第5章 数字输入输出接口原理及其应用(第三版习题参考答案).pdf

第 5 章数字输入输出接口设计 243 第第5 5章章 数字输入输出系统设计数字输入输出系统设计 本章习题本章习题 5-1 为什么要进行逻辑电平变换，有哪些常用逻辑电平？变换的原则（什么情况下需要 逻辑变换）是什么？ 答： 1、不同逻辑电平之间如果不进行逻辑电平的变换，由于逻辑电平的不一致，使发送的 0 和 1 信息到达接收端无法正确识别 0 和 1 逻辑信息，即无法进行正确地相互交互，因此对于 不同逻辑电平必须进行逻辑电平的转换方能连接。 2、常见逻辑电平转换的方法如下： （1）限流电阻加钳位二极管方式进行同相逻辑电平转换接口 （2）用电阻与三极管构成的逻辑电平转换接口 （3）仅用两只电阻成的逻辑电平转换接口 （4）用专用逻辑电平转换芯片进行逻辑电平转换 （5）采用光电耦合器实现逻辑电平隔离转换 当需要转换电平的引脚比较多时，可以采用多路逻辑电平转换专用芯片来完成电平的转 换，它的特点是转换电平连接简单，使用方便可靠。 采用光耦起到电气隔离和逻辑电平转换双重功能。 3、转换原则 两个不同逻辑器件 A 和 B，必须满足以下原则： VOH(A)VIH(B)且 VOL(A)VIL(B) A和B才能正确匹配， 已经知道VOL(A)VIL(B)是现有器件都具备的， 因此仅考虑VOH(A) VIH(B)。如果不能满足这一条件，就需要进行逻辑电平的转换。 5-2 当输出电平高于输入电平时，有几种逻辑转换方法？如何转换？ 答：输出端的电平高于输入端的电平时，可采用多种转换方式： （1）用限流电阻加钳位二极管方式进行逻辑电平的转换 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date:8-Mar-2013 Sheet of File:E:嵌 入 式 工 程 师 考 试嵌 入 式 系 统 工 程 师 考 试 教 材 用 图.DDBDrawn By: R 47K C 20p D1 D2 输 出输 入 VDDVCC VSS VCC VSS VDDVCC VSSVSS （2）用电阻与三极管构成的逻辑电平转换 嵌入式系统原理及应用（第三版 ） 244 244 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date:10-Mar-2013Sheet of File:E:嵌 入 式 工 程 师 考 试嵌 入 式 系 统 工 程 师 考 试 教 材 用 图.DDBDrawn By: R1 10K R2 2K BG1 8050 输 出 输 入 VDD VCC （3）仅用两只电阻成的逻辑电平转换 （4）用专用逻辑电平转换芯片进行逻辑电平转换 3.3V 3.3-5V 逻辑电平转换器 VCCA GPIO18 8 5V 供电 I/O Data7:0 74LVC4245 3.3V 供电 嵌入处理器 8 VCC VDD VCCB GND GND GND GND A7A0 B7B0 DIR OE 5V GPIO9 （5）采用光电耦合器实现逻辑电平隔离转换 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date:10-Mar-2013Sheet of File:E:嵌 入 式 工 程 师 考 试嵌 入 式 系 统 工 程 师 考 试 教 材 用 图.DDBDrawn By: 光 耦 R1R2 VCC 输 出 输 入 VDD 5-3 数字端口的常用保护措施有哪些？各有哪些特点？ 答：主要保护措施有：二极管钳位保护和 ESD 专用器件保护，二极管钳位保护简单，成 本低，ESD 专用器件保护保护效果好，成本略高。 5-4 为什么需要对数字端口进行隔离？有哪些隔离方式和主要隔离器件？ 答：由于嵌入式系统应用环境各不相同，存储各种干扰信号，对数字端口进行隔离，起 第 5 章数字输入输出接口设计 245 到隔离外部干扰脉冲对数据通道的影响，使系统能接收正确的数字信号。 主要隔离方法有：光耦隔离器件以及数字专用隔离器件进行隔离。 5-5 为什么要进行数字输入输出接口的扩展？有哪些扩展手段？各自有何特点？ 答：一个嵌入式应用系统，需要接各种外围接口或设备，而嵌入式处理器的数字输入输 出接口对应的引脚是有限的，因此需要进行扩展 。主要包括并行扩展和串行扩展两类。 并行扩展占用处理器引脚多， 但速度快， 串行扩展占用少量几个处理器引脚， 效率偏低， 但成本低。目前多用串行扩展技术进行数字输入输出的接口扩展。 5-6输入端为何要进行消抖动处理？如何进行处理？是不是所有嵌入式处理器外部GPIO 输入引脚都需要加硬件消抖电路？ 答：输入端在接收来自含有机械触点对应信号时，由于机械接触点固有的特点，必然存 在机械抖动，如果不进行消除抖动处理，将引起误触发，严重的造成人身伤害或财产损失。 消除抖动有两种基本手段，一种是硬件消除抖动的方法，另外一种是软件消除抖动的方 法。硬件消抖需要外接硬件电路，如触发器，额外需要增加硬件成本，软件消抖通过延时方 法避开抖动时间段，再检测输入端状态。 硬件消抖电路如下，采用与非门构建的触发器进行消抖处理。 软件消除抖动是采集某引脚是否为低或高， 然后延时 10ms20ms 左右， 再检测该引脚是 否仍然为低或高，如果是表明为有效信号 ，如果不是，则为干扰，可忽略。 由于机械抖动本身是客观存储的，因此有些处理器厂商把这种机械抖动的检测机制做到 芯片内部，只要软件打开和使能消除抖动机制，并可以选择允许延时的时间，即可不用外面 电路同样也不同软件处理即可自动完成消除抖动的目的。如新唐科技的 MCU 就具备这种功 能。 5-7 在嵌入式系统人机交互接口中，简述常用的接触式键盘有哪几种，特点是什么？常 用非接触式按键有哪些？对于简单按键可通过引脚的高低电平获取按键的情况，对于矩阵键 盘如何获取按键值？ 答：接触式按键包括简易 GPIO 引脚式的按键，以及矩阵键盘两种。简易按键每只按键 占用一个 I/O 引脚，但由于结构简单，成本低，在许多嵌入式应用系统中由于少量几个按键 的应用场合被广泛采纳，矩阵键盘占用少量几个引脚但能构成强大的键盘阵列，如只用 4 个 输入引脚和 4 个输出引脚即可构成 16 个按键的矩阵键盘，适用于需要按键比较多的场合。 对于矩阵键盘获取的按键值的方法通常采用行扫描法，即先输出第 1 行为 0，其它行为 1，从第 1 列开始查看有没有列被拉为 0，如果有，则记录列的位置，如果没有再输出第 2 行 为 0，查有没有列为 0，有记录列位置，没有再继续输出第 3 行，再查看和记录列的情况，最 后输出第四行为 0 查看列的情况，没有继续，有则记录输出的行号和列号，即可得到矩阵键 嵌入式系统原理及应用（第三版 ） 246 246 盘的具体编码值。不同编码值对应不同按键。 5-8 说明利用一个 GPIO 引脚控制发光二极管闪烁的方法，绘制硬件接口电路。 答：对于 MCU，GPIO 引脚大都具备推挽输出功能，且一般能驱动电流达 20mA 以上电 流负载，因此点亮简单的 LED 的发光二极管无需驱动，但需要限流，如图所示。 让发光管闪烁的方法是，如图中 LD1 闪烁，由可让 GPIO 引 PD2 脚先输出 0，则电流通 过 R1 流向 LD1 而发光， 延时一段时间后， 再让 PD2 输出 1， 使 LD1 上没有电流以流过而灭， 延时一段时间，然后反复上述操作，即可实现让发光二极管闪烁的目的。 但一般应用程序通常采用定时器配合 GPIO 实现闪烁。让定时器定时一段时间如 0.2 秒 或 0.5 秒， 看闪烁时间的要求， 当定时时间到时在定时中断服务程序中 PD2 引脚改变状态 （原 来 1 变为 0，原来 0 变为 1） ，这样在 LD1 上产生闪烁的感觉。 5-9 对于 LED 数码管，有动态显示和静态显示两种方法，对于图 5.38 所示的动态 LED 数码管显示电路以及图 5.39 所示的静态显示电路，说明让 LED1LED4 稳定显示 14（1，2， 3，4）的方法步骤。 答：对于共阳动态 LED，采用所有段管共用一个驱动器 74HC245,位码分别由 4 个 GPIO 引脚通过电阻和三极管构成的驱动电路分别控制，显示稳定的 1，2，3，4 的方法如下： （1）通过 GPIO1GPIO8 送显示 1 的段码，然后让 GPIO10 输出 0，通过 Q1 三极管让 BITL1 输出接近 VCC， 使最左边一位显示 1， GPIO11=GPIO12=GPIO13=1 让右边三位三极管 Q2Q4 不得电。从而不显示信息。延时一段时间让眼睛能驻留一段时间。 （2）通过 GPIO1GPIO8 送显示 2 的段码，然后让 GPIO11 输出 0，通过 Q2 三极管让 BITL2 输出接近 VCC，使左边第二位显示 2，GPIO10=GPIO12=GPIO13=1 让其它三位三极 管 Q1Q3Q4 不得电。从而不显示信息。延时一段时间让眼睛能驻留一段时间。 （3）通过 GPIO1GPIO8 送显示 3 的段码，然后让 GPIO12 输出 0，通过 Q3 三极管让 BITL3 输出接近 VCC， 让左边第三位显示 3， GPIO10=GPIO11=GPIO13=1 让其它三位三极管 Q1Q2QQ4 不得电。从而不显示信息。延时一段时间让眼睛能驻留一段时间。 （4）通过 GPIO1GPIO8 送显示 4 的段码，然后让 GPIO13 输出 0，通过 Q4 三极管让 BITL4 输出接近 VCC,让最右边一位显示 4，GPIO10=GPIO11=GPIO12=1 让其它三位三极管 Q1Q2Q3 不得电。从而不显示信息。延时一段时间让眼睛能驻留一段时间。 （5）重复（1）到（4）这样就可以动态显示 1，2，3，4 第 5 章数字输入输出接口设计 247 T/R 1 A0 2 A1 3 A2 4 A3 5 A4 6 A5 7 A6 8 A7 9 GND 10 B7 11 B6 12 B5 13 B4 14 B3 15 B2 16 B1 17 B0 18 /OE 19 VDD 20 U7 74HC245 R37 100R 100R 100R 100R 100R 100R 100R R44 100R VCC C26 104 SEG1 SEG2 SEG3 SEG4 SEG5 SEG6 SEG7 SEG8 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 Q1 8550 Q2 8550 R33 2.2K R34 2.2K VCC VCC BIT1 BIT2 BITL1 BITL2 R45 100K VCC LED_OE Q3 8550 A4 8550R35 2.2K R36 2.2K VCC VCC BITL3 BITL4 - a bf c g d e DPY 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp LED1 DPY_7-SEG_DP a bf c g d e DPY 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp LED2 DPY_7-SEG_DP a bf c g d e DPY 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp LED3 DPY_7-SEG_DP a bf c g d e DPY 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp LED4 DPY_7-SEG_DP GPIO1 GPIO2 GPIO3 GPIO4 GPIO5 GPIO6 GPIO7 GPIO8 GPIO9 GPIO11 GPIO10 GPIO12 GPIO13 VCC VDD GND 嵌入式处理器 对于图示静态显示器，U1/U2/U3/U4 作为串行输入并行输出移位寄存器，分别将 1，2， 3，4 的段码依次送到 U1/U2/U3/U4,以稳定静态显示 1，2，3，4。 （1）通过串行接口 DATA 在 CLK 作用下 CLK 时钟，将 4 个 8 位段码（4，3，2，1 的 顺序）依次送到 U1/U2/U3/U4 （2） 在 GPIO3 （STORE） 产生锁存正脉冲 （先低后高再延时后变低） 将数据锁存在 U1U4 以送到 4 个 LED 数码管上。 DS 14 SH_CP 11 MR 10 ST_CP 12 OE 13 O0 15 O1 1 O2 2 O3 3 O4 4 O5 5 O6 6 O7 7 Q7 9 U? 74HC595 DS 14 SH_CP 11 MR 10 ST_CP 12 OE 13 O0 15 O1 1 O2 2 O3 3 O4 4 O5 5 O6 6 O7 7 Q7 9 U1 74HC595 DS 14 SH_CP 11 MR 10 ST_CP 12 OE 13 O0 15 O1 1 O2 2 O3 3 O4 4 O5 5 O6 6 O7 7 Q7 9 U2 74HC595 DS 14 SH_CP 11 MR 10 ST_CP 12 OE 13 O0 15 O1 1 O2 2 O3 3 O4 4 O5 5 O6 6 O7 7 Q7 9 U3 74HC595 a bf c g d e DPY 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp LED1 DPY_7-SEG_DP a bf c g d e DPY 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp LED2 DPY_7-SEG_DP a bf c g d e DPY 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp LED4 DPY_7-SEG_DP a bf c g d e DPY 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp LED3 DPY_7-SEG_DP GPIO1 DATA GPIO2 VDD GPIO3 GND 嵌入式处理器 VCC VCC VCC CLK STORE 5-10 对于 LCD 液晶屏，通常有并行接口和串行接口与 MCU 连接，如何理解图 5.41 并 行接口时序和图 5.43 串行接口时序，怎样按照该时序进行 GPIO 的操作实现 LCD 信息的显 示。 答：1、工作在并行接口方式下，图示时序中可以利用 11 个 GPIO 引脚（GPIO 引脚定义 不同处理器不同，名称不一样，这里仅给一个