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1、嵌入式系统第十讲第十讲外部设备及通信接口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 3GPIO 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：q 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。q 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q 数据寄存器：数据寄存器的各位都直接引到
2、芯片外部。q 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 4GPIO的应用 GPIO 的形式多样，因具体CPU 不同而不同。q 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 7PXA270-GPIO框图西安电子科技大学计算机学院 8GPIO应用示例 LEDq 最简单的输出形式q 多用于状态
3、显示 键盘q 最简单的输入形式西安电子科技大学计算机学院 9LED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q 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。q 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。q 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q 非编码键盘：用软件方法识键、译键。q 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 1 1键盘的按键 机械式按键q 由两个金属片和复位弹簧组成q 容易产生抖动，金属片易氧
4、化 电容式按键q 由一可活动金属片改变电容量来构成q 无机械触点，无氧化变脏问题 薄膜式按键q 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q 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：q 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。q 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
5、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（LiquidCrystalDisplay）q 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q 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。q 如果提供带有细小沟槽的外层，液晶会顺着槽排列。q 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
6、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 19LCD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
7、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 20LCD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：q 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q 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 21LCD种类 TN（扭曲向列）q 最早商用的LCD，液晶可以扭转90，以小尺寸黑白文字显示为主。STN（超扭曲向列）（无源阵列）q 通过改变液晶材料的化学成分，使
8、液晶分子发生不止一次扭转，可以扭转180，甚至210、270 等，从而大大改善了画面的显示品质。q 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）q 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。q 反应快、品质佳，适用于大型动画显示，应用领域广泛q 功耗较大。西安电子科技大学计算机学院 22LCD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q 常常使用总线方式来驱动q 可方便的与各种低档控制器进行接口q 由于驱动电路的
9、存在，体积较大 不带驱动电路的LCD 显示模块q 需要与驱动电路配合使用q 体积小，轻便q 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q 常作状态显示q 发光二极管阵列 数码管q 七段发光管q 其它发光管模块 VGA 接口（VideoGraphicArray）q 模拟接口q 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q 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；q 触摸屏控制器的
10、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。q 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：q 电阻式：利用压力感应进行控制。q 电容感应式：利用人体的电流感应进行工作。q 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。q 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
11、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
12、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 32ADC 所谓模/数转换器就是把电模拟量转换成数字量的电路q 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q 计数式（并行）q 双积分式q 逐次逼近式西安电子科技大学计算机学院 33DAC D/A 转换器的功能q 将数字量转换成模拟量 D/A 转换器的原理q 可以
13、归纳为“按权展开，然后相加”。q 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：q 二进制加权电阻网络q T 型电阻网络。西安电子科技大学计算机学院 34ADC、DAC的应用 性能参数q 分辨率（位数）q 绝对精度q 建立时间q 线性度 注意事项q 根据应用需求选择性能参数满足要求的芯片q 尽量利用控制器内置的转换模块q 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 35SPI 串行外围设备接口（SerialPeripheralInterface）q 由Motorola 公司开发q 是一种高速的，全双工，同步的串行
14、通信总线 q 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q 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：q MOSI 主器件数据输出、从器件数据输入q MISO 主器件数据输入、从器件数据输出q SCLK 时钟信号，由主器件产生q/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
15、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 41I2C I2C(Inter IntegratedCircuit)总线q 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q 简单的2线，占用空间小q 能够以100Kbps 的最大传输速率支持40个组件 q 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
16、成为主总线，但在任何时间点上只能有一个主控。q 双向传输，与公共时钟同步q 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 43I2C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 45I2C总线传送的信号类型
17、 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。q 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。西安电子科技大学计算机学院 46西安电子科技大学计算机学院 47设计示例西安电子科技大学计算机学院 48USB 通用串行总线（UniversalSerialBus）
18、q 由Intel 等厂商制定的连接计算机与具有USB 接口的多种外设之间通信的串行总线 目前最为流行的计算机外设接口总线形式 越来越多的嵌入式系统采用西安电子科技大学计算机学院 49主要性能特点 使用简单，支持热插拔 节省系统资源，整个的USB 的系统只有一个端口和一个中断。连接方便，采用“级联”方式可连接多个外部设备（最多可达7层，127个）。应用范围广，支持四种传输速率，设备带宽可从几Kbps 到几Mbps 甚至几Gbps，可适应不同速率的设备 为了适应各种不同类型外围设备的要求USB 提供了四种不同的数据传输类型。总线供电，USB 总线可为连接在其上的设备提供电压，设备也可以自供电。西安
19、电子科技大学计算机学院 50西安电子科技大学计算机学院 51传输速率 低速q 1.5Mbps 全速q 12Mbps 高速q 480Mbps 超速（SuperspeedUSB）q 5.0Gbps USB1.1 实现了低速和全速 USB2.0 在1.1的基础上实现了高速传输 USB3.0 支持超速传输西安电子科技大学计算机学院 52USB系统 USB 主机q 任一USB 系统中只有一个主机，它负责管理整个USB 系统包括USB Device 的连接与删除，Host 与USB Device 的通信路线的控制等。USB 设备q Hub（集线器）：提供到USB 的附加连接点q Function（功能）：
20、为主机系统提供附加性能 USB 互联q USB 设备与主机的连接和通信方式，包括总线拓扑结构、内层关系、数据流模型和USB 调度表西安电子科技大学计算机学院 53USB传输方式 控制传输q 控制传输是双向传输，数据量通常较小。q USB 系统软件主要用来进行查询、配置和给USB 设备发送通用的命令 同步传输q 同步传输提供了确定的带宽和间隔时间（latency）。q 它被用于时间严格并具有较强容错性的流数据传输，或者用于要求恒定的数据传输率的即时应用中。中断传输q 中断方式传输主要用于定时查询设备是否有中断数据要传输。q 设备端点模式器的结构决定了它的查询频率，从1到255ms 之间。q 这种
21、传输方式典型的应用在少量的、分散的、不可预测数据的传输。块传输q 块传输主要应用在需要大量传输和接收数据，同时又没有带宽和间隔时间要求的情况下保证传输。设计示例西安电子科技大学计算机学院 54西安电子科技大学计算机学院 55UART UART（通用异步收发器）是用硬件实现异步串行通信的通信接口电路q UART 是嵌入式系统最常用的接口，可用来与上位机或其它外部设备进行数据通信q UART 允许在串行链路上进行全双工的通信，其定义了一个串行发送引脚（TXD）和一个串行接收引脚（RXD），可以在同一时刻发送和接收数据q 输出/输入的电平为TTL 电平 工业标准的UART，如16C500q 此类UA
22、RT 芯片内部集成了可编程的波特率发生器、发送/接收FIFO、处理器中断系统和各种总线状态错误检测电路等，一般具有完全的MODEM 控制能力。西安电子科技大学计算机学院 56RS-232 RS-232 是美国电子工业协会（EIA）制定的串行通讯标准，又称RS-232-C。RS-232 是一个全双工的通讯标准，它可以同时进行数据接收和发送的工作。RS-232 对电器特性、逻辑电平和各种信号线功能都作了规定。在TxD 和RxD 上：q 逻辑1(MARK)=-3V-15Vq 逻辑0(SPACE)=+3+15V 在RTS、CTS、DSR、DTR 和DCD 等控制线上：q 信号有效（接通，ON状态，正电
23、压）+3V+15Vq 信号无效（断开，OFF状态，负电压)=-3V-15V西安电子科技大学计算机学院 57TTL RS232转换芯片西安电子科技大学计算机学院 58计算机串口通信常用连接西安电子科技大学计算机学院 59其它串口通信 RS-422q 由RS-232 发展而来q 差分传输q 将传输速率提高到10Mbps（RS-232 在1M 以下）q 单发多收，最多可连接10个接收器 RS-485q 在RS-422 的基础上定制了RS-485q 具有多点、双向通信能力，最多可接32个接收器q 通信距离长，可达千米以外西安电子科技大学计算机学院 60以太网 以太网（Ethernet）协议已经非常广泛
24、地应用于各种计算机网络 嵌入式Internet 的应用越来越得到人们的重视 以太网是嵌入式系统接入Internet 最简便的方式西安电子科技大学计算机学院 61嵌入式以太网接口的实现 嵌入式处理器网卡芯片q 只需把特定的以太网芯片连接到嵌入式处理器的总线上q 通用性强，不受处理器的限制。q 速度慢，可靠性不够高，电路板走线复杂 带有以太网接口的嵌入式处理器q 要求嵌入式处理器有通用的网络接口（MII 接口）q 这种处理器通常是面向网络应用设计的q 处理器和网络数据的交换通过内部总线，速度较快西安电子科技大学计算机学院 62TCP/IP协议 应用层q BSD 套接字 传输层q TCP、UDP 网
25、络层q IP、ARP、ICMP、IGMP 数据链路层q IEEE802.3 Ethernet MAC 物理层注：带有以太网接口的处理器只含有MAC 层网卡西安电子科技大学计算机学院 63以太网接口组成嵌入式处理器以太网芯片以太网隔离器RJ45接口西安电子科技大学计算机学院 64设计示例西安电子科技大学计算机学院 65CAN 控制器局域网CAN(ControllerAreaNet)q 一种现场总线，最初被用于汽车环境中的微控制器通信，目前主要用于各种过程检测及控制 CAN 总线的特点q 1、CAN 可以是对等结构，即多主机工作方式，网络上任意一个节点可以在任意时刻主动地向网络上其它节点发送信息，
26、不分主从，通讯方式灵活。q 2、CAN 网络上的节点可以分为不同的优先级，满足不同的实时需要。西安电子科技大学计算机学院 66 3、CAN 采用非破坏性仲裁技术，当两个节点同时向网络上传送信息时，优先级低的节点自动停止发送，在网络负载很重的情况下不会出现网络瘫痪。4、CAN 可以按照点对点、点对多点、点对网络的方式发送和接收数据，通讯距离最远10km(5kb/s)，节点数目可达110 个。5、CAN 采用的是短帧结构，每一帧的有效字节数为8个，具有CRC 校验和其它检测措施，数据出错几率小。CAN 节点在错误严重的情况下，具有自动关闭功能，不会影响总线上其它节点操作。6、通讯介质采用廉价的双绞
27、线，无特殊要求，用户接口简单，容易构成用户系统。西安电子科技大学计算机学院 67扩展CAN总线接口 处理器集成控制器q CAN 总线是通用的现场总线标准，一些面向工业控制的处理器本身就集成了一个或多个CAN总线控制器（如：hms30c7202、LPC2294 等）q CAN 总线控制器主要完成时序逻辑转换等工作，电气上还需要另外的转换芯片，称为CAN 收发器，也叫CAN 总线物理层芯片 处理器CAN 总线接口芯片q 多数嵌入式处理器不带CAN 总线控制器，需要在处理器的外部总线上进行扩展（如SJA1000）西安电子科技大学计算机学院 68PCA82C250 为CAN 收发器设计示例西安电子科技大学计算机学院 69其它常见外设及接口 外部设备q SDq SIM 外设接口q I2S（数字音频处理）q IEEE1394（火线）通信接口q 红外q 蓝牙q 无线以太网q GPRS西安电子科技大学计算机学院 70谢谢！人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。