怎么实现基于USB接口的LED显示系统的设计？

　　1　引　言
　　LED显示屏是由若干发光二极管排列组成的显示器件。它采用低电压扫描驱动，具有耗电省、使用寿命长、成本低、亮度高、视角大、可视距离远、规格品种多等优点，被广泛地应用于许多公共场合的提示、说明、广告等。
　　本设计包括硬件和软件。硬件包括LED显示屏的驱动和控制。驱动部分负责根据行列选通信号向指定的LED发光器件提供合适的驱动电流;控制部分采用集成USB2. 0的微处理器CY7C68013A，实现USB通信和对行列移位寄存系统的控制。软件包括Keil C51环境下编写的固件程序、驱动程序和应用软件。固件程序控制硬件完成相应的功能;驱动程序提供了连接到计算机的硬件设备的软件接口;应用软件处理图文信息并与USB设备通信。本设计的结构框图如图1所示。
　　2　硬件设计
　　2. 1　显示和驱动设计
　　本设计的LED显示屏如图1中64 ×16 LED点阵显示屏所示，采用16块8 ×8模块，组成4个16 ×16点阵。每个16 ×16 点阵显示一个汉字， 因此LED显示屏可以显示4个汉字。
　　由于CY7C68013A I/O 口的个数有限（ 5 个8位I/O口） ，也考虑到今后方便扩展的需要， LED显示屏的行列驱动系统均选用8位串行输入转并行输出移位寄存器芯片74HC595。其优点是可以采用很少的I/O口控制尽量多的行或列，且可以克服直接采用I/O口控制或采用I/O口和译码器共同控制时难以克服的一些问题，如“鬼影”的消除。
　　
　　图1　结构框图
　　由于I/O口的驱动能力有限，列驱动采用了PNP型晶体管。点亮每一个LED器件大约需要20mA驱动电流，为了满足同时点亮16个LED大约需要320mA的驱动电流，采用PNP型晶体管的发射极接电源，集电极接LED阳极，基极经限流电阻接74HC595输出端。这样利用晶体管的电流放大作用， 74HC595的输出端仅需提供几毫安的驱动电流就可控制对应LED的亮灭了。部分驱动电路如图2所示。
　　
　　图2　部分驱动电路
　　2. 2　控制设计
　　本设计的USB接口采用集成USB2. 0的微处理器CY7C68013A，其优点是集成了USB2. 0收发器、智能SIE、增强的8051微控制器和可编程的外围接口， 数据传输率达到56MByte / s， 可以硬件处理USB1. 1和USB2. 0协议，从而减少开发时间、确保USB的兼容性、提高硬件的集成度和可靠性 。
　　CY7C68013A的外围电路主要包括供电（ 5V -3. 3V转换）电路，串行I2C总线电路以及复位和唤醒电路 。具体电路可参考文献。
　　LED显示屏的基本工作原理是动态扫描。动态扫描又分为行扫描和列扫描两种方式。本设计采用行扫描工作方式。
　　同一行8个8 ×8点阵模块的同名行控制引脚是接在一条线上的，共16条线，连接在行移位寄存系统上。同一列2个8 ×8点阵模块的同名列控制引脚也是接在一条线上的，共64条线，连接在列移位寄存系统上。行移位寄存系统由2 片74HC595组成，列移位寄存系统由8片74HC595组成。
　　以行移位寄存系统为例：将第一片的DS （串行数据输入）端由一个CY7C68013A 的I/O 口控制;第一片和第二片74HC595的SH_CP （移位寄存器的时钟脉冲） 、ST_CP （存储寄存器的时钟脉冲）和OE（输出使能端）端分别接在一起，各由一个I/O口控制;第一片的Q7 （串行输出）端与第二片的DS连接;MR （芯片复位）端接高电平; O1 - O7 （并行数据输出）端分别与对应的LED行控制引脚相连接。
　　CY7C68013A在SH_CP端产生连续的16个时钟脉冲上升沿，将16位二进制数0x01依次送入两个移位寄存器中，并锁存在锁存器中， 然后在ST_CP端产生1个时钟脉冲上升沿，将0x01并行输出到对应的16根行控制引脚线上，使得第一行LED阴极为低电平，其它行LED阴极均为高电平。此时将对应的字模送到列驱动系统，若该列的LED阳极为高电平，则对应的LED被点亮，若该列的LED阳极为低电平，则对应的LED为暗。依次选择第二至十六行，将对应的字模送到列驱动系统， 点亮相应的LED。当显示完第十六行的字模后，又从第一行开始显示，这样LED显示屏就会显示相应的汉字。
　　按照这种工作方式， LED显示屏是一行一行点亮的，每次都只有一行亮，但由于人眼视觉暂留时间最长为1 /16 s，只要设计的扫描周期时间（从第一列到最后一列所花费的时间）小于1 /16 s，看到的还是全屏稳定的图像。
　　3　软件设计
　　3. 1　固件程序设计
　　固件程序是指运行在设备CPU中的程序。只有在该程序运行时，外设才能被称为具有给定功能的外部设备。固件程序在Keil C51环境下编写。
　　C51编译器包可以用在所有的8051系列处理器上，可以在W INDOWS 32 位命令行中执行 。本设计的固件程序流程图如图3所示。
　　
　　图3　固件程序流程图
　　硬件设备上电/复位后，工作分配器函数TD _Init （ ）完成对微处理器的初始化，然后通过调用工作分配器函数TD _Poll （ ）启动采样，判断是否有EP2OUT中断发生。若有中断发生，则进入中断处理函数INT_Ep2out （ ） ，将上位机通过USB 总线传来的数据放在EP2OUTBUF中，根据这些数据依次驱动LED显示屏的行和列，更新LED 显示。中断处理完毕后又回到启动采样阶段，重复判断是否有中断过程。若没有中断发生，则继续保持LED的显示，然后也回到启动采样阶段，重复判断是否有中断过程。
　　其中显示第i行字模的函数如下：
　　chooseraw_5950 （ i） ; / /选择第i行
　　chooseline_5951 （ a， b） ; / /第一个字对应第i行的字模
　　chooseline_5951 （ c， d） ; / /第二个字对应第i行的字模
　　chooseline_5952 （ e， f） ; / /第三个字对应第i行的字模
　　chooseline_5952 （ g， h） ; / /第四个字对应第i行的字模
　　stcp0 = 0; stcp1 = 0; stcp2 = 0;
　　stcp0 = 1; stcp1 = 1; stcp2 = 1; / / st_cp 端产生一个脉冲上升沿，数据并行输出
　　delay_ms （3） ; / /延时3ms
　　}
　　3. 2　驱动程序设计
　　采用DDK来开发驱动程序， DDK的编译工具build来进行驱动程序的编译，DriverStudio工具包中的SoftIce用来对驱动程序进行调试［ 5 ］ 。
　　驱动程序使用的例程包括：驱动程序入口例程、即插即用例程、分发例程、电源管理例程、卸载例程。
　　驱动程序的编写与固件中定义的USB 传输方式等信息有关，在固件中，采用端点EP2作为OUT方向的批量传输端点，负责储存要发往外设的数据。
　　3. 3　应用软件设计
　　因为涉及到与USB通信的问题，所以本设计采用了动态链接库（DLL）和应用程序相结合的方式编写应用软件。动态链接库利用驱动程序建立起与底层硬件的通信，应用程序为用户提供一个直观的软件界面以方便操作。
　　应用程序可采用不同的算法，实现文字的滚动显示，如左移、右移、上翻、下翻等。
　　4　结束语
　　本设计的LED显示系统，采用USB总线通信，实现了文字的静态和动态显示，达到了设计要求。
　　采用USB接口与串口相比能提高数据传输的速率。
　　LED显示屏的行列驱动系统均选用串行输入转并行输出移位寄存器，使得扩展变得很方便。调用不同的文字库，本系统可以显示不同字体的汉字、数字、字母和符号，还可以显示自定义图片。
　　软件界面如图4所示。显示效果如图5所示。