嵌入式系統(tǒng)10(外部設備及通信接口)課件

嵌入式系統(tǒng)第十講外部設備及通信接口嵌入式系統(tǒng)第十講西安電子科技大學計算機學院2本節(jié)內容GPIOLED鍵盤顯示接口觸摸屏ADCDACSPII2CUSBUARTEthernetCAN西安電子科技大學計算機學院2本節(jié)內容GPIOSPI西安電子科技大學計算機學院3GPIOI/O（Input/Output）接口是一個微控制器必須具備的最基本的外設功能。GPIO：英文全稱為General-PurposeI/Oports，也就是通用I/O口，是I/O的最基本形式。GPIO的另一術語稱其為并行I/O（但不同于PC機的并口）。每個I/O口一般都對應了兩個寄存器數(shù)據(jù)寄存器：數(shù)據(jù)寄存器的各位都直接引到芯片外部?？刂萍拇嫫鳎嚎刂茢?shù)據(jù)寄存器中每位的信號流通方向和方式。西安電子科技大學計算機學院3GPIOI/O（Input/Ou西安電子科技大學計算機學院4GPIO的應用GPIO的形式多樣，因具體CPU不同而不同。如：有些內部上拉、推挽；有些有高阻狀態(tài)主要用于簡單外部電路控制GPIO數(shù)量越多，控制能力越強ARM處理器將GPIO映射成了內存地址（統(tǒng)一編址）。對GPIO的讀寫不同于內存，不能緩沖硬件設計需要考慮I/O的驅動能力西安電子科技大學計算機學院4GPIO的應用GPIO的形式多樣西安電子科技大學計算機學院5西安電子科技大學計算機學院5西安電子科技大學計算機學院6西安電子科技大學計算機學院6西安電子科技大學計算機學院7PXA270-GPIO框圖西安電子科技大學計算機學院7PXA270-GPIO框圖西安電子科技大學計算機學院8GPIO應用示例LED最簡單的輸出形式多用于狀態(tài)顯示鍵盤最簡單的輸入形式西安電子科技大學計算機學院8GPIO應用示例LED西安電子科技大學計算機學院9LED應用示例西安電子科技大學計算機學院9LED應用示例西安電子科技大學計算機學院10鍵盤鍵盤的分類線性鍵盤：由若干個獨立的按鍵組成，每個按鍵的一端與處理器的一個I/O口相連。矩陣鍵盤：該類鍵盤按N行M列排列，每個鍵占據(jù)行列的一個交點；減少了連線。旋轉編碼器：能標識左轉、右轉（2個I/O口），有的器件可帶一個按鍵。按矩陣鍵盤識鍵、譯鍵方法非編碼鍵盤：用軟件方法識鍵、譯鍵。編碼鍵盤：用硬件的方法實現(xiàn)鍵的掃描和識別，常用專門的芯片完成。西安電子科技大學計算機學院10鍵盤鍵盤的分類西安電子科技大學計算機學院11鍵盤的按鍵機械式按鍵由兩個金屬片和復位彈簧組成容易產生抖動，金屬片易氧化電容式按鍵由一可活動金屬片改變電容量來構成無機械觸點，無氧化變臟問題薄膜式按鍵一種特殊的機械開關，可以做成很薄的密封單元霍耳效應按鍵利用霍爾效應，無機械觸點，密封好，價格高西安電子科技大學計算機學院11鍵盤的按鍵機械式按鍵西安電子科技大學計算機學院12常用的矩陣鍵盤接口嵌入式系統(tǒng)中常見鍵盤形式是非編碼的矩陣鍵盤。常見的矩陣鍵盤掃描方法有：行掃描法：使某一行為低電平，其余行為高；然后讀取列值，如果有某位為低，則該行、列交匯處的鍵被按下；否則掃描下一行。行反轉法：使行全部輸出低電平，讀列線；若有按鍵按下，必有某一列為低；再使列全部輸出低電平，讀行線；同理可讀到某一行為低；由此可確定該鍵。西安電子科技大學計算機學院12常用的矩陣鍵盤接口嵌入式系統(tǒng)中西安電子科技大學計算機學院13矩陣鍵盤示例西安電子科技大學計算機學院13矩陣鍵盤示例西安電子科技大學計算機學院14旋轉編碼器示例西安電子科技大學計算機學院14旋轉編碼器示例西安電子科技大學計算機學院15顯示接口液晶顯示器（LiquidCrystalDisplay）LCD具有省電、體積小、低成本、低功率等特點，被廣泛應用于嵌入式系統(tǒng)中液晶：以液態(tài)形式存在的晶體有電流流過，液晶分子會以電流的方向進行排列；沒有電流時，平行排列。如果提供帶有細小溝槽的外層，液晶會順著槽排列。液晶能使光線發(fā)生扭轉西安電子科技大學計算機學院15顯示接口液晶顯示器（Liqui西安電子科技大學計算機學院16液晶顯示原理液晶的這些特點使得它可以被用來當作一種開關。液晶單元的底層是由細小的脊構成的，這些脊的作用是讓分子呈平行排列，上表面也是如此，在這兩側之間的分子平行排列；不過當上下兩個表面之間呈一定的角度時，液晶成了隨著兩個不同方向的表面進行排列，就會發(fā)生扭曲。結果便是這個扭曲了的螺旋層使通過的光線也發(fā)生扭曲。西安電子科技大學計算機學院16液晶顯示原理液晶的這些特點使得西安電子科技大學計算機學院17光線穿過示意圖不加電時，扭曲的液晶螺旋層使通過的光線也發(fā)生扭曲，光線穿過偏振濾光器而穿出。西安電子科技大學計算機學院17光線穿過示意圖不加電時，扭曲的西安電子科技大學計算機學院18光線阻斷示意圖加電時，所有分子按照電流方向進行排列，光線不再扭轉而被偏振濾光器阻斷。西安電子科技大學計算機學院18光線阻斷示意圖加電時，所有分子西安電子科技大學計算機學院19LCD顯示器原理LCD的基本原理就是通過給不同的液晶單元供電，控制其光線的通過與否而達到顯示的目的。LCD顯示器中，顯示面板薄膜被分成很多小柵格（像素），每個柵格由一個電極控制。彩色LCD面板中，每個像素都是由3格液晶單元構成，每個單元格前面都分別有紅色、綠色或藍色的過濾片進行三原色濾光。西安電子科技大學計算機學院19LCD顯示器原理LCD的基本原西安電子科技大學計算機學院20LCD的光源液晶顯示器是一種被動光源的顯示器，自身不能發(fā)光，只能借助外界光源。根據(jù)光源形式有：透射式：LCD屏后有一個光源，外界可以不需要光源。筆記本電腦的LCD一般為透射式反射式：需要外界提供光源，靠反射光來工作。一些簡單控制器上的單色顯示。西安電子科技大學計算機學院20LCD的光源液晶顯示器是一種被西安電子科技大學計算機學院21LCD種類TN（扭曲向列）最早商用的LCD，液晶可以扭轉90o，以小尺寸黑白文字顯示為主。STN（超扭曲向列）（無源陣列）通過改變液晶材料的化學成分，使液晶分子發(fā)生不止一次扭轉，可以扭轉180o，甚至210o、270o等，從而大大改善了畫面的顯示品質。分辨率不高，變暗像素會對周邊像素產生影響，早期的灰階屏多采用STN。TFT（薄膜晶體管）（有源陣列）多了一層薄膜晶體管陣列，每個像素對應一個薄膜晶體管，這樣各個單元相對獨立，可迅速控制，干擾小，可使用大電流，因而可提供更好的對比度和亮度。反應快、品質佳，適用于大型動畫顯示，應用領域廣泛功耗較大。西安電子科技大學計算機學院21LCD種類TN（扭曲向列）西安電子科技大學計算機學院22LCD設計方法LCD的接口多種多樣，分類很細。帶有驅動電路的LCD顯示模塊常常使用總線方式來驅動可方便的與各種低檔控制器進行接口由于驅動電路的存在，體積較大不帶驅動電路的LCD顯示模塊需要與驅動電路配合使用體積小，輕便可與帶有LCD控制器的高檔微處理器直接接口還有一些顯示模塊帶有字庫西安電子科技大學計算機學院22LCD設計方法LCD的接口多種西安電子科技大學計算機學院23其它顯示接口發(fā)光二極管常作狀態(tài)顯示發(fā)光二極管陣列數(shù)碼管七段發(fā)光管其它發(fā)光管模塊VGA接口（VideoGraphicArray）模擬接口由R、G、B三基色信號；HS，行同步信號；VS場同步信號組成。西安電子科技大學計算機學院23其它顯示接口發(fā)光二極管西安電子科技大學計算機學院24觸摸屏觸摸屏由觸摸檢測部件和觸摸屏控制器組成觸摸檢測部件安裝在顯示器屏幕前面，用于檢測用戶觸摸位置，接受后送觸摸屏控制器；觸摸屏控制器的主要作用是從觸摸點檢測裝置上接收觸摸信息，并將它轉換成觸點坐標，再送給CPU。CPU根據(jù)顯示屏上對應坐標點的顯示內容或圖標獲知用戶意圖。西安電子科技大學計算機學院24觸摸屏觸摸屏由觸摸檢測部件和觸西安電子科技大學計算機學院25觸摸屏的主要類型按照觸摸屏的工作原理和傳輸信息的介質，我們把觸摸屏分為四種：電阻式：利用壓力感應進行控制。電容感應式：利用人體的電流感應進行工作。紅外線式：利用X、Y方向上密布的紅外線矩陣來檢測并定位用戶的觸摸。表面聲波式：表面聲波是超聲波的一種，在介質(例如玻璃或金屬等剛性材料)表面淺層傳播的機械能量波。通過兩個方向上聲波能量缺口來定位，并可檢測壓力西安電子科技大學計算機學院25觸摸屏的主要類型按照觸摸屏的工西安電子科技大學計算機學院26電阻式觸摸屏電阻觸摸屏的主要部分是一塊與顯示器表面密切結合的電阻薄膜屏。以一層玻璃或硬塑料平板作為基層，表面涂有一層透明氧化金屬導電層上面再蓋有一層外表面硬化處理、光滑防刮的塑料層，它的內表面也涂有一層導電涂層，在他們之間有許多細小的（小于1/1000英寸）的透明隔離點把兩層導電層隔開絕緣。西安電子科技大學計算機學院26電阻式觸摸屏電阻觸摸屏的主要部西安電子科技大學計算機學院27手指觸摸屏幕時，兩層導電層在觸摸點位置就有了接觸，電阻發(fā)生變化。在X和Y兩個方向上產生的信號經A/D轉換后送觸摸屏控制器計算出（X，Y）的位置。電阻類觸摸屏的關鍵在于材料科技。西安電子科技大學計算機學院27手指觸摸屏幕時，兩層導電層在觸西安電子科技大學計算機學院28西安電子科技大學計算機學院28西安電子科技大學計算機學院29西安電子科技大學計算機學院29西安電子科技大學計算機學院30西安電子科技大學計算機學院30西安電子科技大學計算機學院31模/數(shù)、數(shù)/模轉換器我們處在一個數(shù)字時代，而我們的視覺、聽覺、感覺、嗅覺等所感知的卻是一個模擬世界。如何將數(shù)字世界與模擬世界聯(lián)系在一起，這正是模擬數(shù)字轉換器(ADC)和數(shù)字模擬轉換器(DAC)的作用。西安電子科技大學計算機學院31模/數(shù)、數(shù)/模轉換器我們處在一西安電子科技大學計算機學院32ADC所謂模/數(shù)轉換器就是把電模擬量轉換成數(shù)字量的電路傳感器是能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉換成可用（電）信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成A/D轉換的方法計數(shù)式（并行）雙積分式逐次逼近式西安電子科技大學計算機學院32ADC所謂模/數(shù)轉換器就是把電西安電子科技大學計算機學院33DACD/A轉換器的功能將數(shù)字量轉換成模擬量D/A轉換器的原理可以歸納為“按權展開，然后相加”。因此，D/A轉換器內部必須要有一個解碼網絡，以實現(xiàn)按權值分別進行D/A轉換。解碼網絡通常有兩種：二進制加權電阻網絡T型電阻網絡。西安電子科技大學計算機學院33DACD/A轉換器的功能西安電子科技大學計算機學院34ADC、DAC的應用性能參數(shù)分辨率（位數(shù)）絕對精度建立時間線性度注意事項根據(jù)應用需求選擇性能參數(shù)滿足要求的芯片盡量利用控制器內置的轉換模塊調理電路確保ADC輸入電壓在可轉換范圍以內西安電子科技大學計算機學院34ADC、DAC的應用性能參數(shù)西安電子科技大學計算機學院35SPI串行外圍設備接口（SerialPeripheralInterface）由Motorola公司開發(fā)是一種高速的，全雙工，同步的串行通信總線用來在微控制器和外圍芯片之間提供一個低成本、易使用的接口。SPI是同步協(xié)議接口不同于UART接口（異步串行接口）西安電子科技大學計算機學院35SPI串行外圍設備接口（Ser西安電子科技大學計算機學院36SPI接口是以主從方式工作的，這種模式通常有一個主器件和一個或多個從器件，其接口包括以下四種信號：MOSI–主器件數(shù)據(jù)輸出、從器件數(shù)據(jù)輸入MISO–主器件數(shù)據(jù)輸入、從器件數(shù)據(jù)輸出SCLK–時鐘信號，由主器件產生/SS

–從器件使能信號，由主器件控制西安電子科技大學計算機學院36SPI接口是以主從方式工作的，西安電子科技大學計算機學院37在點對點的通信中，SPI接口不需要進行尋址操作，且為全雙工通信，顯得簡單高效西安電子科技大學計算機學院37在點對點的通信中，SPI接口不西安電子科技大學計算機學院38在多個從器件的系統(tǒng)中，每個從器件需要獨立的使能信號西安電子科技大學計算機學院38在多個從器件的系統(tǒng)中，每個從器西安電子科技大學計算機學院39SPI接口的內部硬件實際上是兩個簡單的移位寄存器，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為8位，在主器件產生的從器件使能信號和移位脈沖下按位傳輸，高位在前，低位在后西安電子科技大學計算機學院39SPI接口的內部硬件實際上是兩西安電子科技大學計算機學院40設計示例西安電子科技大學計算機學院40設計示例西安電子科技大學計算機學院41I2CI2C(Inter－IntegratedCircuit)總線由PHILIPS公司開發(fā)的兩線式串行總線，用于連接微控制器及其外圍設備。I2C總線特點簡單的2線，占用空間小能夠以100Kbps的最大傳輸速率支持40個組件支持多主控(multimastering)，其中任何能夠進行發(fā)送和接收的設備都可以成為主總線，但在任何時間點上只能有一個主控。雙向傳輸，與公共時鐘同步兩根線都是開漏的（open-drain），連接方便西安電子科技大學計算機學院41I2CI2C(Inter－In西安電子科技大學計算機學院42西安電子科技大學計算機學院42西安電子科技大學計算機學院43I2C總線工作原理I2C總線是由數(shù)據(jù)線SDA和時鐘SCL構成的串行總線，可發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。在CPU與被控IC之間、IC與IC之間進行雙向傳送，最高傳送速率100kbps。各種被控制電路均并聯(lián)在這條總線上，每個電路和模塊都有唯一的地址。注：I2C速度由100Kbps全面提升到400K，1M和3.4M。西安電子科技大學計算機學院43I2C總線工作原理I2C總線西安電子科技大學計算機學院44西安電子科技大學計算機學院44西安電子科技大學計算機學院45I2C總線傳送的信號類型開始信號：SCL為高電平時，SDA由高電平向低電平跳變，開始傳送數(shù)據(jù)。結束信號：SCL為高電平時，SDA由低電平向高電平跳變，結束傳送數(shù)據(jù)。應答信號：接收數(shù)據(jù)的IC在接收到8bit數(shù)據(jù)后，向發(fā)送數(shù)據(jù)的IC發(fā)出特定的低電平脈沖，表示已收到數(shù)據(jù)。CPU向受控單元發(fā)出一個信號后，等待受控單元發(fā)出一個應答信號，CPU接收到應答信號后，根據(jù)實際情況作出是否繼續(xù)傳遞信號的判斷。若未收到應答信號，則判斷為受控單元出現(xiàn)故障。西安電子科技大學計算機學院45I2C總線傳送的信號類型開始西安電子科技大學計算機學院46西安電子科技大學計算機學院46西安電子科技大學計算機學院47設計示例西安電子科技大學計算機學院47設計示例西安電子科技大學計算機學院48USB通用串行總線（UniversalSerialBus）由Intel等廠商制定的連接計算機與具有USB接口的多種外設之間通信的串行總線目前最為流行的計算機外設接口總線形式越來越多的嵌入式系統(tǒng)采用西安電子科技大學計算機學院48USB通用串行總線（Unive西安電子科技大學計算機學院49主要性能特點使用簡單，支持熱插拔節(jié)省系統(tǒng)資源，整個的USB的系統(tǒng)只有一個端口和一個中斷。連接方便，采用“級聯(lián)”方式可連接多個外部設備（最多可達7層，127個）。應用范圍廣，支持四種傳輸速率，設備帶寬可從幾Kbps到幾Mbps甚至幾Gbps，可適應不同速率的設備為了適應各種不同類型外圍設備的要求USB提供了四種不同的數(shù)據(jù)傳輸類型?？偩€供電，USB總線可為連接在其上的設備提供電壓，設備也可以自供電。西安電子科技大學計算機學院49主要性能特點使用簡單，支持熱插西安電子科技大學計算機學院50西安電子科技大學計算機學院50西安電子科技大學計算機學院51傳輸速率低速1.5Mbps全速12Mbps高速480Mbps超速（SuperspeedUSB）5.0GbpsUSB1.1實現(xiàn)了低速和全速USB2.0在1.1的基礎上實現(xiàn)了高速傳輸USB3.0支持超速傳輸西安電子科技大學計算機學院51傳輸速率低速西安電子科技大學計算機學院52USB系統(tǒng)USB主機任一USB系統(tǒng)中只有一個主機，它負責管理整個USB系統(tǒng)包括USBDevice的連接與刪除，Host與USBDevice的通信路線的控制等。USB設備Hub（集線器）：提供到USB的附加連接點Function（功能）：為主機系統(tǒng)提供附加性能USB互聯(lián)USB設備與主機的連接和通信方式，包括總線拓撲結構、內層關系、數(shù)據(jù)流模型和USB調度表西安電子科技大學計算機學院52USB系統(tǒng)USB主機西安電子科技大學計算機學院53USB傳輸方式控制傳輸控制傳輸是雙向傳輸，數(shù)據(jù)量通常較小。USB系統(tǒng)軟件主要用來進行查詢、配置和給USB設備發(fā)送通用的命令同步傳輸同步傳輸提供了確定的帶寬和間隔時間（latency）。它被用于時間嚴格并具有較強容錯性的流數(shù)據(jù)傳輸，或者用于要求恒定的數(shù)據(jù)傳輸率的即時應用中。中斷傳輸中斷方式傳輸主要用于定時查詢設備是否有中斷數(shù)據(jù)要傳輸。設備端點模式器的結構決定了它的查詢頻率，從1到255ms之間。這種傳輸方式典型的應用在少量的、分散的、不可預測數(shù)據(jù)的傳輸。塊傳輸塊傳輸主要應用在需要大量傳輸和接收數(shù)據(jù)，同時又沒有帶寬和間隔時間要求的情況下保證傳輸。西安電子科技大學計算機學院53USB傳輸方式控制傳輸設計示例西安電子科技大學計算機學院54設計示例西安電子科技大學計算機學院54西安電子科技大學計算機學院55UARTUART（通用異步收發(fā)器）是用硬件實現(xiàn)異步串行通信的通信接口電路UART是嵌入式系統(tǒng)最常用的接口，可用來與上位機或其它外部設備進行數(shù)據(jù)通信UART允許在串行鏈路上進行全雙工的通信，其定義了一個串行發(fā)送引腳（TXD）和一個串行接收引腳（RXD），可以在同一時刻發(fā)送和接收數(shù)據(jù)輸出/輸入的電平為TTL電平工業(yè)標準的UART，如16C500此類UART芯片內部集成了可編程的波特率發(fā)生器、發(fā)送/接收FIFO、處理器中斷系統(tǒng)和各種總線狀態(tài)錯誤檢測電路等，一般具有完全的MODEM控制能力。西安電子科技大學計算機學院55UARTUART（通用異步收發(fā)西安電子科技大學計算機學院56RS-232RS-232是美國電子工業(yè)協(xié)會（EIA）制定的串行通訊標準，又稱RS-232-C。RS-232是一個全雙工的通訊標準，它可以同時進行數(shù)據(jù)接收和發(fā)送的工作。RS-232對電器特性、邏輯電平和各種信號線功能都作了規(guī)定。在TxD和RxD上：邏輯1(MARK)=-3V～-15V邏輯0(SPACE)=+3～+15V在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制線上：信號有效（接通，ON狀態(tài)，正電壓）＝+3V～+15V信號無效（斷開，OFF狀態(tài)，負電壓)=-3V～-15V西安電子科技大學計算機學院56RS-232RS-232是美國西安電子科技大學計算機學院57TTLRS232轉換芯片西安電子科技大學計算機學院57TTLRS232轉換芯片西安電子科技大學計算機學院58計算機串口通信常用連接西安電子科技大學計算機學院58計算機串口通信常用連接西安電子科技大學計算機學院59其它串口通信RS-422由RS-232發(fā)展而來差分傳輸將傳輸速率提高到10Mbps（RS-232在1M以下）單發(fā)多收，最多可連接10個接收器RS-485在RS-422的基礎上定制了RS-485具有多點、雙向通信能力，最多可接32個接收器通信距離長，可達千米以外西安電子科技大學計算機學院59其它串口通信RS-422西安電子科技大學計算機學院60以太網以太網（Ethernet）協(xié)議已經非常廣泛地應用于各種計算機網絡嵌入式Internet的應用越來越得到人們的重視以太網是嵌入式系統(tǒng)接入Internet最簡便的方式西安電子科技大學計算機學院60以太網以太網（Ethernet西安電子科技大學計算機學院61嵌入式以太網接口的實現(xiàn)嵌入式處理器＋網卡芯片只需把特定的以太網芯片連接到嵌入式處理器的總線上通用性強，不受處理器的限制。速度慢，可靠性不夠高，電路板走線復雜帶有以太網接口的嵌入式處理器要求嵌入式處理器有通用的網絡接口（MII接口）這種處理器通常是面向網絡應用設計的處理器和網絡數(shù)據(jù)的交換通過內部總線，速度較快西安電子科技大學計算機學院61嵌入式以太網接口的實現(xiàn)嵌入式處西安電子科技大學計算機學院62TCP/IP協(xié)議應用層BSD套接字傳輸層TCP、UDP網絡層IP、ARP、ICMP、IGMP數(shù)據(jù)鏈路層IEEE802.3EthernetMAC物理層

注：帶有以太網接口的處理器只含有MAC層網卡西安電子科技大學計算機學院62TCP/IP協(xié)議應用層網卡西安電子科技大學計算機學院63以太網接口組成嵌入式處理器以太網芯片以太網隔離器RJ45接口西安電子科技大學計算機學院63以太網接口組成嵌入式處理器以太西安電子科技大學計算機學院64設計示例西安電子科技大學計算機學院64設計示例西安電子科技大學計算機學院65CAN控制器局域網CAN(ControllerAreaNet)一種現(xiàn)場總線，最初被用于汽車環(huán)境中的微控制器通信，目前主要用于各種過程檢測及控制CAN總線的特點1、CAN可以是對等結構，即多主機工作方式，網絡上任意一個節(jié)點可以在任意時刻主動地向網絡上其它節(jié)點發(fā)送信息，不分主從，通訊方式靈活。2、CAN網絡上的節(jié)點可以分為不同的優(yōu)先級，滿足不同的實時需要。西安電子科技大學計算機學院65CAN控制器局域