嵌入式系统10(外部设备与通信接口)

嵌入式系统10(外部设备与通信接口)第一页，共70页。本节内容GPIOLED键盘显示接口触摸屏ADCDACSPII2CUSBUARTEthernetCAN2第二页，共70页。GPIOI/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：英文全称为General-PurposeI/Oports，也就是通用I/O口，是I/O的最基本形式。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数据寄存器：数据寄存器的各位都直接引到芯片外部。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。3第三页，共70页。GPIO的应用GPIO的形式多样，因具体CPU不同而不同。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4第四页，共70页。5第五页，共70页。6第六页，共70页。PXA270-GPIO框图7第七页，共70页。GPIO应用示例LED最简单的输出形式多用于状态显示键盘最简单的输入形式8第八页，共70页。LED应用示例9第九页，共70页。键盘键盘的分类线性键盘：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。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。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、译键方法非编码键盘：用软件方法识键、译键。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。10第十页，共70页。键盘的按键机械式按键由两个金属片和复位弹簧组成容易产生抖动，金属片易氧化电容式按键由一可活动金属片改变电容量来构成无机械触点，无氧化变脏问题薄膜式按键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利用霍尔效应，无机械触点，密封好，价格高11第十一页，共70页。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：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。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。12第十二页，共70页。矩阵键盘示例13第十三页，共70页。旋转编码器示例14第十四页，共70页。显示接口液晶显示器（LiquidCrystalDisplay）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。如果提供带有细小沟槽的外层，液晶会顺着槽排列。液晶能使光线发生扭转15第十五页，共70页。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。16第十六页，共70页。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。17第十七页，共70页。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。18第十八页，共70页。LCD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。19第十九页，共70页。LCD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：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。20第二十页，共70页。LCD种类TN（扭曲向列）最早商用的LCD，液晶可以扭转90º，以小尺寸黑白文字显示为主。STN（超扭曲向列）（无源阵列）通过改变液晶材料的化学成分，使液晶分子发生不止一次扭转，可以扭转180º，甚至210º、270º等，从而大大改善了画面的显示品质。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）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。反应快、品质佳，适用于大型动画显示，应用领域广泛功耗较大。21第二十一页，共70页。LCD设计方法LCD的接口多种多样，分类很细。带有驱动电路的LCD显示模块常常使用总线方式来驱动可方便的与各种低档控制器进行接口由于驱动电路的存在，体积较大不带驱动电路的LCD显示模块需要与驱动电路配合使用体积小，轻便可与带有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22第二十二页，共70页。其它显示接口发光二极管常作状态显示发光二极管阵列数码管七段发光管其它发光管模块VGA接口（VideoGraphicArray）模拟接口由R、G、B三基色信号；HS，行同步信号；VS场同步信号组成。23第二十三页，共70页。触摸屏触摸屏由触摸检测部件和触摸屏控制器组成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；触摸屏控制器的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。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。24第二十四页，共70页。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：电阻式：利用压力感应进行控制。电容感应式：利用人体的电流感应进行工作。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。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25第二十五页，共70页。电阻式触摸屏电阻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。26第二十六页，共70页。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。27第二十七页，共70页。28第二十八页，共70页。29第二十九页，共70页。30第三十页，共70页。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。31第三十一页，共70页。ADC所谓模/数转换器就是把电模拟量转换成数字量的电路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转换的方法计数式（并行）双积分式逐次逼近式32第三十二页，共70页。DACD/A转换器的功能将数字量转换成模拟量D/A转换器的原理可以归纳为“按权展开，然后相加”。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：二进制加权电阻网络T型电阻网络。33第三十三页，共70页。ADC、DAC的应用性能参数分辨率（位数）绝对精度建立时间线性度注意事项根据应用需求选择性能参数满足要求的芯片尽量利用控制器内置的转换模块调理电路确保ADC输入电压在可转换范围以内34第三十四页，共70页。SPI串行外围设备接口（SerialPeripheralInterface）由Motorola公司开发是一种高速的，全双工，同步的串行通信总线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是同步协议接口不同于UART接口（异步串行接口）35第三十五页，共70页。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：MOSI–主器件数据输出、从器件数据输入MISO–主器件数据输入、从器件数据输出SCLK–时钟信号，由主器件产生/SS

–从器件使能信号，由主器件控制36第三十六页，共70页。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37第三十七页，共70页。在多个从器件的系统中，每个从器件需要独立的使能信号38第三十八页，共70页。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39第三十九页，共70页。设计示例40第四十页，共70页。I2CI2C(Inter－IntegratedCircuit)总线由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总线特点简单的2线，占用空间小能够以100Kbps的最大传输速率支持40个组件支持多主控(multimastering)，其中任何能够进行发送和接收的设备都可以成为主总线，但在任何时间点上只能有一个主控。双向传输，与公共时钟同步两根线都是开漏的（open-drain），连接方便41第四十一页，共70页。42第四十二页，共70页。I2C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。43第四十三页，共70页。44第四十四页，共70页。I2C总线传送的信号类型开始信号：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。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。45第四十五页，共70页。46第四十六页，共70页。设计示例47第四十七页，共70页。USB通用串行总线（UniversalSerialBus）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48第四十八页，共70页。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。49第四十九页，共70页。50第五十页，共70页。传输速率低速1.5Mbps全速12Mbps高速480Mbps超速（SuperspeedUSB）5.0GbpsUSB1.1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51第五十一页，共70页。USB系统USB主机任一USB系统中只有一个主机，它负责管理整个USB系统包括USBDevice的连接与删除，Host与USBDevice的通信路线的控制等。USB设备Hub（集线器）：提供到USB的附加连接点Function（功能）：为主机系统提供附加性能USB互联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52第五十二页，共70页。USB传输方式控制传输控制传输是双向传输，数据量通常较小。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同步传输提供了确定的带宽和间隔时间（latency）。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。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。这种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。53第五十三页，共70页。设计示例54第五十四页，共70页。UARTUART（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输出/输入的电平为TTL电平工业标准的UART，如16C500此类UART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。55第五十五页，共70页。RS-232RS-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：逻辑1(MARK)=-3V～-15V逻辑0(SPACE)=+3～+15V在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制线上：信号有效（接通，ON状态，正电压）＝+3V～+15V信号无效（断开，OFF状态，负电压)=-3V～-15V56第五十六页，共70页。TTLRS232转换芯片57第五十七页，共70页。计算机串口通信常用连接58第五十八页，共70页。其它串口通信RS-422由RS-232发展而来差分传输将传输速率提高到10Mbps（RS-232在1M以下）单发多收，最多可连接10个接收器RS-485在RS-422的基础上定制了RS-485具有多点、双向通信能力，最多可接32个接收器通信距离长，可达千米以外59第五十九页，共70页。以太网以太网（Ethernet）协议已经非常广泛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60第六十页，共70页。嵌入式以太网接口的实现嵌入式处理器＋网卡芯片只需把特定的以太网芯片连接到嵌入式处理器的总线上通用性强，不受处理器的限制。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要求嵌入式处理器有通用的网络接口（MII接口）这种处理器通常是面向网络应用设计的处理器和网络数据的交换通过内部总线，速度较快61第六十一页，共70页。TCP/IP协议应用层BSD套接字传输层TCP、UDP网络层IP、ARP、ICMP、IGMP数据链路层IEEE802.3EthernetMAC物理层

注：带有以太网接口的处理器只含有MAC层网卡62第六十二页，共70页。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63第六十三页，共70页。设计示例64第六十四页，共70页。CAN控制器局域网CAN(ControllerAreaNet)一种现场总线，最初被用于