第6章 人机交互接口设计

在嵌入式系统的软件部分，要做的就是把前面的硬件电路驱 动起来，为它们写一个驱动程序，下面就以一个实例进行说 明如何编写键盘驱动程序。 本节的实例针对Intel x86体系结构，参照标准键盘的驱动 程序，这个实例使用IRQ1中断，从0x64h读入键盘状态，从 0x60h读入键盘扫描码，这样就跟系统自带的键盘驱动程序 发生冲突了，这时的新添程序是无法捕捉按键中断的。
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6.1.1 键盘工作原理

按键开关电路
按键开关电路是指通过外力使电路瞬时接通的开关，在 许多场合都有应用。比如大多数处理器的RESET电路都用到 了按键开关，它通过按键产生一个瞬时的低电压，CPU感知 这个低电压后重启。
Vcc
至微处理器
图6.1
按键开关电路示意图
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6.1.1 键盘工作原理

抖动问题
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6.1.2 常用键盘接口
（1）检测当前是否有按键被按下。检测的方法是B4～B7输出全 “0”，读取B0～B3的状态，若B0～B3全为“1”，则无键 闭合，否则为0的那一列有键闭合。 （2）去除键抖动。当检测到有键按下后，延时一段时间再作下 一步的检测判断。 （3）若有键被按下，应识别出是哪一个键闭合。方法是对键盘 的行线进行扫描。B4～B7按下述4种组合依次输出： P7 P5 P4 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 1 1

如果要编写一个帧缓冲设备的驱动程序，所要做的主要工 作包括： （1）编写初始化函数 （2）编写成员函数
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6.2.2 在嵌入式Linux中驱动LCD

通过/dev/fb，对显示设备的操作主要有以下几种：
（1）读写(read/write) /dev/fb； （2）映射（map）操作；
（3）I/O控制。
Vcc Vcc
P1.0 P1.1 P1.2
P1.0 P1.1 P1.2
INT0 微控制器
&
(a)中断式
INT0 微控制器 (b)查询式
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6.1.2 常用键盘接口

行列式按键接口
如下图所示，行列式按键接口适用于按键数量较多，又 不方便使用专用键盘芯片的场合。这种方式的按键接口由行 线和列线组成，按键位于行、列的交叉点上。
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6.1.2 常用键盘接口
常用按键接口可分为独立式按键接口、行列式按键接口 和专用芯片式按键接口等。

独立式按键接口
独立式按键接口设计优点是电路配置灵活，软件实现简 单。但缺点是每个按键需占用一根口线，若按键数量较多， 资源浪费将比较严重，电路结构很复杂。因此本方法主要用 于按键较少或对操作速度要求较高的场合。如下图所示。
S3C44B0X中内置的LCD控制器可支持灰度LCD和彩色LCD。
寄存器控制 信号产生电路 VCLK VLINE VFRAME VM VD[3：0] VD[7：4]
32
DMA传送控制
32 32
数据控制
图6.5
S3C44B0X的LCD控制器逻辑图
图6.5为S3C44B0X中内置的LCD控制器逻辑框图，它用于传 输显示数据并产生必要的控制信号。
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6.2.3 LCD接口电路
1.S3C4510B LCD显示接口电路
LCD显示模块选用北京精电蓬远MDLS40466显示 模块，该显示模块的控制芯片为日立公司的HD44780。 模块接口信号定义如表6.1所示。
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6.2.3 LCD接口电路
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6.2.3 LCD接口电路
本系统中LCD模块与S3C4510B连接如下图所示。
如图6.1所示的按键开关电路是最简单的，由于按键 是机械触点，当机械触点断开、闭合时，会产生抖动。 这种抖动用户感觉不到，但对计算机来说，则是完全可 以感应的。计算机处理的速度在微秒级，而机械抖动的 时间至少是毫秒级。假如利用按键开关产生中断可能就 会产生一个问题，就是说按键有时灵，有时不灵，其实 就是这个原因。有可能只按了一次按键，可是计算机却 已执行了多次中断的操作。


由于系统自带的驱动程序和要写的驱动代码不能共存，所以 首先必须使系统自带的键盘驱动释放中断。但因为在内核源 文件（drivers /char/keyboard.c）里它是作为一个静态符 号被定义的，所以没有办法恢复它，只能重新启动，才能恢 复原来的中断。
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6.1.3 键盘驱动程序实例
本节这段代码是把它自动绑定到IRQ1上，在Intel结构下 这是键盘控制的IRQ。这时，当它连接到一个键盘中断时， 将读出键盘的状态（这是inb(0x64)的目的）和由键盘返回 的扫描码。随后只要内核认为可以时，它将运行got_char给 出键的编码（扫描码的前7位）和是否被按下的信息（如果 第8位是0则表示按下，是1表示释放）。
P7 P6 P5 P4 P3 P2 P1 P0
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6.1.2 常用键盘接口
如何确定行列式键盘上哪个键被按下，这里介绍一种“ 行扫描法”。行扫描法又称为逐行（或列）扫描查询法，是 一种最常用的按键识别方法。扫描过程分为以下两步： （1）判断键盘中有无键按下。 （2）判断闭合键所在的位置。

举例说明
例如在图6.3中，CPU的低8位用作键盘I/O口，键盘的列 线连接到I/O口的低4位，键盘的行线连接到I/O口的高4位。 列线B0～B3分别连接有4个上拉电阻到正电源+5V，并把列线 设置为输入线，行线B4～B7设置为输出线，4根行线和4根列 线形成16个相交点。如果进行键盘扫描，再加上去除抖动的 功能，要执行如下操作：

去除抖动的方法
为使CPU能正确地读出按键的状态，对每一次按键只作 一次响应，就必须考虑如何去除抖动。常用的去除抖动方 法有软件方式和硬件方式两种。
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6.1.1 键盘工作原理

软件方法
对于简单的按键电路，可采用软件方法去除抖动。软件方法 就是在程序获得外接端口为低的信息后，不是立即认定按键已被 按下，而是延时10毫秒或者更长一段时间后再次检测外部端口， 如果仍为低，说明按键的确按下了，这实际上是避开了按键按下 时的抖动时间。同理，在检测到按键释放后再延时5～10毫秒， 消除后沿的抖动，然后再对键值处理。
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LCD显示接口简介
在ARM嵌入式系统中，人机接口不但包括可以输入的键盘 ，还有用于传送信息给用户的输出设备。液晶显示器LCD具 有显示信息多、质量高、无电磁辐射、可视面积大、应用范 围广、画面效果好、数字式接口、体积小、功耗低等特点， 在基于微处理器的嵌入式系统终端显示、人机接口中受到普 遍欢迎，极大地提高了嵌入式系统的易用性和操作的直观性 。
嵌入式系统原理与设计
第六章 人机交互接口设计
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本章提要
1ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
键盘输入接口
2 LCD显示接口
3 触摸屏交互接口
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键盘输入接口简介
• 在ARM嵌入式系统应用中，键盘是人机交互对话最通 用的方法之一。操作者通过键盘向系统发送各种指令或 置入必要的数据信息。键盘模块设计的好坏，直接关系 到系统的可靠性和稳定性。 在ARM应用系统中，键盘扫描只是ARM的工作内容之一， ARM在忙于各项工作任务的同时，如何兼顾键盘的输入， 则取决于键盘的工作方式。键盘工作方式的选取原则是 既要保证能及时响应按键操作，又要不过多占用ARM的 工作时间。

硬件方法
有时用软件方式并不能很好地解决按键抖动问题，这时就需 要使用硬件方法。硬件方法其实就是一个去除抖动电路，用于去 除按下和释放按键时的波形抖动，读者可以查找相关去抖电路。 对于比较复杂的矩阵键盘而言，通常使用专用芯片去除抖动，例 如键盘接口芯片8279、MAX6816、MAX6817、MAX6818等。
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6.1.2 常用键盘接口
专用芯片式按键接口
专用键盘处理芯片一般功能较完善，芯片本身能完成对 按键的编码、扫描、消抖和重键等问题的处理，甚至还集成 了显示接口功能。 优点：可靠性高，接口简单，使用方便，适合处理按键较 多的情况。但在很多应用场合，考虑成本因素，可能并不是 最佳选择。
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6.1.3 键盘驱动程序实例
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6.2.2 在嵌入式Linux中驱动LCD

帧缓冲 FrameBuffer是出现在Linux2.2.xx及其以后版本内核当 中的一种驱动程序接口。这种接口将显示设备抽象为帧缓冲 区。 帧缓冲设备对应的设备文件是/dev/fb*，如果系统有多 个显卡，Linux还支持多个帧缓冲设备，最多可以有32个， 分别为/dev/fb0、/dev/fb1…/dev/fb31。
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6.2.1 LCD简介
显示原理
液晶显示器的显像原理，是将液晶置于两片导电玻璃之 间，靠两个电极间电场的驱动，引起液晶分子扭曲向列的电 场效应，以控制光源透射或遮蔽功能，在电源开/关之间产 生明暗而将影像显示出来。
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6.2.1 LCD简介

LCD显示器的分类
LCD显示器
（1）按显示功能的强弱
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6.2.4 uClinux下开发LCD应用程序
uClinux系统提供了—系列的图形界面接口函数API。它们 仿照Win32API的接口，使用户能够以最短的时间熟悉并使用 它们。 下面分析这些API是如何通过LCD驱动程序操作LCD的。
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触摸屏交互接口简介
触摸屏提供了一种简单、方便的人机交互方式，赋予了 多媒体以崭新的面貌，在计算机和嵌入式系统中都有非常广 泛的应用。 触摸屏由触摸检测部件和触摸屏控制器组成，前者安装 在显示器屏幕前面，用于检测用户触摸的位置并将其送给后 者，从而将触摸点位置转换成坐标参数送给处理器，同时接 收处理器发来的命令并执行。
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6.2.3 LCD接口电路
TIMEGEN包含可编程的逻辑，产生VFRAME、VLINE、VCLK和 VM等信号。表6.2给出了LCD控制器外部接口信号的含义。
表6.2
LCD控制器外部接口信号
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6.2.3 LCD接口电路
LCDCDMA对应于先入先出（FIFO，First Input First Output）寄存器。当FIFO变空或部分空的时候，LCDCDMA请 求从帧内存中用突发传输模式预取数据，这种传输请求被内 存控制器的总线仲裁器接收时，就把4个连续的字从系统内 存传输到内部FIFO。 S3C44B0X中内置的LCD控制器可通过一系列的寄存器进 行控制。
P6 1 1 0 1
（4）在每组行输出时读取P0～P3，若全为“1”，则表示设为 “0”的这一行没有键闭合，否则有键闭合。由此得到闭合 键的行值和列值，通常是一个扫描码，然后可采用计算法 或查表法将闭合键的行值和列值转换成所定义的键值。
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6.1.2 常用键盘接口
通过以上步骤就可得到被按下键的扫描码了，通常把扫 描码放到一个缓冲区内，直到应用程序处理按键为止。 一般来说，都是把缓冲区作为一个环行队列来管理。使 用两个指针，一个指向第一个空位，一个指向第一个扫描码 。当一个按键被按下时，扫描码将被放置在环形队列的空指 针指向的位置。而应用程序则是通过指向第一个扫描码的指 针去读取扫描码。若缓冲区已满，则任何下一个按键都将被 丢弃。

在应用程序中，操作/dev/fb的一般步骤如下：
（1）打开/dev/fb设备文件。 （2）用ioctl()取得当前显示屏幕的参数，如屏幕的分辨率 、每个像素的比特数等，根据屏幕参数可以计算出屏幕缓冲 区的大小。 （3）将屏幕缓冲区映射到用户空间。映射之后就可以直接对 屏幕缓冲区进行读写、绘图和显示图片了。
段位式LCD 字符式LCD 点阵式LCD
（2）按照液晶显示器的使用场合
LCD显示器
数显液晶模块
点阵式液晶 字符模块
点阵式 图形液晶模块
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6.2.1 LCD简介
点阵式图形液晶模块又可以分为以下几类：
1） 行、列驱动型
2） 行、列控制型 3） 行列驱动—控制型
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6.2.1 LCD简介

显示汉字
一般英文为8×8点阵，因而显示一个英文字符只需要8 个字节，而每一个汉字要占4个英文字体，因此显示一个汉 字需要32个字节。汉字字库表为一张数据表，每个汉字在数 据表中通常由32个字节组成一个点阵图形。在应用时，连续 取32个字节送到LCD的相应位置，就能正确显示汉字后的图 形符号。
4510B LCD DA[0-7]
XDATA[0-7]
ADDR[0-1]
AD[0-1]
nRCS0
CS
由于S3C4510B没有内置LCD控制器，当需要LCD显示的 时候必须外接控制及驱动芯片，步骤繁琐。
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6.2.3 LCD接口电路 2. S3C44B0X与LCD显示模块的接口
S3C44B0X中有内置的LCD控制器，它的功能就是把显示缓 存中的图像数据传输到外部LCD驱动电路中。