天大嵌入式系统课件-5-系统接口

1、2021-12-111嵌入式系统设计嵌入式系统设计 天津大学计算机学院天津大学计算机学院 车明车明 第五章第五章: 嵌入式系统接口嵌入式系统接口2021-12-1125.1 键盘接口键盘接口5.1.1 少量按键少量按键 (REG电阻网电阻网u 串行转换：串行数据输入串行转换：串行数据输入移位移位REG电阻网电阻网u 并行并行D/A用于近距离；串行用于远程用于近距离；串行用于远程D/A，且其，且其REG一一般有二级。般有二级。nD/A转换器的性能参数转换器的性能参数 （同样也适用于（同样也适用于A/D转换器）转换器）u 分辨率：逻辑二进制位数（常用分辨率：逻辑二进制位数（常用8bit，12bit

2、）u 量程量程/输出范围：一般为输出范围：一般为0-5Vu 转换时间转换时间/建立时间：完成一次工作所花费的时间建立时间：完成一次工作所花费的时间u 转换精度：满量程时转换的实际模拟输出值和理论转换精度：满量程时转换的实际模拟输出值和理论值之间的接近程度。值之间的接近程度。2021-12-11175.3.3 D/A转换芯片的连接转换芯片的连接n以以DAC0832为例：为例：u单片双缓冲数据输入单路单片双缓冲数据输入单路D/A转换器转换器n1. 数据输入数据输入u 当无需二级缓冲时，可当无需二级缓冲时，可将将WR1、WR2 同接同接 CPU 写信号；写信号；/CS、/XFER 同接地址译码；同接

3、地址译码；ILE 恒高电平即可。恒高电平即可。u 数据写入芯片后，芯片数据写入芯片后，芯片立即进行转化，并在模立即进行转化，并在模拟端输出结果。拟端输出结果。2021-12-1118n2. 输出驱动输出驱动u 输出电压：输出电压：uout = K*Iout1 ，K与与R1、R3及及Rfb内阻相关。内阻相关。R1可调节放大倍数，即可调可调节放大倍数，即可调uout的量程。的量程。R2为调零电阻，即可调为调零电阻，即可调uout的零点。的零点。当调零电阻接负电压时，运放工作更稳定，线性更好。当调零电阻接负电压时，运放工作更稳定，线性更好。C1/C2：输出滤波电容（：输出滤波电容（0.1/10u）R

4、3RbfIout1Iout2AGNDuoutC2R2R1C1-12V2021-12-1119u 输出电流：输出电流： 在输出电压的基础上，由运放和三极管射级跟随器构成恒流源。在输出电压的基础上，由运放和三极管射级跟随器构成恒流源。 R1与与R2、R3为并联关系。调节为并联关系。调节R2可调节射级电流量程。可调节射级电流量程。 RL，负载电阻，流过，负载电阻，流过R1/R2、R3的电流即为的电流即为Iout 。 A点电压只受点电压只受uout控制，不受控制，不受RL负载大小影响。负载大小影响。LM358+12VuoutRLR1R2R3A2021-12-1120u 双极性电压输出：双极性电压输出：

5、在输出电压在输出电压uout基础上，并调整基础上，并调整uout量程为量程为0uREF，则如图电路有：，则如图电路有：数字数字00H时：时：uout= 0，i1= 0，i2= uREF/2R, i3 = i2-i1 = uREF/2R 所以，所以，uout2 = 2R*i3=uREF数字数字80H时：时：uout= *uREF，i1= *(uREF/R)，i2 = uREF/2R, i3 = 0, 所以，所以，uout2 = 2R*i3= 0数字数字FFH时：时：uout= uREF，i1= uREF/R，i2 = uREF/2R, i3 = - uREF/2R 所以，所以，uout2 = 2

6、R*i3=-uREF实现了双极性。实现了双极性。i1i2uout2i=02RR2Ruout-uREFu=02021-12-11215.4 模数转换模数转换A/D接口接口n嵌入式应用中，需要将模拟设备中的信号输入到嵌入式应用中，需要将模拟设备中的信号输入到计算机时计算机时, ,必须将模拟信号转化为相应的数字信必须将模拟信号转化为相应的数字信号号, ,转换器件称为模数转换器转换器件称为模数转换器(A/D)(A/D)。nA/D A/D 器件是数字与模拟混合集成电路，它既拥有器件是数字与模拟混合集成电路，它既拥有一般数字电路接口，又拥有模拟量输入接口。输一般数字电路接口，又拥有模拟量输入接口。输入模拟

7、量的大小决定了数字量的数值。入模拟量的大小决定了数字量的数值。n有四种常用的有四种常用的A/DA/D转换方法：转换方法：u 计数器式计数器式u 并行式并行式u 逐次逼近式逐次逼近式u 双斜率积分式双斜率积分式n我们介绍逐次逼近式我们介绍逐次逼近式A/DA/D转换转换, ,其他可自学。其他可自学。2021-12-11225.4.1 逐次逼近型逐次逼近型A/D转换转换n原理图：原理图：u 以以2 2分查找的方式，逐次趋近最接近的结果分查找的方式，逐次趋近最接近的结果输出输出DD/AREG控制逻辑控制逻辑+Vi电压比较器电压比较器1 / 0参考电压参考电压VR2021-12-1123逐次逼近型逐次逼

8、近型A/D转换工作流程转换工作流程开始开始i=最高位，最高位，REG=0，置，置A/D忙标志忙标志REG第第i位置位置1，适当延时，等待，适当延时，等待uf稳定稳定读比较器结果读比较器结果=0？第第i位清零位清零i=最低位？最低位？YesNoNoYes结束结束i=i-12021-12-11245.4.2 A/D转换芯片的连接转换芯片的连接n以以ADC0809为例：为例：u 单片单片8模拟输入端逐次逼近型模拟输入端逐次逼近型A/D转换器转换器CLOCKSTART 数据数据 8 地址地址 完成完成锁存地址锁存地址输出允许输出允许D0D7ACBALEOEEOC标准源标准源IN0IN7REF+REF-

9、模入模入2021-12-1125ADC0809内部结构图内部结构图ADC0809地址锁存地址锁存和译码和译码OE通道通道选择选择开关开关ADDAADDBADDC1N0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN78位位三态三态锁存锁存缓冲器缓冲器DACVcc比较器比较器CLOCKSTARTGND VREF(+)VREF(-)ALE逐次逼近逐次逼近寄存器寄存器SAR定时和控制定时和控制D0D1D2D3D4D5D6D7EOC2021-12-1126C1LM358D+1215VREF+C2Rn1. 时钟的产生时钟的产生u CPU主时钟分频主时钟分频u 使用外接电阻，电容，构成振荡网络使用外接电阻，电容，

10、构成振荡网络 u 使用晶体振荡器使用晶体振荡器 M：晶振（频率固定）：晶振（频率固定） C：接地电容（：接地电容（2050P）n2. 基准电压基准电压D：使用稳压二级管：使用稳压二级管R：精密电位器：精密电位器LM358：自稳零运放：自稳零运放C1、C2：滤波电容：滤波电容2021-12-1127n3. 启动处理启动处理u 写信号与地址译码写信号与地址译码n4. 结束处理结束处理u 中断：将结束标志作中断源中断：将结束标志作中断源u 查询：将结束标志作查询输入查询：将结束标志作查询输入u 延时等待延时等待译译码码+WE高地址高地址ALESTART2021-12-1128n5. 数据输出数据输出

11、u 读信号与地址译码读信号与地址译码 n6. 模拟输入保护模拟输入保护 D：限制：限制 INx 端最高电压端最高电压 R：限流：限流 C：滤波：滤波R模入模入INXCDRD译码译码+OE高地址高地址2021-12-11295.5 显示器接口显示器接口5.5.1 发光二极管（发光二极管（LED）1 1）单个）单个发光二极管：发光二极管： n电流与亮度的经验参数：电流与亮度的经验参数：u 驱动门低电平电压驱动门低电平电压0.3V，发光管压降平均，发光管压降平均0.5Vu 发光管电流：发光管电流：i = VCC -（0.3 + 0.5）/ RF i = 0.4 mA ；开始发光；开始发光F i =

12、10 mA ；正常发光；正常发光F i = 20 mA ；高亮度；高亮度2021-12-11302 2）七段数码管）七段数码管：n8个发光二极管组成数字（包括个发光二极管组成数字（包括1个小数点）个小数点）n有共阳极、共阴极有共阳极、共阴极 2 种类型种类型n有静态、动态有静态、动态 2 种显示方式种显示方式2021-12-11315.5.2 液晶显示模块（液晶显示模块（LCD模块）模块）n显示原理：固定区域内电致偏振改变透光率，不发光。显示原理：固定区域内电致偏振改变透光率，不发光。n显示类型：区域图形、点阵组图显示类型：区域图形、点阵组图n参数：单色参数：单色/彩色、点阵规模（如：彩色、点

13、阵规模（如：128 * 64）n驱动：小型驱动：小型LCD模块一般由生产厂家将液晶屏、显存模块一般由生产厂家将液晶屏、显存和基础驱动硬件集成在一个电路板上，并提供通用接和基础驱动硬件集成在一个电路板上，并提供通用接口和控制命令，方便用户使用。口和控制命令，方便用户使用。例：CF12864-3 VER02接口线定义nCS1、CS2 ：片选；RS、RW、E：控制信号nVSS、VDD：电源；VEE：偏致电压调节nLED1、LED2：背光照明电源2021-12-1132CF12864-3 VER02 结构2021-12-1133CF12864-3 VER02 使用2021-12-11345.5.3 P

14、C标准显示器（标准显示器（CRT & LCD）nPC标准显示器：标准显示器：u CRT：阴极射线管：阴极射线管(Cathode Ray Tube)显示器，显示器，利用偏转线圈控制高速电子束。属于模拟信号类型，利用偏转线圈控制高速电子束。属于模拟信号类型，速度快、色彩表现和饱和度好。速度快、色彩表现和饱和度好。 u LCD：液晶显示器：液晶显示器 (Liquid Crystal Display) ，属，属于数字信号类型。功耗小、刷新率需求低。于数字信号类型。功耗小、刷新率需求低。 2021-12-1135PC显示器接口标准显示器接口标准n采用标准显示接口：采用标准显示接口：VGA、DVI

15、u VGA（Video Graphics Array）接口，也叫）接口，也叫D-Sub接口。传输模拟信号。接口。传输模拟信号。u DVI（Digital Visual Interface）接口，由）接口，由DDWG工工作组推出。它基于最小化传输差分信号（作组推出。它基于最小化传输差分信号（TMDS）协）协议作为基本电气连接。议作为基本电气连接。TMDS是一种微分信号机制，是一种微分信号机制，可以将象素数据编码，并通过串行连接传递。可以将象素数据编码，并通过串行连接传递。 n模拟接口：模拟接口：VGAu 用于用于CRTu 也用于也用于LCDF 但信号传输过程为：但信号传输过程为：数字数字 = 模

16、拟模拟 = 数字数字2021-12-1136PC显示器接口标准显示器接口标准-DVIn数字接口，用于数字接口，用于LCD，可分为：，可分为：u DVI-D：仅传输数字信号。：仅传输数字信号。u DVI-I：可传输数字和模拟信号，兼容：可传输数字和模拟信号，兼容VGAu 每种还分单每种还分单/双通道，双通道的数字传输率高双通道，双通道的数字传输率高2021-12-1137pin1-TMDS Data 2- pin11-TMDS Data 1/3 Shieldpin22-TMDS Clclk Shielldpin2-TMDS Data 2+ pin12-TMDS Data 3- pin23-TMD

17、S Clock+pin3-TMDS Data 2/4 Shield pin13-TMDS Data 3+ pin24-TMDS Clock-pin4-TMDS Data 4- pin14-+5V Power pinC1-Analog Red Video Outpin5-TMDS Data 4- pin15-Ground (+5V,Analog H/V Sync) pinC2-Analog Green Video Outpin6-DDC Clock pin16-Hot Plug Detect pinC3-Analog Blue VIDEO UTpin7-DDC Data pin17-TMDS D

18、ata 0- pinC4-Analog Horizontal Syncpin8-Analog Vertical Sync pin18-TMDS Data 0+ pinC5-Analog Common Groundpin9-TMDS Data 1- pin19-TMDS Data 0/5 Shield Return(R,G,B Video Out)pin10-TMDS Data 1+ pin20-TMDS Data 5-DVI接口定义接口定义2021-12-1138使用使用PC标准显示器标准显示器n一般在中、大型嵌入式系统中应用一般在中、大型嵌入式系统中应用n在嵌入式系统中使用标准显示器的方式：

19、在嵌入式系统中使用标准显示器的方式：1）选用相关标准总线，采购相应显示卡产品，）选用相关标准总线，采购相应显示卡产品，连接显示器。软件按相关总线规范和显示连接显示器。软件按相关总线规范和显示卡指令设计。卡指令设计。2）自行设计显示卡，选用合适的显示处理功）自行设计显示卡，选用合适的显示处理功能芯片（直至高性能的显示处理器能芯片（直至高性能的显示处理器 - GPU），按照系统器件总线标准将其加入），按照系统器件总线标准将其加入系统中，并通过其驱动显示器接口（系统中，并通过其驱动显示器接口（VGA、DVI）。软件按相关总线规范和显示芯片）。软件按相关总线规范和显示芯片控制指令设计。控制指令设计。2

20、021-12-11395.6 电机接口电机接口5.6.1 步进电机接口步进电机接口n步进电机由脉冲控制，每个脉冲激励可使步进步进电机由脉冲控制，每个脉冲激励可使步进电机转动一定角度，称为一个步距角。而其转电机转动一定角度，称为一个步距角。而其转速与输入脉冲频率成正比。速与输入脉冲频率成正比。n使用步进电机的优点：使用步进电机的优点：u 一般不需要反馈检测，就能够对位移或速度进一般不需要反馈检测，就能够对位移或速度进行较精确的控制行较精确的控制u 输出的转角准确，无累计误差输出的转角准确，无累计误差u 与数字设备兼容，控制简单与数字设备兼容，控制简单2021-12-11401）步进电机原理：）步

21、进电机原理：1、四相步进电机结构：电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有四、四相步进电机结构：电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有四个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。2、旋转：开始时，开关、旋转：开始时，开关SB接通电源，接通电源，SA、SC、SD断开，断开，B相磁相磁极和转子极和转子0、3号齿对齐，同时，转子的号齿对齐，同时，转子的1、4号齿就和号齿就和C、D相绕相绕组磁极产生错齿，组磁极产生错齿，2、5号齿就和号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿。相绕组磁极产生错齿。 当开关当开关SC接通电源，接通电源，SB、SA、SD断开时，由于断

22、开时，由于C相相绕组的磁力线和绕组的磁力线和1、4号齿之号齿之间磁力线的作用，使转子转间磁力线的作用，使转子转动，动，1、4号齿和号齿和C相绕组的相绕组的磁极对齐。而磁极对齐。而0、3号齿和号齿和A、B相绕组产生错齿，相绕组产生错齿，2、5号号齿就和齿就和A、D相绕组磁极产相绕组磁极产生错齿。依次类推，生错齿。依次类推，A、B、C、D四相绕组轮流供电，四相绕组轮流供电，则转子会沿着则转子会沿着D 、C、 B、 A 方向转动。方向转动。2021-12-11412）相位及节拍：）相位及节拍：n四相步进电机按照通电顺序的不同，分为单四拍、双四拍、八拍三四相步进电机按照通电顺序的不同，分为单四拍、双四

23、拍、八拍三种工作方式。单四拍与双四拍的步距角相等，但单四拍的转动力矩种工作方式。单四拍与双四拍的步距角相等，但单四拍的转动力矩小；八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍小；八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。甚至于工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。甚至于通过二相电流不同的组合，可使其拍数变为通过二相电流不同的组合，可使其拍数变为16、32、，这即是步，这即是步进电机的细分驱动方式。进电机的细分驱动方式。n不难推出：电机定子上有不难推出：电机定子上有m相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线相励磁绕

24、阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移偏移1/m、2/m、(m-1)/m、1，并且导电按一定的相序循环，并且导电按一定的相序循环，电机就能被控制正反转电机就能被控制正反转这是步进电机旋转的物理条件。只要符这是步进电机旋转的物理条件。只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机，出于成本等方合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机，出于成本等方面考虑，一般均为二、三、四、五相步进电机。面考虑，一般均为二、三、四、五相步进电机。 a. 单四拍单四拍 b. 双四拍双四拍 c. 八拍八拍 2021-12-11423）步进电机驱动：）步进电机驱动：n可以使用单片机直接驱动步进电机：如图，可以使用单片机

25、直接驱动步进电机：如图，AT89C2051将控制脉将控制脉冲从冲从P1.4P1.7输出，经输出，经9014放大后控制光电隔离器，再由功率放大后控制光电隔离器，再由功率管管TIP122将脉冲信号进行电压和电流放大，驱动步进电机的各相将脉冲信号进行电压和电流放大，驱动步进电机的各相绕组。可使步进电机随着不同的脉冲信号分别作正转、反转、加绕组。可使步进电机随着不同的脉冲信号分别作正转、反转、加速、减速和停止等动作。图中速、减速和停止等动作。图中L1L4为步进电机的各相绕组。为步进电机的各相绕组。2021-12-1143n专用步进电机驱动芯片：如：专用步进电机驱动芯片：如：STK672-080是是SA

26、NYO公司生产的公司生产的一种步进电动机驱动器厚膜混合集成电路，它的输出级使用功率一种步进电动机驱动器厚膜混合集成电路，它的输出级使用功率MOSFET组成。组成。STK672-080内部提供的内部提供的4相步进电动机分配控制相步进电动机分配控制器可获得准正弦波驱动电流，从而使用户应用更简单方便。它有器可获得准正弦波驱动电流，从而使用户应用更简单方便。它有五种激励（通电）方式，可提供微步距控制以使步进电动机的基五种激励（通电）方式，可提供微步距控制以使步进电动机的基本步距角最大可细分为本步距角最大可细分为1/16。2021-12-11445.6.2 直流电机接口直流电机接口n直流电机由电压控制，

27、其速度与输入电压成正直流电机由电压控制，其速度与输入电压成正比，而方向由电压极性决定。比，而方向由电压极性决定。n优点：优点：u 容易启动、正反转控制方便容易启动、正反转控制方便u 调速性能好调速性能好u 过载能力强过载能力强n直流电机的数字控制方法常采用直流电机的数字控制方法常采用 PWM PWM 技术技术（Pulse Width Modulation Pulse Width Modulation 脉冲宽度调制）脉冲宽度调制）nPWM PWM 是利用微处理器的数字输出来对模拟电路是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。进行控制的一种非常有效的技术。2021-12-1

28、1451）PWM理论基础：理论基础：n冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。其效果基本相同。u 冲量指窄脉冲的面积。冲量指窄脉冲的面积。u 效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。F 低频段非常接近，仅在高频段略有差异。低频段非常接近，仅在高频段略有差异。 nPWM的核心是具有可调占空比的一系列脉冲的核心是具有可调占空比的一系列脉冲u 占空比是接通时间与周期之比：占空比是接通时间与周期之比： t / T tT2021-12-1146nPWM 可对模拟信号电平进行数字

29、编码。使用高位数计可对模拟信号电平进行数字编码。使用高位数计数器，调制方波的占空比以用来对一个具体模拟信号的数器，调制方波的占空比以用来对一个具体模拟信号的电平进行模拟，即使得在周期电平进行模拟，即使得在周期 T 内，脉冲内，脉冲 t 的时域面积的时域面积与模拟信号在时间与模拟信号在时间 T 内的时域面积相等。内的时域面积相等。u 满量程幅度、占空比满量程幅度、占空比100%的脉冲即为满量程的模拟信号的脉冲即为满量程的模拟信号u 满量程幅度、占空比可调的脉冲可以模拟或代替任意非满量程幅度、占空比可调的脉冲可以模拟或代替任意非满量程的模拟信号，条件是所围面积相等。满量程的模拟信号，条件是所围面积

30、相等。nPWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通电压或电流源是以一种通(ON)或断或断(OFF)的重复脉冲序的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。进行编码。 2021-12-11472）直流电机驱动：）直流电机驱动：n可以使用单片机直接驱动直流电机：如图，可用继电器或者大功可以使用单片机直接驱动直流电机：如图，可用继电器或者大功率晶体管实现率晶体管实现 J1J4 四个开关接点，通过如下表的方