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1、*1 嵌入式系统设计 天津大学计算机学院 车明 第五章: 嵌入式系统接口 *2 5.1 键盘接口 5.1.1 少量按键 (REG电阻网 u 串行转换：串行数据输入移位REG电阻网 u 并行D/A用于近距离；串行用于远程D/A，且其REG一 般有二级。 nD/A转换器的性能参数 （同样也适用于A/D转换器） u 分辨率：逻辑二进制位数（常用8bit，12bit） u 量程/输出范围：一般为0-5V u 转换时间/建立时间：完成一次工作所花费的时间 u 转换精度：满量程时转换的实际模拟输出值和理论 值之间的接近程度。 *17 5.3.3 D/A转换芯片的连接 n以DAC0832为例： u单片双缓冲
2、数据输入单路D/A转换器 n1. 数据输入 u 当无需二级缓冲时，可 将WR1、WR2 同接 CPU 写信号；/CS、 /XFER 同接地址译码； ILE 恒高电平即可。 u 数据写入芯片后，芯片 立即进行转化，并在模 拟端输出结果。 *18 n2. 输出驱动 u 输出电压： uout = K*Iout1 ，K与R1、R3及Rfb内阻相关。 R1可调节放大倍数，即可调uout的量程。 R2为调零电阻，即可调uout的零点。 当调零电阻接负电压时，运放工作更稳定，线性更好。 C1/C2：输出滤波电容（0.1/10u） R3 Rbf Iout1 Iout2 AGND uout C2 R2 R1 C
3、1 -12V *19 u 输出电流： 在输出电压的基础上，由运放和三极管射级跟随器构成恒流源 。 R1与R2、R3为并联关系。调节R2可调节射级电流量程。 RL，负载电阻，流过R1/R2、R3的电流即为Iout 。 A点电压只受uout控制，不受RL负载大小影响。 LM358 +12V uout RL R1 R2R3 A *20 u 双极性电压输出： 在输出电压uout基础上，并调整uout量程为0uREF，则如图电路有 ： 数字00H时：uout= 0，i1= 0，i2= uREF/2R, i3 = i2-i1 = uREF/2R 所以，uout2 = 2R*i3=uREF 数字80H时：u
4、out= *uREF，i1= *(uREF/R)，i2 = uREF/2R, i3 = 0, 所以，uout2 = 2R*i3= 0 数字FFH时：uout= uREF，i1= uREF/R，i2 = uREF/2R, i3 = - uREF/2R 所以，uout2 = 2R*i3=-uREF 实现了双极性。 i1 i2 uout2 i=0 2R R 2R uout -uREF u=0 *21 5.4 模数转换A/D接口 n嵌入式应用中，需要将模拟设备中的信号输入到 计算机时,必须将模拟信号转化为相应的数字信 号,转换器件称为模数转换器(A/D)。 nA/D 器件是数字与模拟混合集成电路，它既
5、拥有 一般数字电路接口，又拥有模拟量输入接口。输 入模拟量的大小决定了数字量的数值。 n有四种常用的A/D转换方法： u 计数器式 u 并行式 u 逐次逼近式 u 双斜率积分式 n我们介绍逐次逼近式A/D转换,其他可自学。 *22 5.4.1 逐次逼近型A/D转换 n原理图： u 以2分查找的方式，逐次趋近最接近的结果 输出D D/A REG 控制逻辑 + Vi 电压比较器 1 / 0 参考电压VR *23 逐次逼近型A/D转换工作流程 开始 i=最高位，REG=0，置A/D忙标志 REG第i位置1，适当延时，等待uf稳定 读比较器结果=0？ 第i位清零 i=最低位？ Yes No No Ye
6、s 结束 i=i-1 *24 5.4.2 A/D转换芯片的连接 n以ADC0809为例： u 单片8模拟输入端逐次逼近型A/D转换器 CLOCKSTART 数据 8 地址 完成 锁存地址 输出允许 D0D7 A C B ALE OE EOC 标准源 IN0 IN7 REF+ REF- 模入 *25 ADC0809内部结构图 ADC0809 地址锁存 和译码 OE 通道 选择 开关 ADDA ADDB ADDC 1N0 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7 8位 三态 锁存 缓冲器 DAC Vcc 比较器 CLOCKSTART GND VREF(+) VREF(-) ALE 逐
7、次逼近 寄存器SAR 定时和控制 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 EOC *26 C1 LM358 D +1215V REF+ C2R n1. 时钟的产生 u CPU主时钟分频 u 使用外接电阻，电容，构成振荡网络 u 使用晶体振荡器 M：晶振（频率固定） C：接地电容（2050P） n2. 基准电压 D：使用稳压二级管 R：精密电位器 LM358：自稳零运放 C1、C2：滤波电容 *27 n3. 启动处理 u 写信号与地址译码 n4. 结束处理 u 中断：将结束标志作中断源 u 查询：将结束标志作查询输入 u 延时等待 译 码+ 高地址 ALE START *28 n5. 数
8、据输出 u 读信号与地址译码 n6. 模拟输入保护 D：限制 INx 端最高电压 R：限流 C：滤波 R 模入 INX CD 译码 + OE 高地址 *29 5.5 显示器接口 5.5.1 发光二极管（LED） 1）单个发光二极管： n电流与亮度的经验参数： u 驱动门低电平电压0.3V，发光管压降平均0.5V u 发光管电流：i = VCC -（0.3 + 0.5）/ R F i = 0.4 mA ；开始发光 F i = 10 mA ；正常发光 F i = 20 mA ；高亮度 *30 2）七段数码管： n8个发光二极管组成数字（包括1个小数点） n有共阳极、共阴极 2 种类型 n有静态、动
9、态 2 种显示方式 *31 5.5.2 液晶显示模块（LCD模块） n显示原理：固定区域内电致偏振改变透光率，不发光 。 n显示类型：区域图形、点阵组图 n参数：单色/彩色、点阵规模（如：128 * 64） n驱动：小型LCD模块一般由生产厂家将液晶屏、显存 和基础驱动硬件集成在一个电路板上，并提供通用接 口和控制命令，方便用户使用。 例：CF12864-3 VER02接口线定义 nCS1、CS2 ：片选；RS、RW、E：控制信号 nVSS、VDD：电源；VEE：偏致电压调节 nLED1、LED2：背光照明电源 *32 CF12864-3 VER02 结构 *33 CF12864-3 VER0
10、2 使用 *34 5.5.3 PC标准显示器（CRT & LCD） nPC标准显示器： u CRT：阴极射线管(Cathode Ray Tube)显示器， 利用偏转线圈控制高速电子束。属于模拟信号类型 ，速度快、色彩表现和饱和度好。 u LCD：液晶显示器 (Liquid Crystal Display) ，属 于数字信号类型。功耗小、刷新率需求低。 *35 PC显示器接口标准 n采用标准显示接口：VGA、DVI u VGA（Video Graphics Array）接口，也叫D-Sub 接口。传输模拟信号。 u DVI（Digital Visual Interface）接口，由DDWG工 作
11、组推出。它基于最小化传输差分信号（TMDS）协 议作为基本电气连接。TMDS是一种微分信号机制， 可以将象素数据编码，并通过串行连接传递。 n模拟接口：VGA u 用于CRT u 也用于LCD F 但信号传输过程为： 数字 = 模拟 = 数字 *36 PC显示器接口标准-DVI n数字接口，用于LCD，可分为： u DVI-D：仅传输数字信号。 u DVI-I：可传输数字和模拟信号，兼容VGA u 每种还分单/双通道，双通道的数字传输率高 *37 pin1-TMDS Data 2- pin11-TMDS Data 1/3 Shieldpin22-TMDS Clclk Shielld pin2-
12、TMDS Data 2+ pin12-TMDS Data 3- pin23-TMDS Clock+ pin3-TMDS Data 2/4 Shield pin13-TMDS Data 3+ pin24-TMDS Clock- pin4-TMDS Data 4- pin14-+5V Power pinC1-Analog Red Video Out pin5-TMDS Data 4- pin15-Ground (+5V,Analog H/V Sync) pinC2-Analog Green Video Out pin6-DDC Clock pin16-Hot Plug Detect pinC3-A
13、nalog Blue VIDEO UT pin7-DDC Data pin17-TMDS Data 0- pinC4-Analog Horizontal Sync pin8-Analog Vertical Sync pin18-TMDS Data 0+ pinC5-Analog Common Ground pin9-TMDS Data 1- pin19-TMDS Data 0/5 Shield Return(R,G,B Video Out) pin10-TMDS Data 1+ pin20-TMDS Data 5- DVI接口定义 *38 使用PC标准显示器 n一般在中、大型嵌入式系统中应用
14、n在嵌入式系统中使用标准显示器的方式： 1）选用相关标准总线，采购相应显示卡产品 ，连接显示器。软件按相关总线规范和显 示卡指令设计。 2）自行设计显示卡，选用合适的显示处理功 能芯片（直至高性能的显示处理器 - GPU ），按照系统器件总线标准将其加入系统 中，并通过其驱动显示器接口（VGA、 DVI）。软件按相关总线规范和显示芯片 控制指令设计。 *39 5.6 电机接口 5.6.1 步进电机接口 n步进电机由脉冲控制，每个脉冲激励可使步进 电机转动一定角度，称为一个步距角。而其转 速与输入脉冲频率成正比。 n使用步进电机的优点： u 一般不需要反馈检测，就能够对位移或速度进 行较精确的控
15、制 u 输出的转角准确，无累计误差 u 与数字设备兼容，控制简单 *40 1）步进电机原理： 1、四相步进电机结构：电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有四 个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。 2、旋转：开始时，开关SB接通电源，SA、SC、SD断开，B相磁 极和转子0、3号齿对齐，同时，转子的1、4号齿就和C、D相绕 组磁极产生错齿，2、5号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿。 当开关SC接通电源，SB、 SA、SD断开时，由于C相 绕组的磁力线和1、4号齿之 间磁力线的作用，使转子转 动，1、4号齿和C相绕组的 磁极对齐。而0、3号齿和A 、B相绕组产生错齿，2、5 号齿就和A、D
16、相绕组磁极 产生错齿。依次类推，A、 B、C、D四相绕组轮流供电 ，则转子会沿着D 、C、 B 、 A 方向转动。 *41 2）相位及节拍： n四相步进电机按照通电顺序的不同，分为单四拍、双四拍、八拍三 种工作方式。单四拍与双四拍的步距角相等，但单四拍的转动力矩 小；八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍 工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。甚至于 通过二相电流不同的组合，可使其拍数变为16、32、，这即是步 进电机的细分驱动方式。 n不难推出：电机定子上有m相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线 偏移1/m、2/m、(m-1)/m、1，并且导电按一定的相序循环， 电机就能被控制正反转这是步进电机旋转的物理条件。只要符 合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机，出于成本等方 面考虑，一般均为二、三、四、五相步进电机。 a. 单四拍 b. 双四拍 c. 八拍 *42 3）步进电机驱动： n可以使用单片机直接驱动步进电机：如图，AT89C2
