基于USB的LED屏控制器的改进与优化

论文摘要

近年来,LED显示屏市场得到迅猛发展,LED显示屏已经广泛应用于各领域。针对小型化LED灯光屏这一新兴市场,本嵌入式系统研究室提出基于USB的LED屏控制器的设计方案。该控制器可对LED灯光屏进行实时控制和用户DIY方式控制。目前国内市场尚无同类产品。本文在基于USB的LED屏控制器第一阶段研究任务的基础上,对LED屏控制器进行了改进优化及功能完善。本文详细分析了LED屏控制器的系统构成及工作原理。包括整体方案分析设计;相关器件选择;系统硬件结构设计;功能模块划分及程序结构设计。为基于USB的LED屏控制器的改进与优化工作奠定基础。改进了同步方式中USB传输方式。对I/O传输控制方式进行分析;由原有的可编程I/O寻址方式改进为直接存储器存取（DMA）方式;通过LPC2148自带的DMA引擎实现USB数据传输;加入了DMA方式的中断处理;使用C语言编程实现。对USB传输方式的改进,完善了同步方式USB功能、提高了LPC2148的运行效率、提高了同步方式下USB的传输速度。完善了存储方式中USB功能。介绍了USB的协议规范;分析了USB Bulk-Only的操作过程;按Bulk-Only模式配置LED屏控制器描述符;响应SCSI指令集相关指令。使得在存储方式中基于USB的LED屏控制器被PC机枚举成为一个海量存储类（MSC）。完善了存储方式功能的同时,也使LED屏控制器的操作更为方便。实现了FAT文件系统在NAND FLASH上的应用与改进。对多种文件管理系统进行分析,选用适合本设计的FAT16文件系统,对LED屏控制器的NAND FLASH进行管理;针对NAND FLASH存储器的特点和通用FAT16文件系统的不足,改进FAT表以及FDT表的存储方式、引入块均衡损耗和垃圾回收策略,使FAT16文件系统的可靠性得到提高。优化了系统代码,提高了系统运行效率。同时将代码固化到片内FLASH中,使基于USB的LED屏控制器可脱机运行。对USB功能进行了测试,测试表明:同步方式中数据通信流畅、存储方式中稳定可靠。本设计已得到充分验证,在整机测试过程中系统运行稳定,性能优良,同时系统功能易于扩展维护。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 国内外研究现状及发展趋势
• 1.3 本文主要研究内容与任务
• 第二章 基于USB 的LED 屏控制器的整体方案设计
• 2.1 LED 屏控制器方案分析
• 2.2 LED 屏控制器硬件设计
• 2.1.1 系统组成
• 2.1.2 器件选择
• 2.1.3 硬件结构
• 2.3 LED 屏控制器软件设计
• 2.3.1 程序结构
• 2.3.2 功能模块
• 2.4 本章小结
• 第三章 USB 功能的改进与实现
• 3.1 USB 协议规范
• 3.2 同步方式下USB 传输的改进与实现
• 3.2.1 USB 接口结构与特性
• 3.2.2 DMA 方式分析
• 3.2.3 DMA 方式软件实现
• 3.3 存储方式下USB 协议的实现
• 3.3.1 MSC 协议规范
• 3.3.2 Bulk-Only 操作过程
• 3.3.3 Bulk-Only 描述符配置
• 3.3.4 SCSI 指令集响应
• 3.4 本章小结
• 第四章 FAT16 文件系统的设计与改进
• 4.1 控制器存储系统选择
• 4.1.1 性能比较
• 4.1.2 接口比较
• 4.1.3 可靠性比较
• 4.2 文件系统种类与选择
• 4.2.1 文件系统的种类
• 4.2.2 文件系统的选择
• 4.3 FAT16 文件系统设计
• 4.3.1 FAT16 文件系统结构
• 4.3.2 FAT16 文件系统软件实现
• 4.3 FAT16 文件系统的改进
• 4.3.1 FAT 及FDT 存储方式的改进
• 4.3.2 块均衡损耗和垃圾回收策略
• 4.4 本章小结
• 第五章 代码优化与系统测试
• 5.1 代码优化
• 5.2 程序固化
• 5.3 USB 功能测试
• 5.3.1 Bus Hound 简介
• 5.3.2 测试方法与结果分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1: 作者在攻读硕士学位期间发表的论文
• 附录2: USB LED 控制器主控板
• 附录3: DMA 中断服务程序