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嵌入式系统,第十讲 外部设备及通信接口,西安电子科技大学计算机学院,2,本节内容,GPIO LED 键盘 显示接口 触摸屏 ADC DAC,SPI I2C USB UART Ethernet CAN,西安电子科技大学计算机学院,3,GPIO,I/O（Input/Output）接口是一个微控制器必须具备的最基本的外设功能 GPIO： 英文全称为General-Purpose I/O ports，也就是通用I/O口，是I/O的最基本形式 GPIO的另一术语称其为并行I/O（但不同于PC机的并口） 每个I/O口一般都对应了两个寄存器 数据寄存器：数据寄存器的各位都直接引到芯片外部 控制寄存器：控制数据寄存器中每位的信号流通方向和方式西安电子科技大学计算机学院,4,GPIO的应用,GPIO的形式多样，因具体CPU不同而不同 如：有些内部上拉、推挽；有些有高阻状态 主要用于简单外部电路控制 GPIO数量越多，控制能力越强 ARM处理器将GPIO映射成了内存地址（统一编址） 对GPIO的读写不同于内存，不能缓冲 硬件设计需要考虑I/O的驱动能力,西安电子科技大学计算机学院,5,西安电子科技大学计算机学院,6,西安电子科技大学计算机学院,7,PXA270-GPIO框图,西安电子科技大学计算机学院,8,GPIO应用示例,LED 最简单的输出形式 多用于状态显示 键盘 最简单的输入形式,西安电子科技大学计算机学院,9,LED应用示例,西安电子科技大学计算机学院,10,键盘,键盘的分类 线性键盘：由若干个独立的按键组成，每个按键的一端与处理器的一个I/O口相连。

矩阵键盘：该类键盘按N行M列排列，每个键占据行列的一个交点；减少了连线 旋转编码器：能标识左转、右转（2个I/O口），有的器件可带一个按键 按矩阵键盘识键、译键方法 非编码键盘：用软件方法识键、译键 编码键盘：用硬件的方法实现键的扫描和识别，常用专门的芯片完成西安电子科技大学计算机学院,11,键盘的按键,机械式按键 由两个金属片和复位弹簧组成 容易产生抖动，金属片易氧化 电容式按键 由一可活动金属片改变电容量来构成 无机械触点，无氧化变脏问题 薄膜式按键 一种特殊的机械开关，可以做成很薄的密封单元 霍耳效应按键 利用霍尔效应，无机械触点，密封好，价格高,西安电子科技大学计算机学院,12,常用的矩阵键盘接口,嵌入式系统中常见键盘形式是非编码的矩阵键盘 常见的矩阵键盘扫描方法有： 行扫描法：使某一行为低电平，其余行为高；然后读取列值，如果有某位为低，则该行、列交汇处的键被按下；否则扫描下一行 行反转法：使行全部输出低电平，读列线；若有按键按下，必有某一列为低；再使列全部输出低电平，读行线；同理可读到某一行为低；由此可确定该键西安电子科技大学计算机学院,13,矩阵键盘示例,西安电子科技大学计算机学院,14,旋转编码器示例,西安电子科技大学计算机学院,15,显示接口,液晶显示器（Liquid Crystal Display） LCD具有省电、体积小、低成本、低功率等特点，被广泛应用于嵌入式系统中 液晶：以液态形式存在的晶体 有电流流过，液晶分子会以电流的方向进行排列；没有电流时，平行排列。

如果提供带有细小沟槽的外层，液晶会顺着槽排列 液晶能使光线发生扭转,西安电子科技大学计算机学院,16,液晶显示原理,液晶的这些特点使得它可以被用来当作一种开关 液晶单元的底层是由细小的脊构成的，这些脊的作用是让分子呈平行排列，上表面也是如此，在这两侧之间的分子平行排列；不过当上下两个表面之间呈一定的角度时，液晶成了随着两个不同方向的表面进行排列，就会发生扭曲 结果便是这个扭曲了的螺旋层使通过的光线也发生扭曲西安电子科技大学计算机学院,17,光线穿过示意图,不加电时，扭曲的液晶螺旋层使通过的光线也发生扭曲，光线穿过偏振滤光器而穿出西安电子科技大学计算机学院,18,光线阻断示意图,加电时，所有分子按照电流方向进行排列，光线不再扭转而被偏振滤光器阻断西安电子科技大学计算机学院,19,LCD显示器原理,LCD的基本原理就是通过给不同的液晶单元供电，控制其光线的通过与否而达到显示的目的 LCD显示器中，显示面板薄膜被分成很多小栅格（像素），每个栅格由一个电极控制 彩色LCD面板中，每个像素都是由3格液晶单元构成，每个单元格前面都分别有红色、绿色或蓝色的过滤片进行三原色滤光西安电子科技大学计算机学院,20,LCD的光源,液晶显示器是一种被动光源的显示器，自身不能发光，只能借助外界光源。

根据光源形式有： 透射式：LCD屏后有一个光源，外界可以不需要光源笔记本电脑的LCD一般为透射式 反射式：需要外界提供光源，靠反射光来工作一些简单控制器上的单色显示西安电子科技大学计算机学院,21,LCD种类,TN（扭曲向列） 最早商用的LCD，液晶可以扭转90º，以小尺寸黑白文字显示为主 STN（超扭曲向列）（无源阵列） 通过改变液晶材料的化学成分，使液晶分子发生不止一次扭转，可以扭转180º，甚至210º、270º等，从而大大改善了画面的显示品质 分辨率不高，变暗像素会对周边像素产生影响，早期的灰阶屏多采用STN TFT（薄膜晶体管）（有源阵列） 多了一层薄膜晶体管阵列，每个像素对应一个薄膜晶体管，这样各个单元相对独立，可迅速控制，干扰小，可使用大电流，因而可提供更好的对比度和亮度 反应快、品质佳，适用于大型动画显示，应用领域广泛 功耗较大西安电子科技大学计算机学院,22,LCD设计方法,LCD的接口多种多样，分类很细 带有驱动电路的LCD显示模块 常常使用总线方式来驱动 可方便的与各种低档控制器进行接口 由于驱动电路的存在，体积较大 不带驱动电路的LCD显示模块 需要与驱动电路配合使用 体积小，轻便 可与带有LCD控制器的高档微处理器直接接口 还有一些显示模块带有字库,西安电子科技大学计算机学院,23,其它显示接口,发光二极管 常作状态显示 发光二极管阵列 数码管 七段发光管 其它发光管模块 VGA接口（Video Graphic Array） 模拟接口 由R、G、B三基色信号；HS，行同步信号；VS场同步信号组成。

西安电子科技大学计算机学院,24,触摸屏,触摸屏由触摸检测部件和触摸屏控制器组成 触摸检测部件安装在显示器屏幕前面，用于检测用户触摸位置，接受后送触摸屏控制器； 触摸屏控制器的主要作用是从触摸点检测装置上接收触摸信息，并将它转换成触点坐标，再送给CPU CPU根据显示屏上对应坐标点的显示内容或图标获知用户意图西安电子科技大学计算机学院,25,触摸屏的主要类型,按照触摸屏的工作原理和传输信息的介质，我们把触摸屏分为四种： 电阻式：利用压力感应进行控制 电容感应式：利用人体的电流感应进行工作 红外线式：利用X、Y方向上密布的红外线矩阵来检测并定位用户的触摸 表面声波式 ： 表面声波是超声波的一种，在介质(例如玻璃或金属等刚性材料)表面浅层传播的机械能量波 通过两个方向上声波能量缺口来定位，并可检测压力,西安电子科技大学计算机学院,26,电阻式触摸屏,电阻触摸屏的主要部分是一块与显示器表面密切结合的电阻薄膜屏 以一层玻璃或硬塑料平板作为基层，表面涂有一层透明氧化金属导电层 上面再盖有一层外表面硬化处理、光滑防刮的塑料层，它的内表面也涂有一层导电涂层，在他们之间有许多细小的（小于1/1000英寸）的透明隔离点把两层导电层隔开绝缘。

西安电子科技大学计算机学院,27,,手指触摸屏幕时，两层导电层在触摸点位置就有了接触，电阻发生变化 在X和Y两个方向上产生的信号经A/D转换后送触摸屏控制器计算出（X，Y）的位置 电阻类触摸屏的关键在于材料科技 西安电子科技大学计算机学院,28,,西安电子科技大学计算机学院,29,,西安电子科技大学计算机学院,30,,西安电子科技大学计算机学院,31,模/数、数/模转换器,我们处在一个数字时代，而我们的视觉、听觉、感觉、嗅觉等所感知的却是一个模拟世界如何将数字世界与模拟世界联系在一起，这正是模拟数字转换器(ADC)和数字模拟转换器(DAC)的作用西安电子科技大学计算机学院,32,ADC,所谓模/数转换器就是把电模拟量转换成数字量的电路 传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用（电）信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成 A/D转换的方法 计数式（并行） 双积分式 逐次逼近式,西安电子科技大学计算机学院,33,DAC,D/A转换器的功能 将数字量转换成模拟量 D/A转换器的原理 可以归纳为“按权展开，然后相加” 因此，D/A转换器内部必须要有一个解码网络，以实现按权值分别进行D/A转换。

解码网络通常有两种： 二进制加权电阻网络 T型电阻网络西安电子科技大学计算机学院,34,ADC、DAC的应用,性能参数 分辨率（位数 ） 绝对精度 建立时间 线性度 注意事项 根据应用需求选择性能参数满足要求的芯片 尽量利用控制器内置的转换模块 调理电路确保ADC输入电压在可转换范围以内,西安电子科技大学计算机学院,35,SPI,串行外围设备接口（Serial Peripheral Interface） 由Motorola公司开发 是一种高速的，全双工，同步的串行通信总线 用来在微控制器和外围芯片之间提供一个低成本、易使用的接口 SPI是同步协议接口 不同于UART接口（异步串行接口）,西安电子科技大学计算机学院,36,,SPI接口是以主从方式工作的，这种模式通常有一个主器件和一个或多个从器件，其接口包括以下四种信号： MOSI – 主器件数据输出、从器件数据输入 MISO – 主器件数据输入、从器件数据输出 SCLK – 时钟信号，由主器件产生 /SS – 从器件使能信号，由主器件控制,西安电子科技大学计算机学院,37,,在点对点的通信中，SPI接口不需要进行寻址操作，且为全双工通信，显得简单高效,西安电子科技大学计算机学院,38,,在多个从器件的系统中，每个从器件需要独立的使能信号,西安电子科技大学计算机学院,39,,SPI接口的内部硬件实际上是两个简单的移位寄存器，传输的数据为8位，在主器件产生的从器件使能信号和移位脉冲下按位传输，高位在前，低位在后,西安电子科技大学计算机学院,40,设计示例,西安电子科技大学计算机学院,41,I2C,I2C(Inter－Integrated Circuit)总线 由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。

I2C总线特点 简单的2线，占用空间小 能够以100Kbps的最大传输速率支持40个组件 支持多主控(multimastering)， 其中任何能够进行发送和接收的设备都可以成为主总线 ，但在任何时间点上只能有一个主控 双向传输，与公共时钟同步 两根线都是开漏的（open-drain），连接方便,西安电子科技大学计算机学院,42,,西安电子科技大学计算机学院,43,I2C总线工作原理,I2C总线是由数据线SDA和时钟SCL构成的串行总线，可发送和接收数据 在CPU与被控IC之间、IC与IC之间进行双向传送，最高传送速率100kbps 各种被控制电路均并联在这条总线上 ，每个电路和模块都有唯一的地址 注： I2C速度由100Kbps全面提升到400K，1M和3.4M西安电子科技大学计算机学院,44,,西安电子科技大学计算机学院,45,I2C总线传送的信号类型,开始信号：SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，开始传送数据 结束信号：SCL为高电平时，SDA由低电平向高电平跳变，结束传送数据 应答信号：接收数据的IC在接收到8bit数据后，向发送数据的IC发出特定的低电平脉冲，表示已收到数据。

CPU向受控单元发出一个信号后，等待受控单元发出一个应答信号，CPU接收到应答信号后，根据实际情况作出是否继续传递信号的判断若未收到应答信号，则判断为受控单元出现故障。