1、2022-5-281嵌入式系統設計嵌入式系統設計 天津大學計算機學院天津大學計算機學院 車明車明 第五章第五章: 嵌入式系統接口嵌入式系統接口2022-5-2825.1 鍵盤接口鍵盤接口5.1.1 少量按鍵少量按鍵 (REG電阻網電阻網u 串行轉換：串行數據輸入串行轉換：串行數據輸入移位移位REG電阻網電阻網u 并行并行D/A用于近距離；串行用于遠程用于近距離；串行用于遠程D/A，且其，且其REG一一般有二級。般有二級。nD/A轉換器的性能參數轉換器的性能參數 （同樣也適用于（同樣也適用于A/D轉換器）轉換器）u 分辨率：邏輯二進制位數（常用分辨率：邏輯二進制位數（常用8bit，12bit）u

2、 量程量程/輸出范圍：一般為輸出范圍：一般為0-5Vu 轉換時間轉換時間/建立時間：完成一次工作所花費的時間建立時間：完成一次工作所花費的時間u 轉換精度：滿量程時轉換的實際模擬輸出值和理論轉換精度：滿量程時轉換的實際模擬輸出值和理論值之間的接近程度。值之間的接近程度。2022-5-28175.3.3 D/A轉換芯片的連接轉換芯片的連接n以以DAC0832為例：為例：u單片雙緩沖數據輸入單路單片雙緩沖數據輸入單路D/A轉換器轉換器n1. 數據輸入數據輸入u 當無需二級緩沖時，可當無需二級緩沖時，可將將WR1、WR2 同接同接 CPU 寫信號；寫信號；/CS、/XFER 同接地址譯碼；同接地址譯

3、碼；ILE 恒高電平即可。恒高電平即可。u 數據寫入芯片后，芯片數據寫入芯片后，芯片立即進行轉化，并在模立即進行轉化，并在模擬端輸出結果。擬端輸出結果。2022-5-2818n2. 輸出驅動輸出驅動u 輸出電壓：輸出電壓：uout = K*Iout1 ，K與與R1、R3及及Rfb內阻相關。內阻相關。R1可調節放大倍數，即可調可調節放大倍數，即可調uout的量程。的量程。R2為調零電阻，即可調為調零電阻，即可調uout的零點。的零點。當調零電阻接負電壓時，運放工作更穩定，線性更好。當調零電阻接負電壓時，運放工作更穩定，線性更好。C1/C2：輸出濾波電容（：輸出濾波電容（0.1/10u）R3Rbf

4、Iout1Iout2AGNDuoutC2R2R1C1-12V2022-5-2819u 輸出電流：輸出電流： 在輸出電壓的基礎上，由運放和三極管射級跟隨器構成恒流源。在輸出電壓的基礎上，由運放和三極管射級跟隨器構成恒流源。 R1與與R2、R3為并聯關系。調節為并聯關系。調節R2可調節射級電流量程。可調節射級電流量程。 RL，負載電阻，流過，負載電阻，流過R1/R2、R3的電流即為的電流即為Iout 。 A點電壓只受點電壓只受uout控制，不受控制，不受RL負載大小影響。負載大小影響。LM358+12VuoutRLR1R2R3A2022-5-2820u 雙極性電壓輸出：雙極性電壓輸出：在輸出電壓在

5、輸出電壓uout基礎上，并調整基礎上，并調整uout量程為量程為0uREF，則如圖電路有：，則如圖電路有：數字數字00H時：時：uout= 0，i1= 0，i2= uREF/2R, i3 = i2-i1 = uREF/2R 所以，所以，uout2 = 2R*i3=uREF數字數字80H時：時：uout= *uREF，i1= *(uREF/R)，i2 = uREF/2R, i3 = 0, 所以，所以，uout2 = 2R*i3= 0數字數字FFH時：時：uout= uREF，i1= uREF/R，i2 = uREF/2R, i3 = - uREF/2R 所以，所以，uout2 = 2R*i3=-

6、uREF實現了雙極性。實現了雙極性。i1i2uout2i=02RR2Ruout-uREFu=02022-5-28215.4 模數轉換模數轉換A/D接口接口n嵌入式應用中，需要將模擬設備中的信號輸入到嵌入式應用中，需要將模擬設備中的信號輸入到計算機時計算機時, ,必須將模擬信號轉化為相應的數字信必須將模擬信號轉化為相應的數字信號號, ,轉換器件稱為模數轉換器轉換器件稱為模數轉換器(A/D)(A/D)。nA/D A/D 器件是數字與模擬混合集成電路，它既擁有器件是數字與模擬混合集成電路，它既擁有一般數字電路接口，又擁有模擬量輸入接口。輸一般數字電路接口，又擁有模擬量輸入接口。輸入模擬量的大小決定了

7、數字量的數值。入模擬量的大小決定了數字量的數值。n有四種常用的有四種常用的A/DA/D轉換方法：轉換方法：u 計數器式計數器式u 并行式并行式u 逐次逼近式逐次逼近式u 雙斜率積分式雙斜率積分式n我們介紹逐次逼近式我們介紹逐次逼近式A/DA/D轉換轉換, ,其他可自學。其他可自學。2022-5-28225.4.1 逐次逼近型逐次逼近型A/D轉換轉換n原理圖：原理圖：u 以以2 2分查找的方式，逐次趨近最接近的結果分查找的方式，逐次趨近最接近的結果輸出輸出DD/AREG控制邏輯控制邏輯+Vi電壓比較器電壓比較器1 / 0參考電壓參考電壓VR2022-5-2823逐次逼近型逐次逼近型A/D轉換工作

8、流程轉換工作流程開始開始i=最高位，最高位，REG=0，置，置A/D忙標志忙標志REG第第i位置位置1，適當延時，等待，適當延時，等待uf穩定穩定讀比較器結果讀比較器結果=0？第第i位清零位清零i=最低位？最低位？YesNoNoYes結束結束i=i-12022-5-28245.4.2 A/D轉換芯片的連接轉換芯片的連接n以以ADC0809為例：為例：u 單片單片8模擬輸入端逐次逼近型模擬輸入端逐次逼近型A/D轉換器轉換器CLOCKSTART 數據數據 8 地址地址 完成完成鎖存地址鎖存地址輸出允許輸出允許D0D7ACBALEOEEOC標準源標準源IN0IN7REF+REF-模入模入2022-5

9、-2825ADC0809內部結構圖內部結構圖ADC0809地址鎖存地址鎖存和譯碼和譯碼OE通道通道選擇選擇開關開關ADDAADDBADDC1N0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN78位位三態三態鎖存鎖存緩沖器緩沖器DACVcc比較器比較器CLOCKSTARTGND VREF(+)VREF(-)ALE逐次逼近逐次逼近寄存器寄存器SAR定時和控制定時和控制D0D1D2D3D4D5D6D7EOC2022-5-2826C1LM358D+1215VREF+C2Rn1. 時鐘的產生時鐘的產生u CPU主時鐘分頻主時鐘分頻u 使用外接電阻，電容，構成振蕩網絡使用外接電阻，電容，構成振蕩網絡 u 使用晶

10、體振蕩器使用晶體振蕩器 M：晶振（頻率固定）：晶振（頻率固定） C：接地電容（：接地電容（2050P）n2. 基準電壓基準電壓D：使用穩壓二級管：使用穩壓二級管R：精密電位器：精密電位器LM358：自穩零運放：自穩零運放C1、C2：濾波電容：濾波電容2022-5-2827n3. 啟動處理啟動處理u 寫信號與地址譯碼寫信號與地址譯碼n4. 結束處理結束處理u 中斷：將結束標志作中斷源中斷：將結束標志作中斷源u 查詢：將結束標志作查詢輸入查詢：將結束標志作查詢輸入u 延時等待延時等待譯譯碼碼+WE高地址高地址ALESTART2022-5-2828n5. 數據輸出數據輸出u 讀信號與地址譯碼讀信號與

11、地址譯碼 n6. 模擬輸入保護模擬輸入保護 D：限制：限制 INx 端最高電壓端最高電壓 R：限流：限流 C：濾波：濾波R模入模入INXCDRD譯碼譯碼+OE高地址高地址2022-5-28295.5 顯示器接口顯示器接口5.5.1 發光二極管（發光二極管（LED）1 1）單個）單個發光二極管：發光二極管： n電流與亮度的經驗參數：電流與亮度的經驗參數：u 驅動門低電平電壓驅動門低電平電壓0.3V，發光管壓降平均，發光管壓降平均0.5Vu 發光管電流：發光管電流：i = VCC -（0.3 + 0.5）/ RF i = 0.4 mA ；開始發光；開始發光F i = 10 mA ；正常發光；正常發

12、光F i = 20 mA ；高亮度；高亮度2022-5-28302 2）七段數碼管）七段數碼管：n8個發光二極管組成數字（包括個發光二極管組成數字（包括1個小數點）個小數點）n有共陽極、共陰極有共陽極、共陰極 2 種類型種類型n有靜態、動態有靜態、動態 2 種顯示方式種顯示方式2022-5-28315.5.2 液晶顯示模塊（液晶顯示模塊（LCD模塊）模塊）n顯示原理：固定區域內電致偏振改變透光率，不發光。顯示原理：固定區域內電致偏振改變透光率，不發光。n顯示類型：區域圖形、點陣組圖顯示類型：區域圖形、點陣組圖n參數：單色參數：單色/彩色、點陣規模（如：彩色、點陣規模（如：128 * 64）n驅

13、動：小型驅動：小型LCD模塊一般由生產廠家將液晶屏、顯存模塊一般由生產廠家將液晶屏、顯存和基礎驅動硬件集成在一個電路板上，并提供通用接和基礎驅動硬件集成在一個電路板上，并提供通用接口和控制命令，方便用戶使用。口和控制命令，方便用戶使用。例：CF12864-3 VER02接口線定義nCS1、CS2 ：片選；RS、RW、E：控制信號nVSS、VDD：電源；VEE：偏致電壓調節nLED1、LED2：背光照明電源2022-5-2832CF12864-3 VER02 結構2022-5-2833CF12864-3 VER02 使用2022-5-28345.5.3 PC標準顯示器（標準顯示器（CRT &am

14、p; LCD）nPC標準顯示器：標準顯示器：u CRT：陰極射線管：陰極射線管(Cathode Ray Tube)顯示器，顯示器，利用偏轉線圈控制高速電子束。屬于模擬信號類型，利用偏轉線圈控制高速電子束。屬于模擬信號類型，速度快、色彩表現和飽和度好。速度快、色彩表現和飽和度好。 u LCD：液晶顯示器：液晶顯示器 (Liquid Crystal Display) ，屬，屬于數字信號類型。功耗小、刷新率需求低。于數字信號類型。功耗小、刷新率需求低。 2022-5-2835PC顯示器接口標準顯示器接口標準n采用標準顯示接口：采用標準顯示接口：VGA、DVIu VGA（Video Graphics

15、Array）接口，也叫）接口，也叫D-Sub接口。傳輸模擬信號。接口。傳輸模擬信號。u DVI（Digital Visual Interface）接口，由）接口，由DDWG工工作組推出。它基于最小化傳輸差分信號（作組推出。它基于最小化傳輸差分信號（TMDS）協）協議作為基本電氣連接。議作為基本電氣連接。TMDS是一種微分信號機制，是一種微分信號機制，可以將象素數據編碼，并通過串行連接傳遞。可以將象素數據編碼，并通過串行連接傳遞。 n模擬接口：模擬接口：VGAu 用于用于CRTu 也用于也用于LCDF 但信號傳輸過程為：但信號傳輸過程為：數字數字 = 模擬模擬 = 數字數字2022-5-2836

16、PC顯示器接口標準顯示器接口標準-DVIn數字接口，用于數字接口，用于LCD，可分為：，可分為：u DVI-D：僅傳輸數字信號。：僅傳輸數字信號。u DVI-I：可傳輸數字和模擬信號，兼容：可傳輸數字和模擬信號，兼容VGAu 每種還分單每種還分單/雙通道，雙通道的數字傳輸率高雙通道，雙通道的數字傳輸率高2022-5-2837pin1-TMDS Data 2- pin11-TMDS Data 1/3 Shieldpin22-TMDS Clclk Shielldpin2-TMDS Data 2+ pin12-TMDS Data 3- pin23-TMDS Clock+pin3-TMDS Data

17、2/4 Shield pin13-TMDS Data 3+ pin24-TMDS Clock-pin4-TMDS Data 4- pin14-+5V Power pinC1-Analog Red Video Outpin5-TMDS Data 4- pin15-Ground (+5V,Analog H/V Sync) pinC2-Analog Green Video Outpin6-DDC Clock pin16-Hot Plug Detect pinC3-Analog Blue VIDEO UTpin7-DDC Data pin17-TMDS Data 0- pinC4-Analog Hor

18、izontal Syncpin8-Analog Vertical Sync pin18-TMDS Data 0+ pinC5-Analog Common Groundpin9-TMDS Data 1- pin19-TMDS Data 0/5 Shield Return(R,G,B Video Out)pin10-TMDS Data 1+ pin20-TMDS Data 5-DVI接口定義接口定義2022-5-2838使用使用PC標準顯示器標準顯示器n一般在中、大型嵌入式系統中應用一般在中、大型嵌入式系統中應用n在嵌入式系統中使用標準顯示器的方式：在嵌入式系統中使用標準顯示器的方式：1）選用相關

19、標準總線，采購相應顯示卡產品，）選用相關標準總線，采購相應顯示卡產品，連接顯示器。軟件按相關總線規范和顯示連接顯示器。軟件按相關總線規范和顯示卡指令設計。卡指令設計。2）自行設計顯示卡，選用合適的顯示處理功）自行設計顯示卡，選用合適的顯示處理功能芯片（直至高性能的顯示處理器能芯片（直至高性能的顯示處理器 - GPU），按照系統器件總線標準將其加入），按照系統器件總線標準將其加入系統中，并通過其驅動顯示器接口（系統中，并通過其驅動顯示器接口（VGA、DVI）。軟件按相關總線規范和顯示芯片）。軟件按相關總線規范和顯示芯片控制指令設計。控制指令設計。2022-5-28395.6 電機接口電機接口5.

20、6.1 步進電機接口步進電機接口n步進電機由脈沖控制，每個脈沖激勵可使步進步進電機由脈沖控制，每個脈沖激勵可使步進電機轉動一定角度，稱為一個步距角。而其轉電機轉動一定角度，稱為一個步距角。而其轉速與輸入脈沖頻率成正比。速與輸入脈沖頻率成正比。n使用步進電機的優點：使用步進電機的優點：u 一般不需要反饋檢測，就能夠對位移或速度進一般不需要反饋檢測，就能夠對位移或速度進行較精確的控制行較精確的控制u 輸出的轉角準確，無累計誤差輸出的轉角準確，無累計誤差u 與數字設備兼容，控制簡單與數字設備兼容，控制簡單2022-5-28401）步進電機原理：）步進電機原理：1、四相步進電機結構：電機轉子均勻分布著

21、很多小齒，定子齒有四、四相步進電機結構：電機轉子均勻分布著很多小齒，定子齒有四個勵磁繞阻，其幾何軸線依次分別與轉子齒軸線錯開。個勵磁繞阻，其幾何軸線依次分別與轉子齒軸線錯開。2、旋轉：開始時，開關、旋轉：開始時，開關SB接通電源，接通電源，SA、SC、SD斷開，斷開，B相磁相磁極和轉子極和轉子0、3號齒對齊，同時，轉子的號齒對齊，同時，轉子的1、4號齒就和號齒就和C、D相繞相繞組磁極產生錯齒，組磁極產生錯齒，2、5號齒就和號齒就和D、A相繞組磁極產生錯齒。相繞組磁極產生錯齒。 當開關當開關SC接通電源，接通電源，SB、SA、SD斷開時，由于斷開時，由于C相相繞組的磁力線和繞組的磁力線和1、4號

22、齒之號齒之間磁力線的作用，使轉子轉間磁力線的作用，使轉子轉動，動，1、4號齒和號齒和C相繞組的相繞組的磁極對齊。而磁極對齊。而0、3號齒和號齒和A、B相繞組產生錯齒，相繞組產生錯齒，2、5號號齒就和齒就和A、D相繞組磁極產相繞組磁極產生錯齒。依次類推，生錯齒。依次類推，A、B、C、D四相繞組輪流供電，四相繞組輪流供電，則轉子會沿著則轉子會沿著D 、C、 B、 A 方向轉動。方向轉動。2022-5-28412）相位及節拍：）相位及節拍：n四相步進電機按照通電順序的不同，分為單四拍、雙四拍、八拍三四相步進電機按照通電順序的不同，分為單四拍、雙四拍、八拍三種工作方式。單四拍與雙四拍的步距角相等，但單

23、四拍的轉動力矩種工作方式。單四拍與雙四拍的步距角相等，但單四拍的轉動力矩小；八拍工作方式的步距角是單四拍與雙四拍的一半，因此，八拍小；八拍工作方式的步距角是單四拍與雙四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持較高的轉動力矩又可以提高控制精度。甚至于工作方式既可以保持較高的轉動力矩又可以提高控制精度。甚至于通過二相電流不同的組合，可使其拍數變為通過二相電流不同的組合，可使其拍數變為16、32、，這即是步，這即是步進電機的細分驅動方式。進電機的細分驅動方式。n不難推出：電機定子上有不難推出：電機定子上有m相勵磁繞阻，其軸線分別與轉子齒軸線相勵磁繞阻，其軸線分別與轉子齒軸線偏移偏移1/m、2/m、(m

24、-1)/m、1，并且導電按一定的相序循環，并且導電按一定的相序循環，電機就能被控制正反轉電機就能被控制正反轉這是步進電機旋轉的物理條件。只要符這是步進電機旋轉的物理條件。只要符合這一條件我們理論上可以制造任何相的步進電機，出于成本等方合這一條件我們理論上可以制造任何相的步進電機，出于成本等方面考慮，一般均為二、三、四、五相步進電機。面考慮，一般均為二、三、四、五相步進電機。 a. 單四拍單四拍 b. 雙四拍雙四拍 c. 八拍八拍 2022-5-28423）步進電機驅動：）步進電機驅動：n可以使用單片機直接驅動步進電機：如圖，可以使用單片機直接驅動步進電機：如圖，AT89C2051將控制脈將控制

25、脈沖從沖從P1.4P1.7輸出，經輸出，經9014放大后控制光電隔離器，再由功率放大后控制光電隔離器，再由功率管管TIP122將脈沖信號進行電壓和電流放大，驅動步進電機的各相將脈沖信號進行電壓和電流放大，驅動步進電機的各相繞組。可使步進電機隨著不同的脈沖信號分別作正轉、反轉、加繞組。可使步進電機隨著不同的脈沖信號分別作正轉、反轉、加速、減速和停止等動作。圖中速、減速和停止等動作。圖中L1L4為步進電機的各相繞組。為步進電機的各相繞組。2022-5-2843n專用步進電機驅動芯片：如：專用步進電機驅動芯片：如：STK672-080是是SANYO公司生產的公司生產的一種步進電動機驅動器厚膜混合集成

26、電路，它的輸出級使用功率一種步進電動機驅動器厚膜混合集成電路，它的輸出級使用功率MOSFET組成。組成。STK672-080內部提供的內部提供的4相步進電動機分配控制相步進電動機分配控制器可獲得準正弦波驅動電流，從而使用戶應用更簡單方便。它有器可獲得準正弦波驅動電流，從而使用戶應用更簡單方便。它有五種激勵（通電）方式，可提供微步距控制以使步進電動機的基五種激勵（通電）方式，可提供微步距控制以使步進電動機的基本步距角最大可細分為本步距角最大可細分為1/16。2022-5-28445.6.2 直流電機接口直流電機接口n直流電機由電壓控制，其速度與輸入電壓成正直流電機由電壓控制，其速度與輸入電壓成正

27、比，而方向由電壓極性決定。比，而方向由電壓極性決定。n優點：優點：u 容易啟動、正反轉控制方便容易啟動、正反轉控制方便u 調速性能好調速性能好u 過載能力強過載能力強n直流電機的數字控制方法常采用直流電機的數字控制方法常采用 PWM PWM 技術技術（Pulse Width Modulation Pulse Width Modulation 脈沖寬度調制）脈沖寬度調制）nPWM PWM 是利用微處理器的數字輸出來對模擬電路是利用微處理器的數字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術。進行控制的一種非常有效的技術。2022-5-28451）PWM理論基礎：理論基礎：n沖量相等而形狀不同的窄脈

28、沖加在具有慣性的環節上時，沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環節上時，其效果基本相同。其效果基本相同。u 沖量指窄脈沖的面積。沖量指窄脈沖的面積。u 效果基本相同，是指環節的輸出響應波形基本相同。效果基本相同，是指環節的輸出響應波形基本相同。F 低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。 nPWM的核心是具有可調占空比的一系列脈沖的核心是具有可調占空比的一系列脈沖u 占空比是接通時間與周期之比：占空比是接通時間與周期之比： t / T tT2022-5-2846nPWM 可對模擬信號電平進行數字編碼。使用高位數計可對模擬信號電平進行數字編碼。使用高位數計數器

29、，調制方波的占空比以用來對一個具體模擬信號的數器，調制方波的占空比以用來對一個具體模擬信號的電平進行模擬，即使得在周期電平進行模擬，即使得在周期 T 內，脈沖內，脈沖 t 的時域面積的時域面積與模擬信號在時間與模擬信號在時間 T 內的時域面積相等。內的時域面積相等。u 滿量程幅度、占空比滿量程幅度、占空比100%的脈沖即為滿量程的模擬信號的脈沖即為滿量程的模擬信號u 滿量程幅度、占空比可調的脈沖可以模擬或代替任意非滿量程幅度、占空比可調的脈沖可以模擬或代替任意非滿量程的模擬信號，條件是所圍面積相等。滿量程的模擬信號，條件是所圍面積相等。nPWM信號仍然是數字的，因為在給定的任何時刻，滿信號仍然

30、是數字的，因為在給定的任何時刻，滿幅值的直流供電要么完全有幅值的直流供電要么完全有(ON)，要么完全無，要么完全無(OFF)。電壓或電流源是以一種通電壓或電流源是以一種通(ON)或斷或斷(OFF)的重復脈沖序的重復脈沖序列被加到模擬負載上去的。通的時候即是直流供電被加列被加到模擬負載上去的。通的時候即是直流供電被加到負載上的時候，斷的時候即是供電被斷開的時候。只到負載上的時候，斷的時候即是供電被斷開的時候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進行編碼。進行編碼。 2022-5-28472）直流電機驅動：）直流電機驅動：n可以使用單片機直接驅動直流電機：如圖，可用繼電器或者大功可以使用單片機直接驅動直流電機：如圖，可用繼電器或者大功率晶體管實現率晶體管實現 J1J4 四個開關接點，通過如下表的方式控