基于USB总线的LED屏幕的仿真与实现[硕士论文]

本课题“基于USB总线的LED屏幕的仿真与实现”是我校和上海三晟公司合作的项目。 LED由于其具有的寿命长、亮度高、功耗小、体格低等优点，正受到越来越多的关注，其应用也越来越广泛。目前LED屏幕显示图像的的两种方法中高端方法成本太高，而低端方法则显示画面过于单一。针对现状，上海三晟公司与我校合作开发LED屏幕动画，力争以低成本实现LED屏幕动画显示：通过上位PC机软件的配合，将动画的点阵数据转送至下位单片机以控制在LED点阵屏幕上动态显示。本文提供了一种低成本的LED屏幕显示图像、文字及手写图文的方法。以单片机扩展USB接口芯片，实现数据的高传输率，以替代即将淘汰的串行口；通过扩展行列电路及单片机控制程序，驱动LED显示屏；通过USB协议固件的开发及Windows 2000下USB设备的WDM驱动开发，实现USB显示控制板设备与Windows2000系统的即插即用；上位机软件实现了与USB显示屏控制板的通信，可将图片（支持BMP, Jpeg, Gif格式）、Windows TrueType Font字符和手写体图形文字在计算机上混排编辑后，送至LED屏幕上动态显示，并可在计算机上仿真显示运行的结果。与现有系统相比较，本课题实现的系统具有以下优点：抛弃了过时的串口而改用可即插即用的USB接口；舍弃了硬件字模库而利用Windows系统的TTF字库，理论上可显示任何国家的文字；手写体的实现可应用于LED屏幕显示签名服务；图片编辑功能可实现任意图形的动态显示组合，并可支持多种图片格式。经过实际运行检测，该系统的软件、硬件都工作良好，具有较为理想的显示效果。 §1.1 课题的来源及意义

LED已经有近三十年的历史，广泛应用于指示灯、屏幕显示等。由于LED具有使用寿命长、能经受较强的冲击和震动、可靠性高、工作电流小、可与数字电路兼容等优点，一直受到研究开发人员的重视。近年来出现的高亮度、超高亮度的LED，生产成本降低，使用LED屏幕电子显示屏在国内外已被普遍采用。同其他显示媒体相比，它具有显示内容丰富、动态范围广、画面生动、以及无污染、寿命长、亮度高、效果好等显著优点，是目前性能价格比较高的显示媒体。

目前的LED屏幕显示数字文字的应用很广泛，因为文字数字的点阵信息都有成熟的点阵模块。但LED屏幕显示在显示图像方面应用范围相对较小，主要原因是得到图像的点阵信息的成本较高，目前LED屏幕显示图像通常有两种方法：一是通过多媒体卡将视频信号转换成LED所需的图像信号，另一种是用继电器控制几幅较简单的图画，组成动画信号。第一种方法的成本很高，而第二种方法则显示画面过于单一。

针对现状，上海三晟公司与我校合作开发LED屏幕动画，力争以低成本实现LED屏幕动画显示：通过上位PC机软件的配合，将动画的点阵数据转送至下位单片机以控制在LED点阵上显示动画。

目前在PC机与单片机通讯方式主要是传统的串口，传统的串口使用至今已有二十余年，并且由于各方面的限制已经逐步被淘汰，而近年来生产的个人PC中，相当部分产品已经不再配置传统串口，因此，使用串口必将造成产品的使用周期缩短。取而代之是近几年出现的通用串行总线（Universal Serial Bus，简称USB），通用串行总线是由康柏、微软、IBM、DEC等公司为了解决传统总线的不足，而推出的一种新型串行通信标准。该总线接口具有安装方便、高带宽、易扩展等优点，已经逐渐成为现代数据传输的发展趋势。

相比较传统串口而言，USB具有更多优点：1、外设的安装十分简单。所有的USB外设安装过程高度自动化，既不必打开机箱插入,也不必考虑资源分配，更不用关掉计算机电源，即可实现热插拔。2、支持多设备连接，利用菊花链的形式对端口加以扩展，最多可在一台计算机上同时支持127种设备。3、提供内置电源。USB电源能向低压设备提供5V的电源，因此新的设备就不需要专门的交流电源，从而降低了这些设备的成本并提高了性价比。

目前，LED屏幕较为广泛的应用是在字符显示方面，如火车站的列车时刻表、票价情况显示以及证券银行业的汇率、利率等的显示。而在图形图像显示方面则应用较少。目前国内外LED屏幕显示图像比较先进的技术是利用专业的计算机多媒体卡，将输入的视频信号或计算机显示卡上的信号转换为LED显示屏所需的数字信号，再经过光隔离通讯卡以每秒30帧以上的传送速率传输给显示屏，通过显示屏内的控制电路在LED显示屏上显示出来，显示内容与电视机或VGA显示器上所显示内容一致，适用与图像、动画及电视画面显示等。目前这种显示方法的成本较高，仅多媒体卡的成本就近万元。

在通讯方面，目前USB已经发展到2.0版本，并且与之相近的还有另外一种串行传输标准IEEE1394。USB2.0的传输速率最高可达到480Mbps，这个速度是USB1.1版的40倍，也高于IEEE1394的400Mbps。USB2.0具有向下兼容的特性，同样最高可支持127个设备，支持即插即用功能，更重要的是，在连接端口扩充的同时，各种采用USB2.0的设备仍可以维持480Mbps的最高速率。

USB2.0适用于需要作连续大量数据传输的高速外设。目前，USB2.0已广泛应用于视频会议的CCD、移动硬盘、光盘刻录机以及扫描仪等设备上。IEEE1394是与USB相近的另一种串行传输方式，目前1394b的传输速率为400Mbps，比USB1.1快33倍，最多可连接63个设备。在USB2.0推出以后，IEEE1394新一代的规范已经制定，其最高速率可达800Mbps。但IEEE1394与USB应用于不同的领域，IEEE1394主要应用于需要高速传输的消费性电子产品上，而USB则可望成为未来的计算机外围产品的主要传输接口。


§1.2 本课题所研究的内容及所做的工作

本课题“基于USB总线的LED屏幕的仿真与实现”的完成提供了一种低成本实现LED屏幕显示图像、文字及手写图文的方法。以单片机扩展USB接口芯片，实现数据的高传输率，以替代即将淘汰的串行口；通过扩展行列电路及单片机控制程序，驱动LED显示屏；通过USB协议固件的开发及Windows 2000下USB设备的WDM驱动开发，实现USB显示控制板设备与Windows2000系统的即插即用；上位机软件实现了与USB显示屏控制板的通信，可将图片（支持BMP, Jpeg, Gif格式）、Windows TrueType Font字符和手写体图形文字在计算机上混排编辑后，送至LED屏幕上动态显示，并可在计算机上仿真显示运行的结果。

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：USB总线在单片机控制系统上的应用；基于USB总线的单片机系统的固件的开发及USB协议在单片机系统上的实现；服务于单片机控制系统的USB驱动程序的开发；计算机图像的处理及数据格式的转换，以及字符与手写体显示的实现；LED屏幕显示的计算机仿真。

本课题最终实现了预期所设定的目标，所完成的工作包括：完成了单片机控制系统的硬件设计；完成了基于USB接口的单片机控制系统的固件设计；完成了PC机中USB驱动程序的开发设计；完成了上位PC机的软件设计，包括图像、字符与手写体的处理；LED屏幕显示的计算机仿真；应用软件与硬件系统的通信等。

根据最初设计的开发目标及最终实现的软硬件系统，本课题的关键技术主要体现在以下几个方面：硬件系统的设计；基于USB协议的单片机固件的开发； 基于USB协议的上位机驱动程序的开发；计算机图像、字符和手写体的处理；点阵信息的提取以及格式的转换；LED屏幕显示仿真技术。

与现有系统相比较，本课题实现的系统具有以下优点：抛弃了过时的串口而改用可即插即用的USB接口；舍弃了硬件字模库而利用Windows系统的TTF字库，理论上可显示任何国家的文字；手写体的实现可应用于LED屏幕显示签名服务；图片编辑功能可实现任意图形的动态显示组合，并可支持多种图片格式。