132数据传输模型 13321 控制传输（Control Transfer） 13322 批量传输（Bulk Transfer） 14323 中断传输（Interrupt Transfer） 14323 同步传输（Synchronous Transfer） 1533 USB设备总线枚举 16331 设备暂态 16332 USB设备的总线枚举 17333 标准USB描述符 184. 系统硬件设计 1841 主要芯片介绍 20411 C8051F320简介

27、 20412 LTC3555简介 2342 硬件设计电路 27421 电源电路 27422 锂电池充电电路 27423 LED点阵显示电路 285. 系统软件设计 3051 系统初始化的设计与实现 3052 驱动程序的开发 3153 主机应用程序的开发 3354 固件程序的设计 34541 程序设计总体考虑 34542 主程序设计 35543 USB中断服务程序设计 37544 FLASH读写程序设计 38545 LED点阵显示程序设计 416. 结论与展望 456.1 总结 456.2 展望 46参考文献 47附 录 49外文资料 50中文翻译 55致 谢 601. 绪论11 课题的提出及意

28、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

29、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

30、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。12 USB的发展状况121 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