第4章基本輸入輸出接口

1、4.1輸入輸出接口概述4.2鍵盤和鼠標接口4.3 A/D轉換器4.4觸摸屏接口4.5顯示器接口4.6 LCD控制器接口4.7音頻接口通常的I/O接口示意圖如圖4-1所示：I/O接口內(nèi)部通常由數(shù)據(jù)、狀態(tài)、控制三類寄存器組成，CPU可分別對數(shù)據(jù)、狀態(tài)、控制三種端口（port）尋址，并與之交換信息。這三種端口被簡稱為數(shù)據(jù)口、狀態(tài)口、控制口。 GPIO，英文全稱為General-Purpose IO ports，也就是通用輸入輸出口。在嵌入式系統(tǒng)中常常數(shù)量眾多，接口至少有兩個寄存器，即“通用IO控制寄存器”與“通用IO數(shù)據(jù)寄存器”。4.2.1 鍵盤接口4.2.2 PS/2接口最簡單的鍵盤如圖4-4所示

2、，其中每個鍵對應I/O端口的一位。沒有鍵閉合時，各位均處于高電平；當有一個鍵按下時，就使對應位接地而成為低電平，而其它位仍為高電平。這樣，CPU只要檢測到某一位為0，便可判別出對應鍵已按下。 圖4-4 鍵盤原理為了識別鍵盤上的閉合鍵，通?？梢圆捎脙煞N方式：行掃描法和行反轉法。(1)行掃描法 圖4-4是一個3行3列組成的鍵盤。行掃描法識別按鍵的原理如下：先使第0行接低電平，其余行為高電平，然后看第0行是否有鍵閉合。這是通過檢查列線電位來實現(xiàn)的，即在第0行接低電平時，看是否有哪條列線變成低電平。如果有某列線變?yōu)榈碗娖剑瑒t表示第0行和此列線相交位置上的鍵被按下；如果沒有任何一條列線為低電平，則說明第

3、0行沒有任何鍵被按下。此后，再將第1行接低電平，檢測是否有變?yōu)榈碗娖降牧芯€。如此重復地掃描，直到最后一行。在掃描過程中，當發(fā)現(xiàn)某一行有鍵閉合時，也就是列線輸入中有一位為0時，便退出掃描，通過組合行線和列線即可識別此刻按下的是哪一鍵。（2）行反轉法行反轉法也是識別鍵盤的常用方法。它的原理是：將行線接一個數(shù)據(jù)端口，先讓它工作在輸出方式；將列線也接到一個數(shù)據(jù)端口，先讓它工作在輸入方式。程序使CPU通過輸出端口往各行線上送低電平，然后讀入列線值。如果此時有某鍵被按下，則必定會使某列線值為0。接著，程序再對兩個端口進行方式設置，使接行線的端口改為輸入方式，接列線的端口改為輸出方式。并且，將剛才讀得的列值

4、從列線所接端口輸出，再讀取行線的輸入值，那么，閉合鍵所在的行線值必定為0。這樣，當一個鍵被按下時，必定可以讀得一對唯一的行值和列值。當鍵盤設計時，除了對鍵碼的識別外，還有兩個問題需要解決：抖動和重鍵。當用手按下一個鍵時，往往會出現(xiàn)按鍵在閉合和斷開位置之間跳幾下才穩(wěn)定到閉合狀態(tài)的情況；在釋放一個鍵時，也會出現(xiàn)類似的情況，這就是抖動。抖動持續(xù)時間隨操作員而異，一般不大于10ms。抖動問題不解決就會引起對閉合鍵的錯誤識別。所謂重鍵就是指兩個或多個鍵同時閉合。出現(xiàn)重鍵時，讀取的鍵值必然出現(xiàn)有一個以上的0。于是就產(chǎn)生了到底是否給予識別哪一個鍵的問題，可以用連鎖法，巡回法加以識別PC/XT鍵盤（83），A

5、T鍵盤（84101），PS/2鍵盤（84101）,USB鍵盤一般，具有五腳連接器的鍵盤稱之為AT鍵盤，而具有六腳mini-DIN連接器的鍵盤則稱之為PS/2鍵盤。其實這兩種連接器都只有四個腳有意義。它們分別是Clock（時鐘腳）、Data數(shù)據(jù)腳、+5V（電源腳）和Ground(電源地）。在PS/2鍵盤與PC機的物理連接上只要保證這四根線一一對應就可以了。PS/2鍵盤靠PC的PS/2端口提供+5電源。 圖4-7 PS/2鍵盤接口(1)檢測時鐘線電平，確認它處于高電平,若不是，表示主機抑制通信，此時緩沖數(shù)據(jù)，直到主機釋放時鐘。(2)檢測數(shù)據(jù)線是否為高，如果為高則繼續(xù)執(zhí)行，如果為低，則放棄發(fā)送(此時

6、pc機在向ps/2設備發(fā)送數(shù)據(jù)，所以ps/2設備要轉移到接收程序處接收數(shù)據(jù))(3)輸出起始位(0)到數(shù)據(jù)線上。這里要注意的是：在送出每一位后都要檢測時鐘線，以確保機沒有抑制ps/2設備，如果有則終止發(fā)送；(4)輸出個數(shù)據(jù)位到數(shù)據(jù)線上；(5)輸出校驗位；(6)輸出停止位；(1)拉低Clock至少100us來禁止通信. (2)拉低數(shù)據(jù)線，請求 Request-to-send, 然后釋放時鐘.(3)設備應該在不超過10ms(注意，是毫秒)的間隔內(nèi)就要檢查一次這個狀態(tài),當設備檢測到這個狀態(tài)，它將開始產(chǎn)生時鐘信號。 (4)只有當Clock為低的時候，主機才可以改變數(shù)據(jù)線（也就是將數(shù)據(jù)寫入到數(shù)據(jù)線）。數(shù)據(jù)

7、將在Clock為高電平的時候被設備讀取。(5)在收到停止位之后，設備將通過拉低數(shù)據(jù)線，生成最后一個時鐘脈沖來應答收到的字節(jié)圖4-9 主機到鍵盤的通信時序PS/2接口是目前最常見的鼠標接口，最初是IBM公司的專利，俗稱“小口”。這是一種鼠標和鍵盤的專用接口，是一種6針的圓型接口。但鼠標只使用其中的4針傳輸數(shù)據(jù)和供電，其余2個為空腳。PS/2接口的傳輸速率比COM接口稍快一些，而且是ATX主板的標準接口，是目前應用最為廣泛的鼠標接口之一，但仍然不能使高檔鼠標完全發(fā)揮其性能，而且不支持熱插拔。4.3.1 概述4.3.2 A/D轉換的原理和方法4.3.3 D/A轉換的方法4.3.4A/D轉換電路圖4-

8、10 典型的微型機自動控制系統(tǒng)圖中各部件的作用如下：(1)傳感器：亦稱換能器，是把現(xiàn)場各種物理信號按一定規(guī)律轉換成與其對應的電信號。它是實現(xiàn)測量和控制的首要環(huán)節(jié)，是測控系統(tǒng)的關鍵部件。(2)放大器：經(jīng)傳感器轉換后的電量如電流、電壓的信號很小，很難進行模數(shù)轉換，因此，必須有放大環(huán)節(jié)。放大器即把傳感器輸出的電信號放大到A/D轉換所需要的量程范圍。(3)低通濾波器：低通濾波器的作用是選出有用的頻率信號，抑制無用的雜散高頻干擾，提高信噪比。(4)多路開關：在計算機控制系統(tǒng)中，若測量的模擬信號有幾路或幾十路，考慮到控制系統(tǒng)的成本，可采用多路開關對被測信號進行切換，使各種信號共用一個A/D轉換器。多路切換

9、的方法有兩種：一種是外加多路模擬開關，如多路輸入一路輸出的多路開關有：AD7501，AD7503，CD4097，CD4052等。另一種是選用內(nèi)部帶多路轉換開關的A/D轉換器，如ADC0809等。(5)采樣保持電路：從啟動信號轉換到轉換結束的數(shù)字量輸出，經(jīng)過一定的時間， 而模擬量轉換期間，要求模擬信號保持不變，所以必須用采樣保持器。該電路具有兩個功能：采樣跟蹤輸入信號；保持暫停跟蹤輸入信號，保持已采集的輸入信號，確保在A/D轉換期間保持輸入信號不變。(6)A/D轉換器：把采樣保持電路鎖存的模擬信號轉換成數(shù)字信號，等待CPU用輸入指令讀到計算機內(nèi)。實現(xiàn)A/D(模，數(shù))轉換的方法很多，常用的方法有:

10、1.計數(shù)式A/D轉換法2.雙積分法3.逐次逼近法4.A/D轉換的重要指標圖4-11計數(shù)式A/D轉換原理圖具體工作過程如下：(1)首先啟動“開始轉換”信號S。當S由高變低時，“計數(shù)器”清0，D/A轉換器輸出V0=0，“比較器”輸出1，即C=1，計數(shù)器允許計數(shù)。 (2)當S由低變高時，計數(shù)器開始計數(shù)，隨著計數(shù)的進行，不斷增加。致使輸出電壓u不斷上升。 在V0V1，“比較器”輸出0。一方面C=0，計數(shù)停止；另一方面，“比較器”的輸出也作為“轉換結束”信號EOC，它用來通知計算機，己完成一次A/D轉換。此時，計數(shù)器的值作為轉換結果的數(shù)字量。圖4-12 雙積分式A/D轉換原理圖具體工作過程如下：(1)轉

11、換前，“控制邏輯”輸出S0=1，使積分電容C完全放電。(2)當“轉換開始”信號Vs由低變高時，轉換開始，S0斷開，允許積分電容C充電?！翱刂七壿嫛笔筍1=1，模擬輸入Vi對電容C充電，比較器輸出高電平。（第一次積分）(3)經(jīng)T1時間后，“控制邏輯”使S1=0，電容C對標準電壓Vr放電，同時啟動“計數(shù)器”開始計數(shù)，比較器輸出高電平。（第二次，反向積分）。(4)當電容放電使放大器輸出0時，比較器輸出低電平，轉換結束，計數(shù)停止。圖4-13 逐次逼近式A/D轉換原理圖具體工作過程如下：(1)首先發(fā)出“啟動信號”信號S。當S由高變低時，“逐次逼近寄存器SAR”清0，DAC輸出Vo=0，“比較器”輸出1。

12、當S變?yōu)楦唠娖綍r， “控制電路”使SAR開始工作。(2)SAR首先產(chǎn)生8位數(shù)字量的一半，即10000000B,試探模擬量的Vi大小，若VoVi，“控制電路”清除最高位，若VoVi,清除最高位。(3)在最高位確定后，SAR又以對分搜索法確定次高位，即以低7位的一半y1000000B(y為已確定位) 試探模擬量Vi的大小。在bit6確定后，SAR以對分搜索法確定bit5位，即以低6位的一半yy100000B(y為已確定位) 試探模擬量Vi的大小。重復這一過程，直到最低位bit0被確定。(4)在最低位bit0確定后，轉換結束，“控制電路”發(fā)出“轉換結束”信號EOC。該信號的下降沿把SAR的輸出鎖存在

13、“緩沖寄存器”里，從而得到數(shù)字量輸出。 從轉換過程可以看出啟動信號為負脈沖有效。 轉換結束信號為低電平。(1)分辨率(Resolution)分辨率反映A/D轉換器對輸入微小變化響應的能力，通常用數(shù)字輸出最小有效位(LSB)所對應的模擬輸入的電平值表示。(2)精度(Accuracy)精度有絕對精度(Absolute Accuracy)和相對精度(Relative Accuracy)兩種表示方法。絕對精度：在一個轉換器中，對應于一個數(shù)字量的實際模擬輸入電壓和理想的模擬輸入電壓之差并非是一個常數(shù)。我們把它們之間的差的最大值，定義為“絕對精度”。通常以數(shù)字量的最小有效位(LSB)的分數(shù)值來表示絕對精度

14、，例如1LSB等。絕對精度包括量化精度和其它所有精度。相對精度：相對精度是指整個轉換范圍內(nèi)，任一數(shù)字量所對應的模擬輸入量的實際值與理論值之差，用模擬電壓滿量程的百分比表示。(3)轉換時間(Conversion Time)轉換時間是指完成一次A/D轉換所需的時間，即由發(fā)出啟動轉換命令信號到轉換結束信號開始有效的時間間隔。 轉換時間的倒數(shù)稱為轉換速率。例如AD570的轉換時間為25ps，其轉換速率為40kHz。(4)量程量程是指所能轉換的模擬輸入電壓范圍，分單極性、雙極性兩種類型。1.D/A轉換的基本原理D/A轉換器的基本功能是將數(shù)字量轉換成與此相對應的模擬量。數(shù)模轉換器(即DAC)是數(shù)字系統(tǒng)和模

15、擬系統(tǒng)的接口，它將輸入的二進制代碼轉換為相應的模擬電壓輸出。數(shù)模轉換有多種方法，如權電流法、權電阻法、T型R2R網(wǎng)絡法等。D/A轉換的原理，不妨從基本的數(shù)字表達式來切入，通常一個模擬量可以用加權的二進制數(shù)字來表示，其中加權系數(shù)為“”或“”。而在物理實現(xiàn)上，這“”或“”正是門控信號，至于加權的物理意義，可以是“權電阻”或“權電流”等。于是有了相應的權電阻方式或電流方式（又稱型電阻方式）。對于A/D轉換原理而言，有兩種基本方式，即直接方式和間接方式。直接方式的測量機理類似于“天平”，在天平的一端“放”待測的模擬量，另一端則“放”有D/A轉換器所產(chǎn)生的已知模擬量；間接方式的原理是將待測的模擬量轉換成

16、計算機容易測量的物理量，如時間、頻率等。一個簡單的權電阻解碼網(wǎng)絡D/A轉換器，如圖4-14所示，它由四個基本單元構成，即：(1) 電阻網(wǎng)絡:包括2R、4R、8R、2nR（共n個電阻），分別用來產(chǎn)生權重電流I0、I1、n。(2) 開關：共有S0、S1、S2、Sn共n個開關，根據(jù)數(shù)值“”或“”分別接通或切斷各個權重電流I0、I1、I2、In。(3) 參考電壓:參考電壓VR、是模擬量基準值。(4) 運算放大器:運算放大器將每一位權重電流I0、I1、n疊加起來，并將總電流轉換成電壓V0。運算放大器的增益和阻抗很高，可以認為它的反相輸入端點的電壓VA近似地等同于同相輸入端電壓VB，是地電位，則稱VA是虛

17、地?！纠?-1】位權電阻網(wǎng)絡D/A轉換電路如圖4-14所示。它由求和運算放大器、基準電壓UREF、權電阻網(wǎng)絡和電子模擬開關S0S3等四部分組成。在位權電阻網(wǎng)絡D/A轉換中，當電子開關S0S3都接1端時，流入求和運算放大器反相輸入端A的總電流為多少,輸出電壓是多少？圖4-14 權電阻解碼原理圖4.4.1觸摸屏的工作原理4.4.2 S3C2410觸摸屏控制器4.4.3 S3C2410觸摸屏軟件設計1.觸摸屏的分類2.觸摸屏的工作原理(1)紅外線觸摸屏(2)電阻式觸摸屏 (3)電容式觸摸屏 (4)聲表面波式觸摸屏最常見的是電阻式觸摸屏，因此這里只介紹電阻式觸摸屏。電阻觸摸屏是一多層的復合膜，由一層玻

18、璃或有機玻璃作為基層，表面涂有一層透明的導電層，上面再蓋有一層塑料層，它的內(nèi)表面也涂有一層透明的導電層，在兩層導電層之間有許多細小的透明隔離點把它們隔開絕緣，如圖4-18所示。 圖4-18 觸摸屏結構當手指或筆觸摸屏幕時，平常相互絕緣的兩層導電層就在觸摸點位置有了一個接觸，因其中一面導電層（頂層）接通 X 軸方向的 5V 均勻電壓場(圖 a)，使得檢測層（底層）的電壓由零變?yōu)榉橇?，控制器偵測到這個接通后，進行 A/D 轉換，并將得到的電壓值與 5V 相比即可得觸摸點的 X軸坐標為（原點在靠近接地點的那端）： Xi=Lx*Vi/V（即分壓原理） 同理得出 Y軸的坐標，這就是所有電阻觸摸屏共同的基

19、本原理。 圖4-19 觸摸屏基本原理4.5.1 CRT顯示器4.5.2 LED顯示器4.5.3 LCD顯示器4.5.4 LCD控制器4.5.5 LCD接口編程圖4-23 陰極射線管結構圖圖4-24 CRT顯示器LED（light emitting diode，發(fā)光二極管）是一種通過控制半導體發(fā)光二極管的顯示方式，用來顯示文字、圖形、圖像、動畫、行情、視頻、錄像信號等各種信息的顯示屏幕。自從1968年第一批發(fā)光二極管開始進入市場，至今已有三十多年，隨著新材料的開發(fā)和工藝的改進，發(fā)光二極管趨于高亮度化、全色化，在氮化鎵基底的藍色發(fā)光二極管出現(xiàn)后，更是擴展了其應用領域，包括：大屏幕彩色顯示、照明燈具

20、、激光器、多媒體顯像、LCD背景光源、探測器、交通信號燈、儀器儀表、光纖通訊、衛(wèi)星通訊、海洋光通訊、圖形識別等等，但目前還主要是作為照明和顯示用。LED顯示器有多種形式，常用的是七段LED顯示器和點陣LED顯示器。LED可以分為共陽極和共陰極兩種結構，將所有的陽極接在一起，稱為共陽極，數(shù)碼輸入端低電平有效，當某一段得到低電平時便發(fā)光。將所有的陰極接在一起稱為共陰極，數(shù)碼顯示端高電平有效，當某段處于高電平時便發(fā)光。由于每個發(fā)光二極管通常需要2mA20 mA 的驅動電流才能發(fā)光，電流越大，二極管越亮，因此七段LED顯示器必須用一個七段的驅動器才能正常工作，共陰極一般比共陽極亮，所以，多數(shù)場合用共陰

21、極。如圖4-27(c)所示，采用共陰極數(shù)碼管，陰極接地；如果采用共陽極數(shù)碼管，則陽極接地。驅動電路一般由三極管構成，也可以用小規(guī)模集成電路。圖4-25 LED數(shù)碼管與并行口的連接點陣LED顯示器分為圖文顯示屏和視頻顯示屏，均由LED矩陣塊組成。圖文顯示屏可與計算機同步顯示漢字、英文文本和圖形；視頻顯示屏采用微型計算機進行控制，圖文、圖像并茂，以實時、同步、清晰的信息傳播方式播放各種信息，還可顯示二維、三維動畫、錄像、電視、VCD節(jié)目以及現(xiàn)場實況。LED顯示屏顯示畫面色彩鮮艷，立體感強，靜如油畫，動如電影，廣泛應用于車站、碼頭、機場、商場、醫(yī)院、賓館、銀行、證券市場、建筑市場、拍賣行、工業(yè)企業(yè)管

22、理和其它公共場所。圖4-26 點陣式顯示器結構液晶顯示器(LCD)英文全稱為Liquid Crystal Display，它一種是采用了液晶控制透光度技術來實現(xiàn)色彩的顯示器。和CRT顯示器相比，LCD的優(yōu)點是很明顯的。由于通過控制是否透光來控制亮和暗，當色彩不變時，液晶也保持不變，這樣就無須考慮刷新率的問題。LCD顯示器還通過液晶控制透光度的技術原理讓底板整體發(fā)光，所以它做到了真正的完全平面。一些高檔的數(shù)字LCD顯示器采用了數(shù)字方式傳輸數(shù)據(jù)、顯示圖像，這樣就不會產(chǎn)生由于顯卡造成的色彩偏差或損失。完全沒有輻射，即使長時間觀看LCD顯示器屏幕也不會對眼睛造成很大傷害。體積小、能耗低也是CRT顯示器

23、無法比擬的，一般一臺15寸LCD顯示器的耗電量也就相當于17寸純平CRT顯示器的三分之一。1.LCD的分類2.LCD基本原理3.LCD的主要概念4.LCD驅動接口就使用范圍分:LCD可分為筆記本電腦（Notebook）LCD以及桌面電腦（Desktop）LCD按照物理結構分:LCD可分為無源矩陣和有源矩陣顯示器，前者常用的有雙掃描無源陣列顯示器（DSTN-LCD），后者常用的有薄膜晶體管有源陣列顯示器（TFT-LCD）。圖4-27 LCD原理圖液晶的這些特點使得它可以被用來當作一種開關即可以阻礙光線，也可以允許光線通過。液晶單元的底層是由細小的脊構成的，這些脊的作用是讓分子呈平行排列。上表面也

24、是如此，在這兩側之間的分子平行排列，不過當上下兩個表面之間呈一定的角度時，液晶隨著兩個不同方向的表面進行排列，就會發(fā)生扭曲。結果便是這個扭曲的螺旋層使通過的光線也發(fā)生扭曲。如果電流通過液晶，所有的分子將會按照電流的方向進行排列，這樣就會消除光線的扭轉。如果將一個偏振濾光器放置在液晶層的上表面，扭轉的光線通過(如圖4-27 圖 A)，而沒有發(fā)生扭轉的光線(如圖4-27 圖B)將被阻礙。因此可以通過電流的通斷改變 LCD 中的液晶排列，使光線在加電時射出，而不加電時被阻斷。也有某些設計為了省電的需要，有電流時，光線不能通過，沒有電流時，光線通過。LCD 顯示器的基本原理就是通過給不同的液晶單元供電

25、，控制其光線的通過與否，從而達到顯示的目的。因此，LCD 的驅動控制歸于對每個液晶單元的通斷電的控制，每個液晶單元都對應著一個電極，對其通電，便可使光線通過（也有剛好相反的，即不通電時光線通過，通電時光線不通過）。像素：一個像素就是LCD上的一個點，是顯示屏上所能控制的最小單位。分辨率：最大分辨率是指顯示卡能在顯示器上描繪點數(shù)的最大數(shù)量，通常以“橫向點數(shù)縱向點數(shù)”表示，例如“640480”，這是圖形工作者最注重的性能，在嵌入式系統(tǒng)中橫向和縱向點數(shù)通常用到的數(shù)目為320，240，480，640，等幾種組合。色深：是指在某一分辨率下，每一個像素點可以有多少種色彩來描述，它的單位是“bit”位。刷新

26、頻率：是指圖像在屏幕上更新的速度，也即屏幕上的圖像每秒鐘出現(xiàn)的次數(shù)，它的單位是赫茲（HZ）。顯存：是用于存放數(shù)據(jù)的，只不過它存放的是需要顯示的數(shù)據(jù)，在嵌入式系統(tǒng)中，顯存一般是占用片外的SDRAM，然后通過某種方式（一般采用DMA方式）將需要顯示的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絃CD緩存上，用于顯示?！纠?-1】如果要在1024X768分辨率下達到16位色深，顯存必須最少為多大？分析：顯存與分辨率、色深的關系是：顯存分辨率X 色深，因此需要1024X768 X16=12582912bit的信息，由于1Bytes(字節(jié))8bit（位），計算機中的1KB（千字節(jié)）1024 Bytes，1MB（兆字節(jié)）1024KB，所以顯存至少125829128102410241.5M。4.6.1 LCD控制器概述4.6.2 控制流程4.6.3 LCD接口編程圖4-28 LCD控制器結構 S3C2410芯片提供的接口信號線包括24根數(shù)據(jù)線和9根控制信號線，主要使用的信號有如下幾種： VCLK/LCD_HCLK：象素時鐘信號（STN/TFT）/SEC TFT信號 。