雙模式U SB的LED控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

付進(jìn)華谷愛昱楊暉

（廣東工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，廣東廣州510006）

1.引言

LED發(fā)光二極管由于其全固態(tài)、長(zhǎng)壽命、低電壓驅(qū)動(dòng)，使之在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。不同亮度的RGB三基色LED可以混合成各種顏色，實(shí)現(xiàn)彩色顯示常用于醫(yī)療設(shè)備、探測(cè)系統(tǒng)、LCD背光以及室外裝飾照明等應(yīng)用場(chǎng)合。LED控制方案主要包括DMX512協(xié)議、DALI總線、SPI等，這些方案大部分是采用RS232或者485總線實(shí)現(xiàn)在線更新控制數(shù)據(jù)。

USB是一種應(yīng)用于計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的接口技術(shù)，與通常的串口(RS232)通信接口相比，USB接口開發(fā)難度更大。USB接口以其單一化、即插即用、便捷、易拓展性和高速等特點(diǎn)得到廣泛的推廣與應(yīng)用。南京沁恒電子推出的USB接口芯片CH375為開發(fā)提供了便捷條件。

本文采用CH375芯片實(shí)現(xiàn)雙模式USB應(yīng)用于LED控制系統(tǒng)中，給出了主從機(jī)模式下的軟件設(shè)計(jì)方法，通過單片機(jī)控制CH375工作在主機(jī)或者從機(jī)模式下分別讀U盤、接收上位機(jī)數(shù)據(jù)，來實(shí)現(xiàn)對(duì)RGB LED的控制。在LED控制芯片的選擇上，結(jié)合價(jià)格、PCB各方面的因素，本文采用天微電子的三通道LED控制芯片TM1803。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想是采用模塊化設(shè)計(jì)方法，硬件電路設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。系統(tǒng)的工作原理為：CH375由單片機(jī)控制工作在主機(jī)或從機(jī)模式下，當(dāng)工作在主機(jī)方式下時(shí)，單片機(jī)讀U盤中的文件；當(dāng)CH375工作在設(shè)備模式下時(shí)，上位機(jī)通過USB從機(jī)線實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)的通信[1]；主機(jī)和從機(jī)模式的選擇通過判斷單片機(jī)的P33口是否為高電平來實(shí)現(xiàn)，P33為高電平時(shí)CH375工作于設(shè)備狀態(tài)，否則工作于主機(jī)狀態(tài)；單片機(jī)把從U盤或上位機(jī)獲得的控制數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)級(jí)聯(lián)的TM1803實(shí)時(shí)控制；拓展的外部RAM用于讀U盤和USB通信的數(shù)據(jù)緩沖；串口通信電路有利于對(duì)硬件系統(tǒng)的調(diào)試，方便開發(fā)。

3.硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 CH375模塊硬件電路設(shè)計(jì)

在USB芯片的選擇一般有兩種方式：一是采用集成USB通訊功能的微處理器，比如：8X930A、CY7C630、EZ USB等。這些微處理器具有USB接口，但是兼容性較差，需要購(gòu)買新的開發(fā)系統(tǒng)，成本較高。另一種采用專用的USB芯片，比如USBN9602、PDIUSBD12等。但是要求設(shè)計(jì)人員對(duì)USB協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，固件編程及驅(qū)動(dòng)程序編寫等有深入的理解[2]。

本系統(tǒng)中使用的USB接口芯片CH375使用非常簡(jiǎn)單，只要熟悉單片機(jī)及簡(jiǎn)單的VC編程就能在短時(shí)間內(nèi)入手。CH375芯片在本地端有8位數(shù)據(jù)總線和讀、寫、片選控制線以及中斷輸出[3]，可以方便地掛載在單片機(jī)等控制器的系統(tǒng)上；CH375支持USB-HOST主機(jī)方式和USB-DEVICE設(shè)備方式；CH375與單片機(jī)的接口電路如圖2所示。

圖2 CH375與單片機(jī)STC11XX的硬件接口電路

單片機(jī)P33連接STATUS，通過判斷STATUS的高低電平來判斷哪個(gè)USB插座在工作，從而判斷CH375工作在哪種通信模式下。P1_HOST用于連接USB設(shè)備，即CH375工作于主機(jī)模式下；端口P2_DEVICE用于連接計(jì)算機(jī)，即CH375工作在設(shè)備模式下?？臻e時(shí)，P33為低電平，單片機(jī)使CH375工作在主機(jī)模式下；當(dāng)有U盤插入P1_HOST時(shí)，CH375會(huì)自動(dòng)通知單片機(jī)進(jìn)行處理；當(dāng)P2_DEVICE連接到PC的USB端口時(shí)，USB提供5V電壓，使P33為高電平，單片機(jī)將CH375切換至設(shè)備模式下。

3.2 LED控制模塊硬件電路

LED控制模塊硬件電路采用TM1803三通道LED恒壓驅(qū)動(dòng)控制芯片，內(nèi)部集成有MCU數(shù)字接口、數(shù)據(jù)鎖存器、LED高壓驅(qū)動(dòng)等電路。通過外圍MCU控制實(shí)現(xiàn)該芯片的單獨(dú)灰度、級(jí)聯(lián)控制實(shí)現(xiàn)戶外大屏的彩色點(diǎn)陣發(fā)光控制。芯片采用單線級(jí)聯(lián)，8位(256灰度等級(jí))數(shù)據(jù)解析，采用單極性歸零碼的方式收發(fā)數(shù)據(jù)，芯片在上電復(fù)位后，通過DI接收數(shù)據(jù)，接收完24位后，D0端口開始發(fā)送數(shù)據(jù)給下一級(jí)聯(lián)芯片，在轉(zhuǎn)發(fā)之前D0一直拉低。數(shù)據(jù)接收期間，如果接收到一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間的低電平，芯片即刻把鎖存的24位有效數(shù)據(jù)刷入到PWM寄存器里更新PWM顯示。處理完成后芯片重新等待下一個(gè)數(shù)據(jù)幀的輸入。TM1803芯片的時(shí)序波形有三個(gè)(0碼為680ns高電平，1360ns低電平；1碼為1360ns高電平，680ns低電平；RESET碼為24us低電平；0碼、1碼的時(shí)序容許誤差為區(qū)±150ns)。TM1803接在單片機(jī)P1口的任意一個(gè)I/O口即可，如圖3示。

3.3 串口通信模塊硬件電路

MAX232是常用的串口通信電平轉(zhuǎn)換芯片，本文串口通信電路是采用MAX232芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。

圖3 TM1803級(jí)聯(lián)應(yīng)用與MCU硬件接口

3.4 硬件設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

硬件設(shè)計(jì)時(shí)的抗干擾對(duì)電路板的穩(wěn)定運(yùn)行相當(dāng)重要，在PCB的設(shè)計(jì)和調(diào)試的過程中，主要在CH375模塊，要注意一下幾個(gè)方面：(1)選取容量為0.1uF的獨(dú)石或者高頻瓷片電容用于外部電源退耦；(2)D+和D-信號(hào)線接近平行布線，兩側(cè)盡量覆銅；(3)USB主機(jī)接口出要接上100uF的電解電容，電阻不要太大，否則會(huì)造成U盤供電不足而無法讀U盤數(shù)據(jù)；(4)USB設(shè)備接口上的兩個(gè)電阻最后不要超過1K，否則會(huì)造成判斷P33電平不夠靈敏；這是本文在調(diào)試過程中碰到的一些問題的總結(jié)。

4.軟件設(shè)計(jì)

4.1 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件包括串口通信和USB通信兩部分。串口通信用MSCOMM控件來實(shí)現(xiàn)，方便簡(jiǎn)單，能夠在PC機(jī)上顯示CH375常見的錯(cuò)誤。USB通信部分采用CH375動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)DLL提供的面向功能的API，所有的API在調(diào)用后都有操作返回狀態(tài)。CH375動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)提供的API包括：設(shè)備管理API、數(shù)據(jù)傳送API、中斷處理API。編寫程序時(shí)在計(jì)算機(jī)上安裝好CH375的通用驅(qū)動(dòng)程序、DLL鏈接庫(kù)、將DLL鏈接庫(kù)的入口及函數(shù)定義添加到VC項(xiàng)目中只要調(diào)用API就可完成對(duì)設(shè)備的通信操作，用VC編制相應(yīng)的應(yīng)用程序即可，不必考慮協(xié)議、驅(qū)動(dòng)程序等復(fù)雜的問題[4]。

4.2 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

圖4 主程序流程圖

下位機(jī)的任務(wù)主要是判斷哪一個(gè)USB接口在工作，從而確定CH375工作在哪種模式下，將獲得的數(shù)據(jù)處理成TM1803的LED控制數(shù)據(jù)。首先對(duì)單片機(jī)內(nèi)部I/O、串口等進(jìn)行初始化，單片機(jī)通過調(diào)用CH375的lib庫(kù)函數(shù)CH375LibInit對(duì)程序庫(kù)和芯片進(jìn)行初始化；其次判斷P33是否為低電平，如果為低電平則進(jìn)入設(shè)備模式，否則進(jìn)入主機(jī)模式；最后發(fā)送LED控制數(shù)據(jù)[5]。

在下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)中，需要注意的有三個(gè)方面：(1)單片機(jī)是以總線方式驅(qū)動(dòng)CH375和外部RAM，要注意選擇合適的總線地址，同時(shí)采用查詢法來查詢CH375工作狀態(tài)。(2)外部RAM的使用會(huì)提高讀U盤和USB通信的速度，但是在主機(jī)和設(shè)備模式之間的RAM緩沖區(qū)的地址不能重疊，否則會(huì)造成一種或者全部模式不能使用。(3)在編寫TM1803的控制程序時(shí)，主要有CODE_0()、CODE_1()、RESET()三個(gè)子函數(shù)，本文用的STC11XX系列單片機(jī)是機(jī)器周期為單時(shí)鐘單片機(jī)，示波器實(shí)測(cè)波形和理論波形有出入，原因在于調(diào)用函數(shù)和返回函數(shù)需要時(shí)間在C51中很少考慮，利用DEBUG功能將C51程序轉(zhuǎn)變成匯編后發(fā)現(xiàn)LCALL、RET分別占6個(gè)和4個(gè)時(shí)鐘周期。

5.結(jié)束語

雙模式USB數(shù)據(jù)傳輸方式可拓展到其它便攜式儀器中，即可作為外設(shè)直接與PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，也可通過U盤作為媒介實(shí)現(xiàn)LED控制數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測(cè)試可以兼容大部分的U盤，以及通過多次USB設(shè)備通信測(cè)試完全通過，設(shè)備方式完全可代替RS232接口，彌補(bǔ)其傳輸速度慢的缺點(diǎn)。LED控制效果經(jīng)測(cè)試得到良好的顯示效果，單色能實(shí)現(xiàn)8位(256灰度級(jí))顏色變化，RGB三基色可實(shí)現(xiàn)2563顏色變化。

[1]趙曉順.雙模式USB接口芯片CH375在溫濕度測(cè)記儀中的應(yīng)用[J].農(nóng)機(jī)化研究，2007，(1)：171-173.

[2]趙普俊.基于CH375振動(dòng)信號(hào)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2006，(7)：50-53.

[3]南京沁恒電子有限公司.USB總線接口芯片CH375[EB/OL].http：//wch.cn.

[4]楊全玖.基于CH375多通道USB接口與PC機(jī)通信的實(shí)現(xiàn)，2006，11-2-0072-3.

[5]丁鐵夫.基于C8051F020和USBOLED控制系統(tǒng)設(shè)[J].計(jì)微計(jì)算機(jī)信息，2009，02-2-0065-02.