嵌入式原理嵌入式系统的外围设备和io接口.ppt

第5章 嵌入式系统的外围设备和 I/O接口 5.1 外围设备 5.2 常见输入输出接口类型 5.3 I/O接口原理基础 5.4 小结 主要内容 • 基本输入/输出设备的结构 – 输入设备：键盘、触摸屏；输出设备：LED、LCD • I/O接口和总线的工作原理 – 常见的输入输出接口类型 •总线接口：I2C、I2S、CAN、以太网 •并行接口 •串行接口：RS-232、IEEE1394、USB •无线接口：红外线、蓝牙、IEEE802.11、GPRS、CDMA • I/O接口的数据交换方式 – DMA、查询、中断 使用芯片内部总线把接口集成在嵌入式 处理器内部，或者应用各种扩展方法在 处理器外部以接口芯片的形式出现 5.1 外围设备 5.1.1 输入设备：小型键盘、触摸屏 5.1.2 输出设备：LED、LCD 5.1.3 扩充设备：PCMCIA、CF、SD、MS 5.1.4 便携式嵌入式系统的电源 1.智能型电源管理设备 2.智能型电池 输入设备 • 输入设备用来将外部信息输入主机，一般是将用户（或广义的 应用环境）所提供的原始信息，转换为计算机所能识别的二进 制代码 – 符号信息，如字符、数字代码等。

– 非符号信息，如图形、图像、声音、物理信号等 • 输入设备往往需要具备信息转换功能与数据传送功能 • 常见的输入设备 – 键盘、穿孔输入设备、数据录入站、图形数字化仪、字符 输入与识别装置、语音输入与识别装置、光笔、鼠标、跟 踪球、操纵杆等 输入设备（常见的输入设备） • 键盘能将击键动作转换成字符代码，然后输入计算机 • 穿孔输入设备用有孔、无孔表示1 、0 • 数字化仪能输入像点的绝对坐标值，从而将图形转换为二进制 代码 • 光笔、鼠标、跟踪球、操纵杆等输入坐标相对移动值来操纵显 示器光标移动 • 扫描仪、摄像机等可将图像信息转换为像点代码，从而输入图 像 • 音频信号采集装置能将声音信号转换为数字信号，再通过模拟 量/数字量（A/D）转换，输入计算机 键帽 恢复弹簧 键杆 键块 触点 磁铁 密封玻管 薄膜 衬垫 基底 直接作用式机械键干簧管间接作用式 薄膜式短行程触摸键 接触式按键的基本结构 从结构上可以分为两类：接触式、非接触式 从按键操作方式上可以分为两类：机械动作式、触摸式 阅读：键的结构 阅读：非接触式键 • 非接触式键将击键动作引起的其他物理量变化间接转换为电信 号，以避开接触式键存在的触点导通可靠性问题。

• 常用的非接触式键 – ①电容式 – ②感应式 •感应式键是真正的无行程触摸键 •常见的有静电感应式、压感式、光遮断式等 §静电感应式键有一个裸露的金属板，当手指接触它时，人体所带的静电 或感应所产生的交流电信号，通过它传给放大器放大，产生按键信号 易受电磁场干扰 §压感式键一般由一块压电陶瓷构成，当它受到外界压力时，会变形并产 生感应电势 小型键盘 键盘与键盘控制器电路工作原理示意 16个按键输入分别接到键盘控制器的4条行输出X0~X3和4条列输 入Y0~Y3上，构成矩阵键盘，以节省占用的控制器I/O端口资源 小型键盘的工作过程/原理 • 当键盘按键按下时，某一行与某一列的输入电路之间形成通路 ，因此可由输入的引脚信号变化得知哪一个按键被按下，按键 的值将存储在键盘控制器的寄存器中 • 一般由键盘控制器内部自动完成按键的输入扫描、译码和去抖 动处理功能 • 当键盘控制器检测到矩阵键盘中有按键被按下时，键盘控制器 的Key引脚将由低电平变为高电平，并一直保持到按键值被读 取为止 • 嵌入式处理器从Key引脚得知目前有按键被按下时，将键盘控 制器的CS引脚设为低电平，存储在键盘控制器的寄存器中的 按键值将从键盘控制器的DIO引脚依次输出给嵌入式处理器。

• 当所有按键数值传送完毕后，Key重新变为低电平 键盘控制器的工作方式 • 键盘控制器通知嵌入式处理器按键消息的工作方式 – 轮询（Polling）方式 •由处理器每隔一段时间检测键盘控制器的Key引脚是否为高电平，若 是高电平则表示有按键被按下 – 中断（Interrupt）方式 •由Key引脚直接发出中断请求信号给处理器，处理器因为中断信号触 发得知目前有按键被按下 矩阵扫描式键盘构成 行 驱 动 L0 L1 L2 L3 Vcc 列输入缓冲 C0C1C2C3 阅读：扫描式键盘 通过行驱动电路，使各行线L0~Ln依次 为0（每次一根行线为0）每当某行为 0时，就读回各列线状态C0~Cm， 判断 出各键的通断状态 同时按下两个以上的键时，也 能通过一遍扫描识别出来 当Li=0，Cj=0时，说明第i行 、第j列的键被按下，此时可 获得该键的位置码(i，j) 阅读：非扫描式键盘 • 当无任何键按下时，所有输入线均为1；当按下某个键时，其 对应输入线变为0，通过与非门产生中断请求IRQCPU 响应 后，在中断处理程序中将各个输入寄存器的内容取回，判断是 哪个键或哪几个键被按下，其程序结构非常简单。

• 非扫描式键盘的结构比较简单，速度快，但当键数较多时，硬 件代价高，因此适用于键数较少的场合 地址译码 控制逻辑 IRQ 驱动器 输入寄存器输入寄存器 系统总线   非扫描式键盘及其中断接口结构逻辑框图 • 直接连接式非扫描式键盘 直接将各键的输出送往键 盘接口的输入寄存器 触摸屏 • 传统的用户输入设备（如鼠标、标准键盘等）体积大，不符合 可携式嵌入设备所强调的轻薄短小特性要求 • 通过在液晶屏上叠加一片触摸屏，用户可在液晶屏上用触控笔 或手指头直接点选按键或输入文字，因此触摸屏在嵌入式系统 中已经得到广泛应用 触摸屏的种类 1. 电容式 2. 电阻式 3. 表面声波式 4. XGT（Extreme Glass Technology）式 电容式触摸屏的工作原理 • 电容式触摸屏利用人体的电流感应进行工作 – 用户触摸屏幕时，由于人体电场，用户和触摸屏表面形成 一个耦合电容 – 对于高频电流而言，电容是直接导体，于是手指从接触点 吸走很小的电流这个电流会从触摸屏的四个角上的电极 中流出，并且流经电极的电流与手指到四个角的距离成正 比，控制器通过对这四个电流比例的精确计算，得出触摸 点的位置。

电容式触摸屏的特点 1. 对大多数环境污染物有抵抗力 2. 人体成为电流回路的一部分，因而漂移现象比较严重 3. 人体戴手套后不起作用 4. 需经常校正 5. 不适用于金属机柜 6. 外界存在电感或磁感的时候，触摸屏失灵 电阻式触摸屏工作原理 电阻式触摸屏有两层透明导电薄膜，薄膜间保持一定的间隔， 且上层薄膜具可伸缩性当上层薄膜受到外力施压时，上层薄 膜会触碰到下层薄膜，这样造成上下电极导通 利用三维空间的电压计测量 面板上不同位置的电平差， 由此决定面板哪个位置受到 外力施压 电阻式触摸屏的特点 1. 高解析度，高速传输反应 2. 做过表面硬度处理，减少擦伤、刮伤及防化学处理 3. 具有光面及雾面处理 4. 一次校正，稳定性高，永不漂移 表面声波式触摸屏 • 表面声波式触摸屏利用声波在物体的表面进行传输当有物体 触摸到表面时，阻碍声波的传输，换能器侦测到这个变化，反 映给计算机，进而进行鼠标的模拟 • 表面声波式触摸屏的特点 – 清晰度高，透光性好 – 高度耐久，抗刮伤性良好 – 一次校正永不漂移 – 需要经常维护，适合于环境比较清洁的场所 •因为灰尘、油污甚至饮料的液体玷污在屏的表面，都会阻塞触摸屏 表面的导波槽，使声波不能正常反射，或使波形改变而控制器无法 正常识别。

XGT式触摸屏 • XGT式触摸屏采用纯玻璃面板，与透明导电薄膜相比，透光 率提高了15%左右使用XGT时，将电压连到玻璃基板的四 个角落，此时玻璃基板会产生一个电场在输入数据时，通过 特殊的有线触控笔去触控输入，其他实体触碰不会有反应，触 控笔所触碰的位置可以通过电场的变化得知 • XGT式触摸屏的特点 – XGT结合了电阻式和表面声波式触摸屏的优点 – 平均使用寿命大概是前类产品的100倍 – 防水、防火、防尘、防刮、抗菌 – 可以应用在高温、低温以及环境恶劣的状况下 触摸屏与LCD的配合 • 一般触摸屏将触摸时的X、Y方向的电压值传到A/D转换口， 经过A/D转换后的X、Y值仅是对当前触摸点的电压值的A/D转 换值但它不具有实用价值，因为这个值的大小不但与触摸屏 的分辨率有关，而且与触摸屏与LCD贴合的情况有关 • LCD分辨率与触摸屏的分辨率一般不同，坐标系也不一样， 因此，如果想得到在LCD坐标系中的触摸屏位置值，还需要 在程序中进行转换 输出设备 发光二极管 Light-Emitting-Diode，LED 液晶显示器 Liquid Crystal Display，LCD … 半导体发光器件 • 半导体发光部件被广泛应用于各种电子仪器和电子设备中，可 作为电源指示灯、电平指示、工作状态显示或微光源之用。

– 红外发光管常被用于电视机、录像机等的遥控器中 – 红绿双色发光管用于指示PC或笔记本电脑中的硬盘工作状 态 • 数码管、符号管、米字管及点阵显示屏（矩阵管）中的每个发 光单元均为发光二极管（Light-Emitting-Diode，LED） LED • 基本结构 – 发光二极管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物（如砷化镓、磷化嫁、磷砷 化镓）等半导体制成的，核心是一个PN结 • 工作原理 – LED具有一般P-N结的正向导通、反向截止/击穿的特性 具有发光特性，在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴 由P区注入N区，进入对方区域的少数载流子（少子）一部 分与多数载流子（多子）复合而发光 • LED的优点 – 耗电少、成本低、配置简单灵活、安装方便、耐振动、寿 命长、… LED的类型 • 按发光管发光颜色，LED可分为红色、橙色、绿色、蓝色等 ，有的发光二极管中包含两种或三种颜色的芯片 • 根据发光二极管出光处是否掺散射剂、有色、无色，上述各种 颜色的发光二极管还可分成有色透明、无色透明、有色散射和 无色散射 • 按发光管出光面特征，LED分为圆灯、方灯、矩形、面发光 管、侧向管、表面安装用微型管等。

• 按发光角度分，LED分为高指向型、标准型和散射型 • 按发光二极管的结构分，LED分为全环氧包封、金属底座环 氧封装、陶瓷底座环氧封装及玻璃封装等 发光二极管的性能：颜色、尺寸、形状、发光强度及透明情况 七段数码管结构原理 •基本的数码管由7段条状发光二极管按“日”字型排列而成，可实现数字0~9 、部分字母和小数点的显示 •发光段电极的连接方式 –共阴极方式：各段发光管的阴极是公共的，而阳极是互相隔离的 –共阳极方式：各段发光管的阳极是公共的，而阴极互相隔离 •一般地，共阴极接法不需外接电阻，共阳极接法必须外接电阻 管脚配制外形图 共阴极连接 共阳极连接 共阴极7段LED显示字型编码 说明：共阴极LED，被选中的段为高电平有效，熄灭的段码为00H；共阳极 LED，选中的段为低电平有效，熄灭的段码为FFH 数码管的驱动 • 控制数码管驱动级的控制电路（也称为驱动电路） – 静态驱动 •每个数码管各用一个并口驱动 – 动态驱动 •当多个数码管需要同时显示时，为简化电路和降低成本，采用动态 驱动方式，即对所有数码管使用一个专门的并口进行驱动各数码 管分时轮流选通受控显示，当轮询扫描速度足够快时，利用人眼的 视觉暂留现象，显示的数字将不会产生闪烁现象，显示效果与静态 驱动基本相同。

•动态驱动方式的数码管接口电路中不宜接太多的数码管，一般在8个 以内个数较多时，应采取措施增加驱动能力，以提高显示亮度 米字管、符号管 • 米字管可以显示包括英文字母在内的多种符号 • 符号管主要用来显示+、-或±号等 • 米字管、符号管的结构原理与7段数码管类似，因此驱动方式 也基本相同，只是字符的编码方式与7段数码管不同 点阵显示屏原。