嵌入式系统导论课件 Lecture6 嵌入式系统的外围设备和IO接口分解
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键盘控制器内部扫描按键输入(逐行输出，逐列检测)
译码 去抖 按键值存放在寄存器中
4
外围设备
工作原理
键盘控制器检测到有键按下时，键盘控制器的Key引 脚有低电平转为高电平，并一直保持直到按键值被读 取 嵌入式处理器从Key引脚得知有键被按下时，将键盘 的CS引脚设为低电平 储存在键盘控制器寄存器中的按键值将从键盘控制 器的DIO引脚一次输出给嵌入式处理器 所有按键数值传送完毕，Key引脚重新置为低电平
米字管:显示包括英文字母在内的多种符号 符号管:显示+、-或±号等 点阵显示屏
(a)
(b)
点阵显示屏原理图
19
外围设备
LCD 特性
介于固态与液态之间的物质，同时具备固 态晶体的光学特性和液态物质的流动特性 当液晶被送上电压后，液晶的内部结构会 产生扭曲 通过液晶的光线因为液晶内部的结构而改 变光线的行径
10
外围设备
电阻式触摸屏特点
高解析度，高速传输反应 表面硬度处理，减少擦伤、刮伤及防化学处理 具有光面及雾面处理 一次校正，稳定性高，永不漂移
分类
4线电阻Turbo 4
价格低、吞吐量大，常用于PDA
6线电阻Turbo 6
可靠性高，是Turbo 4 的4倍
11
外围设备
表面声波式触摸屏工作原理
利用声波在物体表面进行传输，当有物体触摸到 表面时，阻碍声波的传输 换能器侦测到这个变化，反映给计算机，进而进 行鼠标的模拟
特点
高清晰度，透光性好 高度耐久，抗刮伤性良好 一次校ห้องสมุดไป่ตู้不漂移 灰尘、油污使声波不能正常反射，因此需要经常维护，只适 合于办公室、机关单位及环境比较清洁的场所
12
外围设备
XGT式触摸屏工作原理
采用纯玻璃面板 将电压连到玻璃基板的4个角落，产生一个电场 通过特殊的有线触控笔去触控输入，其它实体碰触 不会有反应，电场的变化对应碰触位置
特点
结合了电阻式和表面声波式触摸屏的优点—防水、防火、防尘、 防刮、抗菌 寿命大约是前类产品的 100 倍左右 透光率较透明导电薄膜的提高了15%左右 可应用于高温低温以及恶劣环境下 被视为当前最具潜力的触摸屏技术
13
外围设备
半导体部件
作为电源指示灯、电平指示、工作状态显 示或微光源之用
红外发光管：用于电视机、录像机等遥控器中 红绿双色发光管：指示PC或笔记本电脑中的硬盘工作状
7
外围设备
电容式触摸屏工作原理——利用人体的电 力感应进行工作
触摸时，由于人体电场原因，用户和触摸屏 表面形成一耦合电容 电容是高频电流直接导体，手指从接触点吸 走很小的电流 电流从触摸屏的4个角上的电极流出 流经4个角落电极的电流与手指到四角的距离 成正比 控制器对4个电流比例及逆行能够精确计算， 得出触摸点的位置
态
分类
发光二极管LED 数码管、符号管、米字管及点阵显示器
每一个单元都是一个发光二极管
14
外围设备
发光二极管LED 由半导体材料制成，其核心是一个PN结
PN结具有正向导通、反向截止/击穿特性
LED还具有发光特性
正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区 注入N区
进入对方的区域的少量载流子（少子）与多数 载流子（多子）复合而发光
数码管工作原理：以共阴极为例
某各发光二极管阳极加上高电平时点亮 驱动方式
静态驱动：每个数码管用一个并口驱动
动态驱动：共一个并口，轮询以节省资源
17
外围设备
数码管结构
七段条状发光二极管组成“日”字型 实现数字0～9、部分字母和小数点的显示 共阳极或共阴极电气连接方式
18
外围设备
其它LED：工作原理与七段数码管类似
6
外围设备
触摸屏
在液晶屏上叠加一片触摸屏，用触控笔或手 指头直接点选按键或输入文字 轻薄短小，便于携带，使用方便
触摸屏与LCD的分辨率和坐标系一般不同，触摸屏 的位置需要在程序中进行转换变为LCD 坐标系中的 位置
触摸屏按其工作原理分为
电容式(最早)、电阻式（应用最广）、表面声波式 XGT (Extreme Glass technology)——最新
20
外围设备
LCD液晶屏组成
背光板：光源 液晶阵列：
每一个图案像素用一个液晶单元表示 对液晶单元施以不同电压以改变对应像素的光线行径
嵌入式系统的外围设备 和I/O接口
1 外围设备 2 常见I/O接口类型 3 I/O接口原理基础
1
外围设备
外围设备
输入设备、输出设备、扩充设备以及电源系统
输入设备
小型键盘和触摸屏
输出设备
发光二极管(Light –Emitting-Diode, LED) 液晶屏幕显示器（Liquid Crystal Display, LCD）
LED特点
耗电少、成本低、配置简单灵活、安装方便、耐 振动、寿命常
15
外围设备
发光二极管LED分类
按发光颜色
红色、橙色、绿色、蓝光、多色等
按出光面特征（形状）
圆灯、方灯、矩形、面发光管 侧向管、表面安装用微型管等
按透明性及是否掺散射剂
有色透明、无色透明、有色散射和无色散射
16
外围设备
5
外围设备
键盘控制器可以通过两种方式通知嵌入式处理器 按键消息
轮询方式——Polling
嵌入式处理器每隔一段时间检测键盘控制器的Key引脚是否 为高电平
若为高电平则标，能够有键被按下
中断方式——Interrupt
由Key引脚直接发出中断请求给处理器 处理器因为中断信号触发得知目前有键被按下
8
外围设备
电容式触摸屏特点
对大多数的环境污染物有抵抗力 人体成为回路的一部分，因而漂移现象比较严重 人体戴手套式不起作用 需经常校正 不适用于金属机柜 外界存在电感和磁感的时候，触摸屏失灵
9
外围设备
电阻式触摸屏工作原理
触摸屏拥有两层透明导电 薄膜，膜间保持一定距离， 上层可伸缩 上层膜受外力是压时，上 层膜会触碰下层膜，形成上 下电极导通 利用二维空间的电压计测 量不同位置的电位差，进而 计算(X,Y)值
扩充设备——储存卡扩展 电源系统
电源管理设备和电池系统
2
外围设备
小型键盘是一种常见的嵌入式系统输入设备 结构：矩阵键盘
16个按键接至4条行输出XO～X3和4条列输入YO～Y3上 节省I/O端口资源
3
外围设备
工作原理
按键按下时某一行与某一列的输入电路之间形成回路 由输入的引脚得知哪一个按键被按下，其值将储存在 键盘控制器的存储器中
译码 去抖 按键值存放在寄存器中
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外围设备
工作原理
键盘控制器检测到有键按下时，键盘控制器的Key引 脚有低电平转为高电平，并一直保持直到按键值被读 取 嵌入式处理器从Key引脚得知有键被按下时，将键盘 的CS引脚设为低电平 储存在键盘控制器寄存器中的按键值将从键盘控制 器的DIO引脚一次输出给嵌入式处理器 所有按键数值传送完毕，Key引脚重新置为低电平
米字管:显示包括英文字母在内的多种符号 符号管:显示+、-或±号等 点阵显示屏
(a)
(b)
点阵显示屏原理图
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外围设备
LCD 特性
介于固态与液态之间的物质，同时具备固 态晶体的光学特性和液态物质的流动特性 当液晶被送上电压后，液晶的内部结构会 产生扭曲 通过液晶的光线因为液晶内部的结构而改 变光线的行径
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外围设备
电阻式触摸屏特点
高解析度，高速传输反应 表面硬度处理，减少擦伤、刮伤及防化学处理 具有光面及雾面处理 一次校正，稳定性高，永不漂移
分类
4线电阻Turbo 4
价格低、吞吐量大，常用于PDA
6线电阻Turbo 6
可靠性高，是Turbo 4 的4倍
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外围设备
表面声波式触摸屏工作原理
利用声波在物体表面进行传输，当有物体触摸到 表面时，阻碍声波的传输 换能器侦测到这个变化，反映给计算机，进而进 行鼠标的模拟
特点
高清晰度，透光性好 高度耐久，抗刮伤性良好 一次校ห้องสมุดไป่ตู้不漂移 灰尘、油污使声波不能正常反射，因此需要经常维护，只适 合于办公室、机关单位及环境比较清洁的场所
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外围设备
XGT式触摸屏工作原理
采用纯玻璃面板 将电压连到玻璃基板的4个角落，产生一个电场 通过特殊的有线触控笔去触控输入，其它实体碰触 不会有反应，电场的变化对应碰触位置
特点
结合了电阻式和表面声波式触摸屏的优点—防水、防火、防尘、 防刮、抗菌 寿命大约是前类产品的 100 倍左右 透光率较透明导电薄膜的提高了15%左右 可应用于高温低温以及恶劣环境下 被视为当前最具潜力的触摸屏技术
13
外围设备
半导体部件
作为电源指示灯、电平指示、工作状态显 示或微光源之用
红外发光管：用于电视机、录像机等遥控器中 红绿双色发光管：指示PC或笔记本电脑中的硬盘工作状
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外围设备
电容式触摸屏工作原理——利用人体的电 力感应进行工作
触摸时，由于人体电场原因，用户和触摸屏 表面形成一耦合电容 电容是高频电流直接导体，手指从接触点吸 走很小的电流 电流从触摸屏的4个角上的电极流出 流经4个角落电极的电流与手指到四角的距离 成正比 控制器对4个电流比例及逆行能够精确计算， 得出触摸点的位置
态
分类
发光二极管LED 数码管、符号管、米字管及点阵显示器
每一个单元都是一个发光二极管
14
外围设备
发光二极管LED 由半导体材料制成，其核心是一个PN结
PN结具有正向导通、反向截止/击穿特性
LED还具有发光特性
正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区 注入N区
进入对方的区域的少量载流子（少子）与多数 载流子（多子）复合而发光
数码管工作原理：以共阴极为例
某各发光二极管阳极加上高电平时点亮 驱动方式
静态驱动：每个数码管用一个并口驱动
动态驱动：共一个并口，轮询以节省资源
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外围设备
数码管结构
七段条状发光二极管组成“日”字型 实现数字0～9、部分字母和小数点的显示 共阳极或共阴极电气连接方式
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外围设备
其它LED：工作原理与七段数码管类似
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外围设备
触摸屏
在液晶屏上叠加一片触摸屏，用触控笔或手 指头直接点选按键或输入文字 轻薄短小，便于携带，使用方便
触摸屏与LCD的分辨率和坐标系一般不同，触摸屏 的位置需要在程序中进行转换变为LCD 坐标系中的 位置
触摸屏按其工作原理分为
电容式(最早)、电阻式（应用最广）、表面声波式 XGT (Extreme Glass technology)——最新
20
外围设备
LCD液晶屏组成
背光板：光源 液晶阵列：
每一个图案像素用一个液晶单元表示 对液晶单元施以不同电压以改变对应像素的光线行径
嵌入式系统的外围设备 和I/O接口
1 外围设备 2 常见I/O接口类型 3 I/O接口原理基础
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外围设备
外围设备
输入设备、输出设备、扩充设备以及电源系统
输入设备
小型键盘和触摸屏
输出设备
发光二极管(Light –Emitting-Diode, LED) 液晶屏幕显示器（Liquid Crystal Display, LCD）
LED特点
耗电少、成本低、配置简单灵活、安装方便、耐 振动、寿命常
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外围设备
发光二极管LED分类
按发光颜色
红色、橙色、绿色、蓝光、多色等
按出光面特征（形状）
圆灯、方灯、矩形、面发光管 侧向管、表面安装用微型管等
按透明性及是否掺散射剂
有色透明、无色透明、有色散射和无色散射
16
外围设备
5
外围设备
键盘控制器可以通过两种方式通知嵌入式处理器 按键消息
轮询方式——Polling
嵌入式处理器每隔一段时间检测键盘控制器的Key引脚是否 为高电平
若为高电平则标，能够有键被按下
中断方式——Interrupt
由Key引脚直接发出中断请求给处理器 处理器因为中断信号触发得知目前有键被按下
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外围设备
电容式触摸屏特点
对大多数的环境污染物有抵抗力 人体成为回路的一部分，因而漂移现象比较严重 人体戴手套式不起作用 需经常校正 不适用于金属机柜 外界存在电感和磁感的时候，触摸屏失灵
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外围设备
电阻式触摸屏工作原理
触摸屏拥有两层透明导电 薄膜，膜间保持一定距离， 上层可伸缩 上层膜受外力是压时，上 层膜会触碰下层膜，形成上 下电极导通 利用二维空间的电压计测 量不同位置的电位差，进而 计算(X,Y)值
扩充设备——储存卡扩展 电源系统
电源管理设备和电池系统
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外围设备
小型键盘是一种常见的嵌入式系统输入设备 结构：矩阵键盘
16个按键接至4条行输出XO～X3和4条列输入YO～Y3上 节省I/O端口资源
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外围设备
工作原理
按键按下时某一行与某一列的输入电路之间形成回路 由输入的引脚得知哪一个按键被按下，其值将储存在 键盘控制器的存储器中