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、2接口 最簡單的鍵盤如圖4-4所 示，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，通常可以采用兩種方式：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?，則表示第0行和

3、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

4、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

5、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），AT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

6、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

7、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)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，

8、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4-10 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

9、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：

10、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: 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

11、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

12、“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。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y10

13、00000B(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“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

14、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，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

15、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R 2R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

16、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

17、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是虛地。 【例4-1】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。

18、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

19、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?零，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

20、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、激光器、多媒體顯像、LCD背 景光源、探測器、交通信號

21、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)場合用共陰極。如圖4-27(c) 所示，采

22、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)管理和其

23、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

24、低也是CRT顯示器無法比擬的，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

25、脊構成的，這些脊的作用是讓分子呈平行排 列。上表面也是如此，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

26、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，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

27、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。 【例4-1】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）/SE