第4章基本输入输出接口

1、4.1输入输出接口概述4.2键盘和鼠标接口4.3 A/D转换器4.4触摸屏接口4.5显示器接口4.6 LCD控制器接口4.7音频接口通常的I/O接口示意图如图4-1所示：I/O接口内部通常由数据、状态、控制三类寄存器组成，CPU可分别对数据、状态、控制三种端口（port）寻址，并与之交换信息。这三种端口被简称为数据口、状态口、控制口。 GPIO，英文全称为General-Purpose IO ports，也就是通用输入输出口。在嵌入式系统中常常数量众多，接口至少有两个寄存器，即“通用IO控制寄存器”与“通用IO数据寄存器”。4.2.1 键盘接口4.2.2 PS/2接口最简单的键盘如图4-4所示

2、，其中每个键对应I/O端口的一位。没有键闭合时，各位均处于高电平；当有一个键按下时，就使对应位接地而成为低电平，而其它位仍为高电平。这样，CPU只要检测到某一位为0，便可判别出对应键已按下。 图4-4 键盘原理为了识别键盘上的闭合键，通常可以采用两种方式：行扫描法和行反转法。(1)行扫描法 图4-4是一个3行3列组成的键盘。行扫描法识别按键的原理如下：先使第0行接低电平，其余行为高电平，然后看第0行是否有键闭合。这是通过检查列线电位来实现的，即在第0行接低电平时，看是否有哪条列线变成低电平。如果有某列线变为低电平，则表示第0行和此列线相交位置上的键被按下；如果没有任何一条列线为低电平，则说明第

3、0行没有任何键被按下。此后，再将第1行接低电平，检测是否有变为低电平的列线。如此重复地扫描，直到最后一行。在扫描过程中，当发现某一行有键闭合时，也就是列线输入中有一位为0时，便退出扫描，通过组合行线和列线即可识别此刻按下的是哪一键。（2）行反转法行反转法也是识别键盘的常用方法。它的原理是：将行线接一个数据端口，先让它工作在输出方式；将列线也接到一个数据端口，先让它工作在输入方式。程序使CPU通过输出端口往各行线上送低电平，然后读入列线值。如果此时有某键被按下，则必定会使某列线值为0。接着，程序再对两个端口进行方式设置，使接行线的端口改为输入方式，接列线的端口改为输出方式。并且，将刚才读得的列值

4、从列线所接端口输出，再读取行线的输入值，那么，闭合键所在的行线值必定为0。这样，当一个键被按下时，必定可以读得一对唯一的行值和列值。当键盘设计时，除了对键码的识别外，还有两个问题需要解决：抖动和重键。当用手按下一个键时，往往会出现按键在闭合和断开位置之间跳几下才稳定到闭合状态的情况；在释放一个键时，也会出现类似的情况，这就是抖动。抖动持续时间随操作员而异，一般不大于10ms。抖动问题不解决就会引起对闭合键的错误识别。所谓重键就是指两个或多个键同时闭合。出现重键时，读取的键值必然出现有一个以上的0。于是就产生了到底是否给予识别哪一个键的问题，可以用连锁法，巡回法加以识别PC/XT键盘（83），A

5、T键盘（84101），PS/2键盘（84101）,USB键盘一般，具有五脚连接器的键盘称之为AT键盘，而具有六脚mini-DIN连接器的键盘则称之为PS/2键盘。其实这两种连接器都只有四个脚有意义。它们分别是Clock（时钟脚）、Data数据脚、+5V（电源脚）和Ground(电源地）。在PS/2键盘与PC机的物理连接上只要保证这四根线一一对应就可以了。PS/2键盘靠PC的PS/2端口提供+5电源。 图4-7 PS/2键盘接口(1)检测时钟线电平，确认它处于高电平,若不是，表示主机抑制通信，此时缓冲数据，直到主机释放时钟。(2)检测数据线是否为高，如果为高则继续执行，如果为低，则放弃发送(此时

6、pc机在向ps/2设备发送数据，所以ps/2设备要转移到接收程序处接收数据)(3)输出起始位(0)到数据线上。这里要注意的是：在送出每一位后都要检测时钟线，以确保机没有抑制ps/2设备，如果有则终止发送；(4)输出个数据位到数据线上；(5)输出校验位；(6)输出停止位；(1)拉低Clock至少100us来禁止通信. (2)拉低数据线，请求 Request-to-send, 然后释放时钟.(3)设备应该在不超过10ms(注意，是毫秒)的间隔内就要检查一次这个状态,当设备检测到这个状态，它将开始产生时钟信号。 (4)只有当Clock为低的时候，主机才可以改变数据线（也就是将数据写入到数据线）。数据

7、将在Clock为高电平的时候被设备读取。(5)在收到停止位之后，设备将通过拉低数据线，生成最后一个时钟脉冲来应答收到的字节图4-9 主机到键盘的通信时序PS/2接口是目前最常见的鼠标接口，最初是IBM公司的专利，俗称“小口”。这是一种鼠标和键盘的专用接口，是一种6针的圆型接口。但鼠标只使用其中的4针传输数据和供电，其余2个为空脚。PS/2接口的传输速率比COM接口稍快一些，而且是ATX主板的标准接口，是目前应用最为广泛的鼠标接口之一，但仍然不能使高档鼠标完全发挥其性能，而且不支持热插拔。4.3.1 概述4.3.2 A/D转换的原理和方法4.3.3 D/A转换的方法4.3.4A/D转换电路图4-

8、10 典型的微型机自动控制系统图中各部件的作用如下：(1)传感器：亦称换能器，是把现场各种物理信号按一定规律转换成与其对应的电信号。它是实现测量和控制的首要环节，是测控系统的关键部件。(2)放大器：经传感器转换后的电量如电流、电压的信号很小，很难进行模数转换，因此，必须有放大环节。放大器即把传感器输出的电信号放大到A/D转换所需要的量程范围。(3)低通滤波器：低通滤波器的作用是选出有用的频率信号，抑制无用的杂散高频干扰，提高信噪比。(4)多路开关：在计算机控制系统中，若测量的模拟信号有几路或几十路，考虑到控制系统的成本，可采用多路开关对被测信号进行切换，使各种信号共用一个A/D转换器。多路切换

9、的方法有两种：一种是外加多路模拟开关，如多路输入一路输出的多路开关有：AD7501，AD7503，CD4097，CD4052等。另一种是选用内部带多路转换开关的A/D转换器，如ADC0809等。(5)采样保持电路：从启动信号转换到转换结束的数字量输出，经过一定的时间， 而模拟量转换期间，要求模拟信号保持不变，所以必须用采样保持器。该电路具有两个功能：采样跟踪输入信号；保持暂停跟踪输入信号，保持已采集的输入信号，确保在A/D转换期间保持输入信号不变。(6)A/D转换器：把采样保持电路锁存的模拟信号转换成数字信号，等待CPU用输入指令读到计算机内。实现A/D(模，数)转换的方法很多，常用的方法有:

10、1.计数式A/D转换法2.双积分法3.逐次逼近法4.A/D转换的重要指标图4-11计数式A/D转换原理图具体工作过程如下：(1)首先启动“开始转换”信号S。当S由高变低时，“计数器”清0，D/A转换器输出V0=0，“比较器”输出1，即C=1，计数器允许计数。 (2)当S由低变高时，计数器开始计数，随着计数的进行，不断增加。致使输出电压u不断上升。 在V0V1，“比较器”输出0。一方面C=0，计数停止；另一方面，“比较器”的输出也作为“转换结束”信号EOC，它用来通知计算机，己完成一次A/D转换。此时，计数器的值作为转换结果的数字量。图4-12 双积分式A/D转换原理图具体工作过程如下：(1)转

11、换前，“控制逻辑”输出S0=1，使积分电容C完全放电。(2)当“转换开始”信号Vs由低变高时，转换开始，S0断开，允许积分电容C充电。“控制逻辑”使S1=1，模拟输入Vi对电容C充电，比较器输出高电平。（第一次积分）(3)经T1时间后，“控制逻辑”使S1=0，电容C对标准电压Vr放电，同时启动“计数器”开始计数，比较器输出高电平。（第二次，反向积分）。(4)当电容放电使放大器输出0时，比较器输出低电平，转换结束，计数停止。图4-13 逐次逼近式A/D转换原理图具体工作过程如下：(1)首先发出“启动信号”信号S。当S由高变低时，“逐次逼近寄存器SAR”清0，DAC输出Vo=0，“比较器”输出1。

12、当S变为高电平时， “控制电路”使SAR开始工作。(2)SAR首先产生8位数字量的一半，即10000000B,试探模拟量的Vi大小，若VoVi，“控制电路”清除最高位，若VoVi,清除最高位。(3)在最高位确定后，SAR又以对分搜索法确定次高位，即以低7位的一半y1000000B(y为已确定位) 试探模拟量Vi的大小。在bit6确定后，SAR以对分搜索法确定bit5位，即以低6位的一半yy100000B(y为已确定位) 试探模拟量Vi的大小。重复这一过程，直到最低位bit0被确定。(4)在最低位bit0确定后，转换结束，“控制电路”发出“转换结束”信号EOC。该信号的下降沿把SAR的输出锁存在

13、“缓冲寄存器”里，从而得到数字量输出。 从转换过程可以看出启动信号为负脉冲有效。 转换结束信号为低电平。(1)分辨率(Resolution)分辨率反映A/D转换器对输入微小变化响应的能力，通常用数字输出最小有效位(LSB)所对应的模拟输入的电平值表示。(2)精度(Accuracy)精度有绝对精度(Absolute Accuracy)和相对精度(Relative Accuracy)两种表示方法。绝对精度：在一个转换器中，对应于一个数字量的实际模拟输入电压和理想的模拟输入电压之差并非是一个常数。我们把它们之间的差的最大值，定义为“绝对精度”。通常以数字量的最小有效位(LSB)的分数值来表示绝对精度

14、，例如1LSB等。绝对精度包括量化精度和其它所有精度。相对精度：相对精度是指整个转换范围内，任一数字量所对应的模拟输入量的实际值与理论值之差，用模拟电压满量程的百分比表示。(3)转换时间(Conversion Time)转换时间是指完成一次A/D转换所需的时间，即由发出启动转换命令信号到转换结束信号开始有效的时间间隔。 转换时间的倒数称为转换速率。例如AD570的转换时间为25ps，其转换速率为40kHz。(4)量程量程是指所能转换的模拟输入电压范围，分单极性、双极性两种类型。1.D/A转换的基本原理D/A转换器的基本功能是将数字量转换成与此相对应的模拟量。数模转换器(即DAC)是数字系统和模

15、拟系统的接口，它将输入的二进制代码转换为相应的模拟电压输出。数模转换有多种方法，如权电流法、权电阻法、T型R2R网络法等。D/A转换的原理，不妨从基本的数字表达式来切入，通常一个模拟量可以用加权的二进制数字来表示，其中加权系数为“”或“”。而在物理实现上，这“”或“”正是门控信号，至于加权的物理意义，可以是“权电阻”或“权电流”等。于是有了相应的权电阻方式或电流方式（又称型电阻方式）。对于A/D转换原理而言，有两种基本方式，即直接方式和间接方式。直接方式的测量机理类似于“天平”，在天平的一端“放”待测的模拟量，另一端则“放”有D/A转换器所产生的已知模拟量；间接方式的原理是将待测的模拟量转换成

16、计算机容易测量的物理量，如时间、频率等。一个简单的权电阻解码网络D/A转换器，如图4-14所示，它由四个基本单元构成，即：(1) 电阻网络:包括2R、4R、8R、2nR（共n个电阻），分别用来产生权重电流I0、I1、n。(2) 开关：共有S0、S1、S2、Sn共n个开关，根据数值“”或“”分别接通或切断各个权重电流I0、I1、I2、In。(3) 参考电压:参考电压VR、是模拟量基准值。(4) 运算放大器:运算放大器将每一位权重电流I0、I1、n叠加起来，并将总电流转换成电压V0。运算放大器的增益和阻抗很高，可以认为它的反相输入端点的电压VA近似地等同于同相输入端电压VB，是地电位，则称VA是虚

17、地。【例4-1】位权电阻网络D/A转换电路如图4-14所示。它由求和运算放大器、基准电压UREF、权电阻网络和电子模拟开关S0S3等四部分组成。在位权电阻网络D/A转换中，当电子开关S0S3都接1端时，流入求和运算放大器反相输入端A的总电流为多少,输出电压是多少？图4-14 权电阻解码原理图4.4.1触摸屏的工作原理4.4.2 S3C2410触摸屏控制器4.4.3 S3C2410触摸屏软件设计1.触摸屏的分类2.触摸屏的工作原理(1)红外线触摸屏(2)电阻式触摸屏 (3)电容式触摸屏 (4)声表面波式触摸屏最常见的是电阻式触摸屏，因此这里只介绍电阻式触摸屏。电阻触摸屏是一多层的复合膜，由一层玻

18、璃或有机玻璃作为基层，表面涂有一层透明的导电层，上面再盖有一层塑料层，它的内表面也涂有一层透明的导电层，在两层导电层之间有许多细小的透明隔离点把它们隔开绝缘，如图4-18所示。 图4-18 触摸屏结构当手指或笔触摸屏幕时，平常相互绝缘的两层导电层就在触摸点位置有了一个接触，因其中一面导电层（顶层）接通 X 轴方向的 5V 均匀电压场(图 a)，使得检测层（底层）的电压由零变为非零，控制器侦测到这个接通后，进行 A/D 转换，并将得到的电压值与 5V 相比即可得触摸点的 X轴坐标为（原点在靠近接地点的那端）： Xi=Lx*Vi/V（即分压原理） 同理得出 Y轴的坐标，这就是所有电阻触摸屏共同的基

19、本原理。 图4-19 触摸屏基本原理4.5.1 CRT显示器4.5.2 LED显示器4.5.3 LCD显示器4.5.4 LCD控制器4.5.5 LCD接口编程图4-23 阴极射线管结构图图4-24 CRT显示器LED（light emitting diode，发光二极管）是一种通过控制半导体发光二极管的显示方式，用来显示文字、图形、图像、动画、行情、视频、录像信号等各种信息的显示屏幕。自从1968年第一批发光二极管开始进入市场，至今已有三十多年，随着新材料的开发和工艺的改进，发光二极管趋于高亮度化、全色化，在氮化镓基底的蓝色发光二极管出现后，更是扩展了其应用领域，包括：大屏幕彩色显示、照明灯具

20、、激光器、多媒体显像、LCD背景光源、探测器、交通信号灯、仪器仪表、光纤通讯、卫星通讯、海洋光通讯、图形识别等等，但目前还主要是作为照明和显示用。LED显示器有多种形式，常用的是七段LED显示器和点阵LED显示器。LED可以分为共阳极和共阴极两种结构，将所有的阳极接在一起，称为共阳极，数码输入端低电平有效，当某一段得到低电平时便发光。将所有的阴极接在一起称为共阴极，数码显示端高电平有效，当某段处于高电平时便发光。由于每个发光二极管通常需要2mA20 mA 的驱动电流才能发光，电流越大，二极管越亮，因此七段LED显示器必须用一个七段的驱动器才能正常工作，共阴极一般比共阳极亮，所以，多数场合用共阴

21、极。如图4-27(c)所示，采用共阴极数码管，阴极接地；如果采用共阳极数码管，则阳极接地。驱动电路一般由三极管构成，也可以用小规模集成电路。图4-25 LED数码管与并行口的连接点阵LED显示器分为图文显示屏和视频显示屏，均由LED矩阵块组成。图文显示屏可与计算机同步显示汉字、英文文本和图形；视频显示屏采用微型计算机进行控制，图文、图像并茂，以实时、同步、清晰的信息传播方式播放各种信息，还可显示二维、三维动画、录像、电视、VCD节目以及现场实况。LED显示屏显示画面色彩鲜艳，立体感强，静如油画，动如电影，广泛应用于车站、码头、机场、商场、医院、宾馆、银行、证券市场、建筑市场、拍卖行、工业企业管

22、理和其它公共场所。图4-26 点阵式显示器结构液晶显示器(LCD)英文全称为Liquid Crystal Display，它一种是采用了液晶控制透光度技术来实现色彩的显示器。和CRT显示器相比，LCD的优点是很明显的。由于通过控制是否透光来控制亮和暗，当色彩不变时，液晶也保持不变，这样就无须考虑刷新率的问题。LCD显示器还通过液晶控制透光度的技术原理让底板整体发光，所以它做到了真正的完全平面。一些高档的数字LCD显示器采用了数字方式传输数据、显示图像，这样就不会产生由于显卡造成的色彩偏差或损失。完全没有辐射，即使长时间观看LCD显示器屏幕也不会对眼睛造成很大伤害。体积小、能耗低也是CRT显示器

23、无法比拟的，一般一台15寸LCD显示器的耗电量也就相当于17寸纯平CRT显示器的三分之一。1.LCD的分类2.LCD基本原理3.LCD的主要概念4.LCD驱动接口就使用范围分:LCD可分为笔记本电脑（Notebook）LCD以及桌面电脑（Desktop）LCD按照物理结构分:LCD可分为无源矩阵和有源矩阵显示器，前者常用的有双扫描无源阵列显示器（DSTN-LCD），后者常用的有薄膜晶体管有源阵列显示器（TFT-LCD）。图4-27 LCD原理图液晶的这些特点使得它可以被用来当作一种开关即可以阻碍光线，也可以允许光线通过。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

24、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。结果便是这个扭曲的螺旋层使通过的光线也发生扭曲。如果电流通过液晶，所有的分子将会按照电流的方向进行排列，这样就会消除光线的扭转。如果将一个偏振滤光器放置在液晶层的上表面，扭转的光线通过(如图4-27 图 A)，而没有发生扭转的光线(如图4-27 图B)将被阻碍。因此可以通过电流的通断改变 LCD 中的液晶排列，使光线在加电时射出，而不加电时被阻断。也有某些设计为了省电的需要，有电流时，光线不能通过，没有电流时，光线通过。LCD 显示器的基本原理就是通过给不同的液晶单元供电

25、，控制其光线的通过与否，从而达到显示的目的。因此，LCD 的驱动控制归于对每个液晶单元的通断电的控制，每个液晶单元都对应着一个电极，对其通电，便可使光线通过（也有刚好相反的，即不通电时光线通过，通电时光线不通过）。像素：一个像素就是LCD上的一个点，是显示屏上所能控制的最小单位。分辨率：最大分辨率是指显示卡能在显示器上描绘点数的最大数量，通常以“横向点数纵向点数”表示，例如“640480”，这是图形工作者最注重的性能，在嵌入式系统中横向和纵向点数通常用到的数目为320，240，480，640，等几种组合。色深：是指在某一分辨率下，每一个像素点可以有多少种色彩来描述，它的单位是“bit”位。刷新

26、频率：是指图像在屏幕上更新的速度，也即屏幕上的图像每秒钟出现的次数，它的单位是赫兹（HZ）。显存：是用于存放数据的，只不过它存放的是需要显示的数据，在嵌入式系统中，显存一般是占用片外的SDRAM，然后通过某种方式（一般采用DMA方式）将需要显示的数据传输到LCD缓存上，用于显示。【例4-1】如果要在1024X768分辨率下达到16位色深，显存必须最少为多大？分析：显存与分辨率、色深的关系是：显存分辨率X 色深，因此需要1024X768 X16=12582912bit的信息，由于1Bytes(字节)8bit（位），计算机中的1KB（千字节）1024 Bytes，1MB（兆字节）1024KB，所以显存至少125829128102410241.5M。4.6.1 LCD控制器概述4.6.2 控制流程4.6.3 LCD接口编程图4-28 LCD控制器结构 S3C2410芯片提供的接口信号线包括24根数据线和9根控制信号线，主要使用的信号有如下几种： VCLK/LCD_HCLK：象素时钟信号（STN/TFT）/SEC TFT信号 。