單片機與嵌入式系統(tǒng)第四章嵌入式硬件系統(tǒng)（二）中南大學信息科學與工程學院本節(jié)內(nèi)容輸入設(shè)備輸出設(shè)備外設(shè)接口通信接口1輸入設(shè)備

小型鍵盤觸摸屏1.1小型鍵盤

功能嵌入式系統(tǒng)的一種常用輸入設(shè)備例如：收款機系統(tǒng)由幾個簡單的數(shù)字鍵和功能鍵組成。1.1小型鍵盤（1）.實驗板1.1小型鍵盤

結(jié)構(gòu)：矩陣鍵盤16個按鍵接至4條行輸出XO～X3和4條列輸入YO～Y3上

圖4-12鍵盤與鍵盤控制器電路工作原理示意圖

節(jié)省I/O端口資源

1.1小型鍵盤

工作原理鍵盤控制器掃描按鍵輸入(逐行輸出，逐列檢測)

譯碼消抖按鍵值存放在寄存器中嵌入式處理器：Polling或Key管腳Interrupt方式檢測

CS管腳使能從DIO管腳依次讀取1.2觸摸屏

功能在液晶屏上疊加一片觸摸屏，用觸控筆或手指頭直接點選按鍵或輸入文字

輕薄短小，便于攜帶，使用方便注：觸摸屏與LCD的分辨率和坐標系一般不同，因此觸摸屏的位置需要在程序中進行轉(zhuǎn)換變?yōu)長CD坐標系中的位置1.2觸摸屏

種類電容式：最早出現(xiàn)表面聲波式電阻式：主要產(chǎn)品，市場份額72%XGT式：最新技術(shù)，市場份額20%1.2觸摸屏1.電容式觸摸屏

工作原理觸摸時，人體電場、用戶和觸摸屏表面形成一耦合電容電容是高頻電流直接導體，因此手指從接觸點吸走很小的電流流經(jīng)四個角落電極的電流與手指到四角的距離成正比1.2觸摸屏

特點（有些缺點實際也是優(yōu)點）對大多數(shù)的環(huán)境污染物有抵抗力人體成為回路的一部分，因而漂移現(xiàn)象比較嚴重人體戴手套式不起作用需經(jīng)常校正不適用于金屬機柜外界存在電感和磁感的時候，觸摸屏失靈1.2觸摸屏

堅決擁護“投射電容式觸摸屏”用在手機上最好不過，可以有效防止誤碰iPhone手機采用比HTC的WM手機好多了

未來走向多點觸控技術(shù)（Multi-Touch）1.2觸摸屏2.表面聲波式觸摸屏

工作原理：物體觸摸到表面時，阻礙聲波的傳輸換能器偵測到這個變化，反映給計算機，進而進行鼠標的模擬1.2觸摸屏

特點高清晰度，透光性好高度耐久，抗刮傷性良好一次校正不漂移灰塵、油污使聲波不能正常反射，因此需要經(jīng)常維護，只適合于辦公室、機關(guān)單位及環(huán)境比較清潔的場所1.2觸摸屏3.電阻式觸摸屏

工作原理兩層導電薄膜，上層可伸縮

觸碰后上下電極導通，通過電位差計算(X,Y)值圖4-13電阻式觸摸屏工作原理示意圖

1.2觸摸屏

特點高解析度，高速傳輸反應表面硬度處理，減少擦傷、刮傷及防化學處理具有光面及霧面處理一次校正，穩(wěn)定性高，永不漂移1.2觸摸屏4.XGT式觸摸屏

工作原理采用純玻璃面板

將電壓連到玻璃基板的4個角落，產(chǎn)生一個電場

通過特殊的有線觸控筆去觸控輸入，其它實體碰觸不會有反應，電場的變化對應碰觸位置1.2觸摸屏

特點

結(jié)合了電阻式和表面聲波式觸摸屏的優(yōu)點

—防水、防火、防塵、防刮、抗菌

壽命大約是前類產(chǎn)品的

100倍左右透光率較透明導電薄膜的提高了

15%左右

可應用于高溫低溫以及惡劣環(huán)境下被視為當前最具潛力的觸摸屏技術(shù)

本節(jié)內(nèi)容輸入設(shè)備輸出設(shè)備外設(shè)接口通信接口2輸出設(shè)備LEDLCD2.1LED

功能作為電源指示燈、電平指示、工作狀態(tài)顯示或微光源之用種類發(fā)光二極管（基本單元）數(shù)碼管、符號管、米字管、點陣顯示屏（1）.實驗板2.1LED1.發(fā)光二極管（LED，LightEmittingDiode）

工作原理核心是一PN結(jié)—正向?qū)?、反向截止還具有發(fā)光特性

特點耗電少、成本低、配置簡單靈活、安裝方便、耐振動、壽命常2.1LED

種類按發(fā)光顏色紅色、橙色、綠色、藍光、多色等按出光面特征（形狀）圓燈、方燈、矩形、面發(fā)光管、側(cè)向管、表面安裝用微型管等按透明性及是否摻散射劑有色透明、無色透明、有色散射和無色散射2.1LED2.數(shù)碼管

結(jié)構(gòu)七段條狀發(fā)光二極管組成“日”字型，實現(xiàn)數(shù)字0～9、部分字母和小數(shù)點的顯示共陽極或共陰極電氣連接方式見下圖。2.1LED

圖4-14七段數(shù)碼管結(jié)構(gòu)原理圖

2.1LED

工作原理：以共陰極為例某各發(fā)光二極管陽極加上高電平時點亮驅(qū)動方式靜態(tài)驅(qū)動：每個數(shù)碼管用一個并口驅(qū)動動態(tài)驅(qū)動：共一個并口，輪詢以節(jié)省資源

2.1LED3.其它LED

米字管:顯示包括英文字母在內(nèi)的多種符號符號管:顯示+、-或±號等點陣顯示屏:圖4-15點陣顯示屏原理圖

工作原理與七段數(shù)碼管類似2.2LCD

工作原理液晶特性介于固態(tài)與液態(tài)之間的物質(zhì)，同時具備固態(tài)晶體的光學特性和液態(tài)物質(zhì)的流動特性當液晶被送上電壓后，液晶的內(nèi)部結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生扭曲通過液晶的光線因為液晶內(nèi)部的結(jié)構(gòu)而改變光線的行徑2.2LCD液晶屏背光板：光源

液晶陣列：每一個圖案像素用

一個液晶單元表示

對液晶單元施以不同電壓以改變對應像素的光線行徑彩色濾光膜：通過液晶陣列的光線經(jīng)過～后顯示指定的三原色RGB兩塊偏光板：將需要顯示的光線，使其不會顯示在液晶屏幕上

（1）.實驗板2.2LCD

特點體積小、重量輕、耗電小對比CRT低輻射

對比CRT不會出現(xiàn)任何的幾何失真，線性失真2.2LCD

種類被動式TN-LCD

控制電壓組件設(shè)計在面板的四周

反應時間慢，光線輸出量較少，動態(tài)影像有殘影成本偏低（如用于普通的移動電話）主動式TFT-LCD每個液晶單元內(nèi)植入控制電壓的組件

光輸出量大，反應時間快，提供鮮艷的色彩與較好的動態(tài)影像

制造成本較高（如用于信息家電）本節(jié)內(nèi)容輸入設(shè)備輸出設(shè)備外設(shè)接口通信接口3外設(shè)接口并行接口串行接口

I2CI2SUSBIEEE13943.1并行接口

結(jié)構(gòu)通過由多條數(shù)據(jù)線組成總線一次可以同時傳送多個位的數(shù)據(jù)例：打印機并口(ParallelPort)

特點傳輸數(shù)據(jù)量大、速度快、控制簡單傳輸總線的長度受限（過長時，電子線路間將產(chǎn)生電容效應），且抗干擾能力差

（1）.實驗板3.1并行接口

對比：

I2C、I2S、USB、IEEE1394等串行接口

線路簡單、抗干擾能力強

控制也相對復雜

3.2I2CI2C（Inter－IntegratedCircuit)

功能與特點用于連接微控制器和外設(shè)ADC、DAC、存儲器、LED驅(qū)動器、實時時鐘等芯片支持多主控

通信速度：100Kbit/s、最高400Kbit/s

簡單，成本低3.2I2C

組成：兩根串行線（均為雙向I/O線）串行時鐘線（SCL，SerialClockLine）串行數(shù)據(jù)線（SDL，SerialDataLine）注：通過數(shù)據(jù)線的軟件尋址實現(xiàn)片選減少器件片選線的連接3.2I2C

工作原理：一次典型工作流程

(1)

開始：信號表明傳輸開始

(2)地址：主設(shè)備發(fā)送地址信息（7位從設(shè)備地址和1位表明讀、寫或數(shù)據(jù)流方向的指示位）

(3)數(shù)據(jù)：根據(jù)指示位，數(shù)據(jù)在主設(shè)備和從設(shè)備之間傳輸；數(shù)據(jù)一般以8位傳輸，具體傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量無限制；接收器上用一位的ACK（回答信號）表明一個字節(jié)已收到；傳輸可被終止或重新開始

(4)停止：信號結(jié)束傳輸3.3I2SI2S(Inter-ICSound)

功能由SONY和PHILIPS公司等共同推出主要應用于連接數(shù)字音頻處理設(shè)備例如：便攜CD機、數(shù)字音頻處理器等3.3I2S

組成：3根串行線串行時鐘線（SCSK，ContinuousSerialClock）字選擇線（WS，WordSelect）指示左通道或右通道的數(shù)據(jù)將被傳輸數(shù)據(jù)通道線（SData，SerialData）分時復用按高有效位MSB到低有效位LSB的順序傳送字長的音頻數(shù)據(jù)MSB總在WS切換后的第一個時鐘發(fā)送若數(shù)據(jù)長度不匹配,接收/發(fā)送器將截取或填充3.3I2S

工作時序圖4-17I2S總線接口的基本時序3.4USBUSB（UniversalSerialBus，通用串行總線）

——由COMPAQ、Intel、Microsoft、NEC等廠商共同制定的一種外部設(shè)備總線規(guī)范。3.4USB

功能與特點為外設(shè)擴充提供一種即插即用的簡單方法連接外設(shè)不必打開機箱允許外設(shè)熱插拔，而不必關(guān)閉主機電源采用“級聯(lián)”方式（最多連接127個外設(shè)，而每個外設(shè)間距離可達5米），且不會有IRQ沖突自取電：提供5V電源速度較快USB1.1：最高達12MbpsUSB2.0：最高達到480Mbps3.4USB

功能與特點為外設(shè)擴充提供一種即插即用的簡單方法連接外設(shè)不必打開機箱允許外設(shè)熱插拔，而不必關(guān)閉主機電源采用“級聯(lián)”方式（最多連接127個外設(shè)，而每個外設(shè)間距離可達5米），且不會有IRQ沖突自取電：提供5V電源速度較快USB1.1：最高達12MbpsUSB2.0：最高達到480Mbps3.4USB

種類

A類連接器主設(shè)備端

B類連接器從設(shè)備端圖4-18USB連接器常見種類

3.5IEEE1394IEEE1394，亦稱為火線（Firewire）——由蘋果公司研制

IEEE1394與USB的共同點都是一種通用外接設(shè)備接口支持熱插撥可連接多個不同設(shè)備不用外部電源快速傳輸大量數(shù)據(jù)3.5IEEE1394

IEEE1394與USB的不同傳輸速率不同USB1.1為12Mbps，USB2.0最高為480Mbps，一般用于連接鍵盤、鼠標與麥克風等低速設(shè)備IEEE1394目前為400Mbps，將要達1Gbps，可連接數(shù)碼相機、掃描儀和信息家電等高速設(shè)備3.5IEEE1394

連接方式不同USB：主從方式，需要HUB，最多127臺設(shè)備IEEE1394：多主方式,不需要HUB，用網(wǎng)橋連接多個IEEE1394網(wǎng)絡(luò)(網(wǎng)內(nèi)63)(達到無限制連接）智能化不同USB：以HUB來判斷連接設(shè)備的增減IEEE1394：可以在其設(shè)備進行增減時自動重設(shè)網(wǎng)絡(luò)本節(jié)內(nèi)容輸入設(shè)備輸出設(shè)備外設(shè)接口通信接口4通訊接口

有線通信接口RS-232

以太網(wǎng)

無線通信接口紅外線/藍牙

GPRSIEEE802.114.1RS-232

功能與特點電子工業(yè)協(xié)會（EIA）制訂的點對點的有線串行異步通信標準傳輸速率2400～115200bps4.1RS-232

RS-232的控制傳輸：UART(UniversalAsynchronousReceiver/Transmitter)芯片或模塊檢測起始位：高電平變?yōu)榈碗娖?/p>

采樣：以設(shè)置的比特率進行信號采樣，并存入寄存器中

通知：通知其它需要數(shù)據(jù)的組件將

UART芯片中的數(shù)據(jù)由寄存器取出

4.1RS-232

RS-232的缺點：1）易損壞接口電路的芯片。

2）傳輸速率較低。

3）共地傳輸容易產(chǎn)生共模干擾，所以抗噪聲干擾性弱。

4）傳輸距離有限，最大傳輸距離標準值為50英尺，實際上也只能用在50米左右。4.2以太網(wǎng)

功能與特點局域網(wǎng)的一種有線通信總線標準采用CSMA/CD（載波監(jiān)聽/沖突檢測）星型或總線型結(jié)構(gòu)，通過集線器/交換機/網(wǎng)橋互連4.2以太網(wǎng)

通信協(xié)議規(guī)范

IEEE802.3十兆以太網(wǎng)（10BaseEthernet，10Mbps）

IEEE802.3u快速以太網(wǎng)（FastEthernet，100Mbps）

IEEE802.3z千兆以太網(wǎng)（GigabitEthernet，1000Mbps）

IEEE802.3ae萬兆以太網(wǎng)（10GigabitEthernet，10000Mbps）4.2以太網(wǎng)

通訊介質(zhì)標準：以IEEE802.3為例

10Base5粗以太網(wǎng)電纜，采用插入式分接頭段長為500m，每段節(jié)點數(shù)為10010Base2細以太網(wǎng)電纜，采用BNC連接器組成T型插座價格低廉，可靠性高，安裝方便段長為200m，每段節(jié)點數(shù)為304.2以太網(wǎng)10Base-T雙絞線＋集線器（Hub）增添或移去節(jié)點簡單,且容易檢測到電纜故障段長為100m，每段節(jié)點數(shù)為102410Base-F光纖連接器和終止器的費用而十分昂貴，但卻有極好的抗干擾性段長為2000m，每段節(jié)點數(shù)為10244.3紅外線

功能紅外線（Infrared）是一個點對點的無線通信標準發(fā)射的紅外波長：0.85～0.9μm例:用于手機、PDA與筆記本電腦的通訊4.3紅外線收發(fā)模塊組成：3部分

發(fā)：紅外線發(fā)光二極管

收：硅晶PIN光檢二極管

控制電路接收到的信號傳送到控制電路中，由嵌入式處理器進行處理或存儲。4.3紅外線

特點優(yōu)點：價格便宜缺點：通訊距離短(1m內(nèi))、速度較慢(4Mbps)、方向性強、不能穿過障礙物、易受熱源干擾等。表4-3紅外線IrDA標準

4.4藍牙

功能藍牙(Bluetooth)也是一個點對點的無線通信協(xié)議標準

頻帶：2.402～2.480GHz屬ISM(IndustrialScientificMedical)頻帶4.4藍牙收發(fā)模塊組成：3部分無線傳輸收發(fā)單元

基頻處理單元

數(shù)據(jù)傳輸接口

接收到的信號傳送到控制電路中，由嵌入式處理器進行處理或存儲

4.4藍牙

特點:對比紅外線

缺點：價格高(采用低溫陶瓷基版)

優(yōu)點：4.5GPRS

移動通信:分為三代第一代:模擬的無線網(wǎng)絡(luò)第二代:數(shù)字通信，包括GSM、CDMA等第三代:分組型的移動業(yè)務(wù)，稱為3GGPRS（GeneralPacketRadioSystem）屬于2.5G：第二代和第三代之間的混合體采用TDMA方式傳輸語音采用分組的方式傳輸數(shù)據(jù)4.5GPRS

特點多個用戶可共享一個無線信道，一個用戶