中心議題：

• 基于USB接口的LED顯示系統設計

解決方案：

• 顯示和驅動設計
• 控制設計
• 固件程序設計
• 驅動程序設計
• 應用軟件設計

配合驅動LED顯示屏實現高速數據傳輸。應用軟件處理文字信息,并與USB設備通信。本設計經測試能動態地顯示文字信息。

1　引　言

LED顯示屏是由若干發光二極管排列組成的顯示器件。它采用低電壓掃描驅動,具有耗電省、使用壽命長、成本低、亮度高、視角大、可視距離遠、規格品種多等優點,被廣泛地應用于許多公共場合的提示、說明、廣告等。

本設計包括硬件和軟件。硬件包括LED顯示屏的驅動和控制。驅動部分負責根據行列選通信號向指定的LED發光器件提供合適的驅動電流;控制部分采用集成USB2. 0的微處理器CY7C68013A, 實現USB通信和對行列移位寄存系統的控制。軟件包括Keil C51環境下編寫的固件程序、驅動程序和應用軟件。固件程序控制硬件完成相應的功能;驅動程序提供了連接到計算機的硬件設備的軟件接口;應用軟件處理圖文信息并與USB設備通信。本設計的結構框圖如圖1所示。

2　硬件設計

2. 1　顯示和驅動設計

本設計的LED顯示屏如圖1中64 ×16 LED點陣顯示屏所示,采用16塊8 ×8模塊,組成4個16 ×16點陣。每個16 ×16 點陣顯示一個漢字, 因此LED顯示屏可以顯示4個漢字。

由于CY7C68013A I/O 口的個數有限( 5 個8位I/O口) ,也考慮到今后方便擴展的需要, LED顯示屏的行列驅動系統均選用8位串行輸入轉并行輸出移位寄存器芯片74HC595。其優點是可以采用很少的I/O口控制盡量多的行或列,且可以克服直接采用I/O口控制或采用I/O口和譯碼器共同控制時難以克服的一些問題,如“鬼影”的消除。

由于I/O口的驅動能力有限,列驅動采用了PNP型晶體管。點亮每一個LED器件大約需要20mA驅動電流,為了滿足同時點亮16個LED大約需要320mA的驅動電流,采用PNP型晶體管的發射極接電源,集電極接LED陽極,基極經限流電阻接74HC595輸出端。這樣利用晶體管的電流放大作用, 74HC595的輸出端僅需提供幾毫安的驅動電流就可控制對應LED的亮滅了。部分驅動電路如圖2所示。

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2. 2　控制設計

本設計的USB接口采用集成USB2. 0的微處理器CY7C68013A,其優點是集成了USB2. 0收發器、智能SIE、增強的8051微控制器和可編程的外圍接口, 數據傳輸率達到56MByte / s, 可以硬件處理USB1. 1和USB2. 0協議,從而減少開發時間、確保USB的兼容性、提高硬件的集成度和可靠性 。

CY7C68013A的外圍電路主要包括供電( 5V -3. 3V轉換)電路,串行I2C總線電路以及復位和喚醒電路 。具體電路可參考文獻。

LED顯示屏的基本工作原理是動態掃描。動態掃描又分為行掃描和列掃描兩種方式。本設計采用行掃描工作方式。

同一行8個8 ×8點陣模塊的同名行控制引腳是接在一條線上的,共16條線,連接在行移位寄存系統上。同一列2個8 ×8點陣模塊的同名列控制引腳也是接在一條線上的,共64條線,連接在列移位寄存系統上。行移位寄存系統由2 片74HC595組成,列移位寄存系統由8片74HC595組成。

以行移位寄存系統為例:將第一片的DS (串行數據輸入)端由一個CY7C68013A 的I/O 口控制;第一片和第二片74HC595的SH_CP (移位寄存器的時鐘脈沖) 、ST_CP (存儲寄存器的時鐘脈沖)和OE(輸出使能端)端分別接在一起,各由一個I/O口控制;第一片的Q7 (串行輸出)端與第二片的DS連接;MR (芯片復位)端接高電平; O1 - O7 (并行數據輸出)端分別與對應的LED行控制引腳相連接。

CY7C68013A在SH_CP端產生連續的16個時鐘脈沖上升沿,將16位二進制數0x01依次送入兩個移位寄存器中,并鎖存在鎖存器中, 然后在ST_CP端產生1個時鐘脈沖上升沿,將0x01并行輸出到對應的16根行控制引腳線上,使得第一行LED陰極為低電平,其它行LED陰極均為高電平。此時將對應的字模送到列驅動系統,若該列的LED陽極為高電平,則對應的LED被點亮,若該列的LED陽極為低電平,則對應的LED為暗。依次選擇第二至十六行,將對應的字模送到列驅動系統, 點亮相應的LED。當顯示完第十六行的字模后,又從第一行開始顯示,這樣LED顯示屏就會顯示相應的漢字。

按照這種工作方式, LED顯示屏是一行一行點亮的,每次都只有一行亮,但由于人眼視覺暫留時間最長為1 /16 s,只要設計的掃描周期時間(從第一列到最后一列所花費的時間)小于1 /16 s,看到的還是全屏穩定的圖像。

3　軟件設計

3. 1　固件程序設計

固件程序是指運行在設備CPU中的程序。只有在該程序運行時,外設才能被稱為具有給定功能的外部設備。固件程序在Keil C51環境下編寫。

C51編譯器包可以用在所有的8051系列處理器上,可以在W INDOWS 32 位命令行中執行 。本設計的固件程序流程圖如圖3所示。

硬件設備上電/復位后,工作分配器函數TD _Init ( )完成對微處理器的初始化,然后通過調用工作分配器函數TD _Poll ( )啟動采樣,判斷是否有EP2OUT中斷發生。若有中斷發生,則進入中斷處理函數INT_Ep2out ( ) ,將上位機通過USB 總線傳來的數據放在EP2OUTBUF中,根據這些數據依次驅動LED顯示屏的行和列,更新LED 顯示。中斷處理完畢后又回到啟動采樣階段,重復判斷是否有中斷過程。若沒有中斷發生,則繼續保持LED的顯示,然后也回到啟動采樣階段,重復判斷是否有中斷過程。

其中顯示第i行字模的函數如下:

　　chooseraw_5950 ( i) ; / /選擇第i行

　　chooseline_5951 ( a, b) ; / /第一個字對應第i行的字模

　　chooseline_5951 ( c, d) ; / /第二個字對應第i行的字模

　　chooseline_5952 ( e, f) ; / /第三個字對應第i行的字模

　　chooseline_5952 ( g, h) ; / /第四個字對應第i行的字模

　　stcp0 = 0; stcp1 = 0; stcp2 = 0;

　　stcp0 = 1; stcp1 = 1; stcp2 = 1; / / st_cp 端產生一個脈沖上升沿,數據并行輸出

　　delay_ms (3) ; / /延時3ms

　　}

3. 2　驅動程序設計

采用DDK來開發驅動程序, DDK的編譯工具build來進行驅動程序的編譯,DriverStudio工具包中的SoftIce用來對驅動程序進行調試[ 5 ] 。

驅動程序使用的例程包括:驅動程序入口例程、即插即用例程、分發例程、電源管理例程、卸載例程。

驅動程序的編寫與固件中定義的USB 傳輸方式等信息有關,在固件中,采用端點EP2作為OUT方向的批量傳輸端點,負責儲存要發往外設的數據。

3. 3　應用軟件設計

因為涉及到與USB通信的問題,所以本設計采用了動態鏈接庫(DLL)和應用程序相結合的方式編寫應用軟件。動態鏈接庫利用驅動程序建立起與底層硬件的通信,應用程序為用戶提供一個直觀的軟件界面以方便操作。

應用程序可采用不同的算法,實現文字的滾動顯示,如左移、右移、上翻、下翻等。

4　結束語

本設計的LED顯示系統,采用USB總線通信,實現了文字的靜態和動態顯示,達到了設計要求。

采用USB接口與串口相比能提高數據傳輸的速率。

LED顯示屏的行列驅動系統均選用串行輸入轉并行輸出移位寄存器,使得擴展變得很方便。調用不同的文字庫,本系統可以顯示不同字體的漢字、數字、字母和符號,還可以顯示自定義圖片。

軟件界面如圖4所示。顯示效果如圖5所示。