便捷式LED显示屏控制器的研究(2)

淮阴工学院毕业设计说明书（论文）第1页共46页1绪论便捷式LED显示屏控制器又称基于USB的LED显示屏控制器，是我们综合LED显示屏控制器的发展和USB的优点提出的一项新型的显示屏控制系统技术。1.1课题研究的背景和意义LED显示屏是利用发光二极管点阵模块或像素单元组成的大面积显示屏幕，目前，其广泛应用于银行、医院、体育场馆、车站、高速公路、广场等公共场所的信息显示和广告宣传。传统的LED显示屏的信息输入只能通过数据线与专用电脑直接连接来进行，或者是由电脑通过无线或有线数据网络加控制电路的方式实现。这些方式存在一定的缺点和应用局限，如专用电脑控制方式增加了系统成本，而且电脑需要一直处于开机状态，控制系统本身功耗较大；而通过网络实现控制的方式，网络初期投资和运行成本比较大[1]。USB(通用串行总线)是INTEL、DEC、MI2CROSOFT、IBM等公司联合提出的、最近几年逐步在PC领域广为应用的新型接口技术。USB接口通用性好、实时性强、传输方式多样、成本低、支持即插即用、易于扩展且便于使用,这些优点使其得到许多硬件厂商的青睐。目前各种类型的USB产品已大量涌入市场,同时也被广泛地用在PC机及嵌入式系统中。USB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。基于此，本文提出了基于USB的LED显示屏控制系统，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；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[2]。与显示屏的发展密切相关的是其核心技术即显示屏控制系统技术的革新。当前市场上流行的脱机LED显示屏控制系统的特点可以概括为两点：第一，人机交互系统由计算机控制。每一种显示屏控制系统对应着一种控制软件，LED显示屏用户将要显示的文本或图片通过上位机程序输入计算机，然后由上位机程序提取文本或图片的点阵信息并保存；第二，通讯传输系统为有线控制，采用有线电缆作为传输介质——多数为RS232总线或是RS485总线，根据PC机配置的标准串行接口，淮阴工学院毕业设计说明书（论文）第2页共46页进行电平转换。计算机通过上述总线将点阵信息传送给显示屏扫描控制系统扫描显示。上述特点造成了显示屏对计算机和通信线路的依赖性，无形之中就提高了使用成本，给用户带来了不便，某些用户甚至为使用显示屏而不得不专门配备一台计算机，或是要在不方便架设线路的地方铺设专用线路。这对于某些小型显示屏用户而言大大提高了其使用成本，某些用户甚至不得不为此而忍痛割爱，从而极大地影响到LED显示屏使用的普及。本文提出了一种新的设计方案，即在显示屏控制系统原有串口的基础上扩展标准USB—HOST接口，将计算机上相关文件拷到USB存储设备(U盘／USB硬盘)，然后USB存储设备插到LED显示屏的控制系统上，控制系统通过该接口直接读取USB存储设备,完成对LED显示屏的文本和图像输入，使LED显示屏与计算机的信息交流更方便。该系统操作简单，在一些小型且需要不断改变显示内容的LED显示屏系统中具有较高的性价比，大大缩小了设备的占用空间，而且摆脱了线缆的束缚和计算机的控制。目前USB存储设备这类电子信息存储媒介已逐步普及，使用USB存储设备作为LED显示屏信息内容的传递媒介，将会给LED显示屏特别是小型LED显示屏带来一次更深入的普及[4]。1.2本课题的研究方法和主要工作1.2.1本课题采用的研究手段通过对各种资料的查阅，完成对本课题的各部分知识的全面了解以及对课题原理的掌握。然后初步完成对课题的模块设计、理论测试、调试和改良，最后通过实验、仿真分析进一步确定最终结果。研究流程如图1-1所示。需求分析硬件设计软件设计系统联调整改方案图1-1工作流程图1.2.2本课题要完成的任务本课题需要完成主程序模块的设计、USB主控器模块的设计、显示屏扫描模淮阴工学院毕业设计说明书（论文）第3页共46页块的设计、实时钟模块设计、外部存储模块设计和按键指示模块设计。满足U盘内数据的读写、字模提取和写入、LED显示以及键盘扫描等子程序运行需求。即单片机控制系统的软件设计；LED点阵显示系统的软件设计；基于USB接口的单片机控制系统的软件设计；PC机与单片机实现数据通信的模块设计。确定系统实现方案，并绘制出相应的系统原理示意图，软件流程图；结合另一个同学所做的硬件部分的设计进行相应的软件部分设计，具体包括：主模块及各子模块程序流程图、程序开发过程文档、程序清单、系统调试等。1.3拟解决的关键技术本课题将解决以下问题：1）如何实现对U盘数据的读取，即设计U盘数据读取程序；2）如何实现将读取的数据通过LED屏显示，即设计显示屏扫描程序；3）将上述两个方面结合到一起，即实现读取和显示的两方面功能。2便捷式LED显示屏控制系统的总体设计2.1控制器系统总体结构设计根据所确定的方案，此控制系统主要包括：实现对U盘数据的读取及存储的模块设计和实现所读取的U盘数据在LED屏上显示的模块设计。前者通过单片机、USB转换协议和数据存储器实现。后者通过单片机、数据存储器和LED屏驱动电路实现。该控制系统的结构框图如图2-1所示。LED屏LED屏驱动电路单片机USB协议转换电路U盘接口按键复位电源指示灯存储器实时钟模块图2-1便捷式LED显示屏控制器系统框图图中，虚线部分为USB接口LED显示屏控制系统的结构框图，其中主要包含：淮阴工学院毕业设计说明书（论文）第4页共46页LED屏驱动模块、单片机、实时钟模块、USB协议转换电路、按键、复位、电源等。其外围部分连接到U盘接口和LED屏。2.2U盘数据读取模块设计该部分电路用于对U盘数据的读取以及存储。其由单片机及其外部数据存储器的扩展电路、电源电路、串口下载电路、滤波电路、USB协议转换电路和晶振与复位电路等几个部分组成。主要完成对U盘数据的读取以及存储的功能。各部分的模块设计将在第三章详细说明。该部分电路框图如图2-2所示。U盘接口USB协议转换电路单片机外部扩展存储电路指示灯复位电源按键图2-2U盘读取电路框图2.3LED屏驱动模块设计从理论上说，不论现实图形还是文字，只要控制与组成在这些图形或文字的各个点所在的位置相对应的LED器件发光，就可以得到我们想要的显示结果，这种同时控制各个发光点亮灭的方法称为静态驱动显示方式。例如16x16的点阵共有256个二极管，显然单片机没有这么多的多口，如果我们采用锁存器来扩展端口，按8位的锁存器来计算，16x16的点阵需要32个锁存器，这个数字很庞大，实际应用中的显示屏往往要大得多，这样在锁存器上花的成本将是很庞大的数字。因此在实际应用中的显示屏几乎不采用这种设计，而采用另一种称为动态扫描的显示方法。动态扫描的意思简单地说就是逐行轮流点亮，这样扫描电路就可以实现多行的同名列公用一套驱动器。先送出对应第一行发光管亮灭的数据并所存，然后选通第一行并使其点亮一定的时间，然后熄灭；然后第二行；以此类推，反复轮回。当这样轮回的速度足够快（每秒24次以上），由于人眼的视觉暂留现象，就能够看到显示屏上稳定的图形了。该部分电路用于将读取的U盘数据通过LED屏显示出来。主要完成将存储在外部扩展存储器中的数据通过LED屏显示出来的功能。各部分的电路设计将在第淮阴工学院毕业设计说明书（论文）第5页共46页三章详细说明。该部分电路框图如图2-3所示。外部扩展存储器单片机LED驱动电路LED屏指示灯复位电源按键图2-3LED显示屏驱动电路原理框图2.4存储器模块设计LED点阵显示屏是利用连续刷屏来实现显示所要求内容的，单片机从U盘读取数据的速度比较慢，LED显示屏速度跟不上。要解决这个难题，我们想到了采用74HC573锁存器和62C256静态数据存储器RAM对单片机存储空间进行扩展。外部数据存储器62C256为32K字节的8位数据宽度的RAM存储器，62C256的单片机寻址范围为0000H~7FFFH，可用来进行单片机的外部数据存储器的扩展。存储器相当于一个中转站，单片机从U盘读取数据写入存储器，存储器再把数据显示在LED屏上。该部分电路框图如图2-4所示。单片机存储器USB通信协议转换电路LED驱动电路LED屏U盘接口电源指示灯按键复位图2-4存储器模块原理框图2.5本章小结传统的LED显示屏的信息输入只能通过数据线与专用电脑直接连接来进行，或者是由电脑通过无线或有线数据网络加控制电路的方式实现。这些方式存在一淮阴工学院毕业设计说明书（论文）第6页共46页定的缺点和应用局限，如专用电脑控制方式增加了系统成本，而且电脑需要一直处于开机状态，控制系统本身功耗较大；而通过网络实现控制的方式，网络初期投资和运行成本比较大。通过本章的介绍，基于可移动存储器的多路LED显示屏控制系统，采用体积小、性能高的微处理器组成前级驱动及控制电路，可靠地读取体积小、容量大的移动存储器（U盘）中的内容。USB接口的LED显示屏是具有很大的开发意义，通过U盘来更改LED屏显示的汉字是一个质的飞跃，给我在日常生活生产中使用LED屏带来了很大的方便，而且也能使LED屏的使用越来越普及化。3便捷式LED屏控制系统的软件设计如上一章中所述，便捷式LED显示屏控制器系统主要分为读U盘模块设计、LED点阵显示模块设计、存储模块设计。本章主要完成控制器系统的软件设计。整个软件设计主要分以下7个模块：主程序模块、U盘数据读取模块、LED点阵显示模块、存储器模块、实时钟模块、数据通信模块、按键输入模块等。下面对各模块的设计进行阐述。3.1软件程序编辑语言及开发环境选择以往的单片机系统，其控制程序大多是用相应单片机的汇编指令编制，虽然其执行效率高，但其可读性和可移植性却较差，直接影响其软、硬件的扩展和升级[4]。C语言早期用于编写UNIX操作系统，它是一种结构化的语言，可产生紧凑代码。C语言可用许多机器级的函数直接控制和操作单片机的硬件而不必通过汇编语言，与汇编语言相比，C语言主要有以下一些优点。·不要求了解单片机的指令系统，仅要求对其存储器结构有初步了解；·寄存器分配、存储器寻址及数据类型等细节可由编译器管理；·程序由不同的函数构成，便于程序的结构化和模块化；·程序的可读性及可移植性较高；·关键字及运算符可用近似人的思维方式使用；·程序编制及调试时间显著缩短，大大地提高了编程效率；·C语言提供的库包含许多标准的子程序，具有较强的数据处理能力；C语言是一种非常便于使用的计算机高级编程语言，使用C语言进行单片机尤其是MCS-51系列单片机的开发具有极大的优势。因此，国外从20世纪80年代中淮阴工学院毕业设计说明书（论文）第7页共46页后期就已经开始了将C语言向8051单片机上移植的步伐。经过Keil/Franklin,Archeades,IAR,BSO/Tasking等公司的努力，到了20世纪90年代，针对8051的C语言开始日趋成熟，逐渐成为专业化的实用高级语言。上述公司都各自开发了基于8051单片机的C语言编译器，其中Keil公司开发的编译器以其使用方便、生成代码紧凑及支持几乎所有基于8051的单片机等优点，并完整的实现了ANSI的C语言标准，从而成为当今使用最为广泛的MCS-51系列单片机C语言开发软件。用C51编制程序时，同样应遵循结构化、模块化的设计方法。因此，在编程时，可将任务分成若干模块，对每个模块分别进行编制及调试，最后有机结合成一个完整的控制程序。本设计中，编程语言采用高级与汇编语言混合编程的形式，程序主体采用C51语言编写，但在对速度要求苛刻的部分采用汇编语言编写。开发环境选用目前流行的KeiluVision3。KeilSoftware公司推出的KeiluVision3是一款可用于多种8051MCU的集成开发环境(IDE)，该IDE同时也是PK51及其它开发套件的一个重要组件。除增加了源代码、功能导航器、模板编辑以及改进的搜索功能外，uVision3还提供了一个配置向导功能，加速了启动代码和配置文件的生成。此外其内置的仿真器可模拟目标MCU，包括指令集、片上外围