嵌入式系统嵌入式系统第十讲第十讲第十讲第十讲外部设备及通信接口外部设备及通信接口外部设备及通信接口外部设备及通信接口西安电子科技大学计算机学院2本节内容本节内容GPIOLED键盘键盘显示接口显示接口触摸屏触摸屏ADCDACSPII2CUSBUARTEthernetCAN西安电子科技大学计算机学院3GPIOGPIOI/O（Input/Output）接口是一个微控制器）接口是一个微控制器必须具备的最基本的外设功能必须具备的最基本的外设功能。GPIO：q英文全称为General-Purpose I/O ports，也就是通用I/O口，是I/O的最基本形式。qGPIO的另一术语称其为并行I/O（但不同于PC机的并口）。每个每个I/O口一般都对应了两个寄存器口一般都对应了两个寄存器q数据寄存器：数据寄存器：数据寄存器的各位都直接引到芯片外部。q控制寄存器：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。西安电子科技大学计算机学院4GPIOGPIO的应用的应用GPIO的形式多样，因具体的形式多样，因具体CPU不同而不同。不同而不同。q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主要用于简单外部电路控制GPIO数量越多，控制能力越强数量越多，控制能力越强ARM处理器将处理器将GPIO映射成了内存地址映射成了内存地址（统一编址）。（统一编址）。对对GPIO的读写不同于内存，不能缓冲的读写不同于内存，不能缓冲硬件设计需要考虑硬件设计需要考虑I/O的驱动能力的驱动能力西安电子科技大学计算机学院5西安电子科技大学计算机学院6西安电子科技大学计算机学院7PXA270-GPIO框图框图西安电子科技大学计算机学院8GPIOGPIO应用示例应用示例LEDq最简单的输出形式q多用于状态显示键盘键盘q最简单的输入形式西安电子科技大学计算机学院9LED应用示例应用示例西安电子科技大学计算机学院10键盘键盘键盘的分类键盘的分类q线性键盘：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。q矩阵键盘：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。q旋转编码器：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、译键方法按矩阵键盘识键、译键方法q非编码键盘：非编码键盘：用软件方法识键、译键。q编码键盘：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。西安电子科技大学计算机学院11键盘的按键键盘的按键机械式按键机械式按键q由两个金属片和复位弹簧组成q容易产生抖动，金属片易氧化电容式按键电容式按键q由一可活动金属片改变电容量来构成q无机械触点，无氧化变脏问题薄膜式按键薄膜式按键q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霍耳效应按键q利用霍尔效应，无机械触点，密封好，价格高西安电子科技大学计算机学院12常用的矩阵键盘接口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嵌入式系统中常见键盘形式是非编码的矩阵键盘。阵键盘。常见的矩阵键盘扫描方法有：常见的矩阵键盘扫描方法有：q行扫描法：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。q行反转法：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。西安电子科技大学计算机学院13矩阵键盘示例矩阵键盘示例西安电子科技大学计算机学院14旋转编码器示例旋转编码器示例西安电子科技大学计算机学院15显示接口显示接口液晶显示器（液晶显示器（LiquidCrystalDisplay）qLCD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液晶：以液态形式存在的晶体q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。q如果提供带有细小沟槽的外层，液晶会顺着槽排列。q液晶能使光线发生扭转西安电子科技大学计算机学院16液晶显示原理液晶显示原理液晶的这些特点使得它可以被用来当作一液晶的这些特点使得它可以被用来当作一种开关种开关。液晶单元的底层是由细小的脊构成的，这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；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，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。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结果便是这个扭曲了的螺旋层使通过的光线也发生扭曲。线也发生扭曲。西安电子科技大学计算机学院17光线穿过示意图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。西安电子科技大学计算机学院18光线阻断示意图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。西安电子科技大学计算机学院19LCDLCD显示器原理显示器原理LCD的基本原理就是通过给不同的液晶单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元供电，控制其光线的通过与否而达到显示的目的。示的目的。LCD显示器中，显示面板薄膜被分成很多显示器中，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小栅格（像素），每个栅格由一个电极控制。制。彩色彩色LCD面板中，每个像素都是由面板中，每个像素都是由3格液晶格液晶单元构成，每个单元格前面都分别有红色、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。绿色或蓝色的过滤片进行三原色滤光。西安电子科技大学计算机学院20LCDLCD的光源的光源液晶显示器是一种被动光源的显示器，自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。根据光身不能发光，只能借助外界光源。根据光源形式有：源形式有：q透射式：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q反射式：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。西安电子科技大学计算机学院21LCDLCD种类种类TN（扭曲向列）（扭曲向列）q最早商用的LCD，液晶可以扭转90，以小尺寸黑白文字显示为主。STN（超扭曲向列）（无源阵列）（超扭曲向列）（无源阵列）q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180，甚至210、270等，从而大大改善了画面的显示品质。q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）（薄膜晶体管）（有源阵列）q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。q反应快、品质佳，适用于大型动画显示，应用领域广泛q功耗较大。西安电子科技大学计算机学院22LCDLCD设计方法设计方法LCD的接口多种多样，分类很细。的接口多种多样，分类很细。带有驱动电路的带有驱动电路的LCD显示模块显示模块q常常使用总线方式来驱动q可方便的与各种低档控制器进行接口q由于驱动电路的存在，体积较大不带驱动电路的不带驱动电路的LCD显示模块显示模块q需要与驱动电路配合使用q体积小，轻便q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还有一些显示模块带有字库西安电子科技大学计算机学院23其它显示接口其它显示接口发光二极管发光二极管q常作状态显示q发光二极管阵列数码管数码管q七段发光管q其它发光管模块VGA接口（接口（VideoGraphicArray）q模拟接口q由R、G、B三基色信号；HS，行同步信号；VS场同步信号组成。西安电子科技大学计算机学院24触摸屏触摸屏触摸屏由触摸检测部件和触摸屏控制器组成触摸屏由触摸检测部件和触摸屏控制器组成q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；q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 。qCPU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。 西安电子科技大学计算机学院25触摸屏的主要类型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，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：我们把触摸屏分为四种：q电阻式：电阻式：利用压力感应进行控制。 q电容感应式：电容感应式：利用人体的电流感应进行工作。 q红外线式：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。 q表面声波式表面声波式：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 西安电子科技大学计算机学院26电阻式触摸屏电阻式触摸屏电阻触摸屏的主要部分是一块与显示器表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。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英寸）的透明隔离点把两层导电层隔开绝缘。开绝缘。西安电子科技大学计算机学院27手指触摸屏幕时，两层导电层在触摸点位手指触摸屏幕时，两层导电层在触摸点位置就有了接触，电阻发生变化。置就有了接触，电阻发生变化。在在X和和Y两个方向上产生的信号经两个方向上产生的信号经A/D转换转换后送触摸屏控制器计算出（后送触摸屏控制器计算出（X，Y）的位置。）的位置。电阻类触摸屏的关键在于材料科技电阻类触摸屏的关键在于材料科技。西安电子科技大学计算机学院28西安电子科技大学计算机学院29西安电子科技大学计算机学院30西安电子科技大学计算机学院31模模/ /数、数数、数/ /模转换器模转换器我们处在一个数字时代，而我们的视觉、听觉、感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，这正是模拟数字转字世界与模拟世界联系在一起，这正是模拟数字转换器换器(ADC)和数字模拟转换器和数字模拟转换器(DAC)的作用。的作用。西安电子科技大学计算机学院32ADCADC所谓模所谓模/数转换器就是把电模拟量转换成数数转换器就是把电模拟量转换成数字量的电路字量的电路q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转换的方法转换的方法q计数式（并行）q双积分式q逐次逼近式西安电子科技大学计算机学院33DACDACD/A转换器的功能转换器的功能q将数字量转换成模拟量D/A转换器的原理转换器的原理q可以归纳为“按权展开，然后相加”。q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：解码网络通常有两种：q二进制加权电阻网络qT型电阻网络。西安电子科技大学计算机学院34ADCADC、DACDAC的应用的应用性能参数性能参数q分辨率（位数 ） q绝对精度q建立时间q线性度注意事项注意事项q根据应用需求选择性能参数满足要求的芯片q尽量利用控制器内置的转换模块q调理电路确保ADC输入电压在可转换范围以内西安电子科技大学计算机学院35SPISPI串行外围设备接口（串行外围设备接口（SerialPeripheralInterface）q由Motorola公司开发q是