第9章人机接口技术

1、LOGO嵌入式系统原理及接口技术嵌入式系统原理及接口技术v人机接口提供了人与嵌入式系统进行信息交互的人机接口提供了人与嵌入式系统进行信息交互的手段，通过人机接口，人可以给嵌入式系统发送手段，通过人机接口，人可以给嵌入式系统发送操作指令，嵌入式系统的运行结果也可以通过显操作指令，嵌入式系统的运行结果也可以通过显示等方式提交给人。示等方式提交给人。 v在嵌入式系统中常用的人机接口设备有：键盘、在嵌入式系统中常用的人机接口设备有：键盘、LED显示器和显示器和LCD显示器、触摸屏等。显示器、触摸屏等。 9.1 键盘接口 v 键盘是最常用的人机输入设备，在嵌入式系统的键盘接口键盘是最常用的人机输入设备，

2、在嵌入式系统的键盘接口设计时，通常需要根据应用的具体要求，来设计键盘接口设计时，通常需要根据应用的具体要求，来设计键盘接口的硬件电路，同时还需要完成识别按键动作、生成按键键的硬件电路，同时还需要完成识别按键动作、生成按键键码和按键具体功能的程序设计。码和按键具体功能的程序设计。 按键较少按键较少按键较多按键较多v（1）按键的识别方法）按键的识别方法v嵌入式系统所用键盘中的按键通常是由机械开关嵌入式系统所用键盘中的按键通常是由机械开关组成，通过机械开关中的簧片是否接触来断开或组成，通过机械开关中的簧片是否接触来断开或者接通电路，以便区别键是否处在按下或释放状者接通电路，以便区别键是否处在按下或释

3、放状态。态。 v键盘的接口电路有多种形式，主要有：键盘的接口电路有多种形式，主要有：v （1）用专用的芯片来连接机械按键，由专用芯片来识别）用专用的芯片来连接机械按键，由专用芯片来识别按键动作并生成按键的键值，然后把键值传输给微处理器；按键动作并生成按键的键值，然后把键值传输给微处理器；v （2）用微处理器芯片的）用微处理器芯片的GPIO引脚来连接机械按键，由引脚来连接机械按键，由微处理器本身来识别按键动作，并生成键码。微处理器本身来识别按键动作，并生成键码。 v即使采用即使采用GPIO引脚直接连接机械按键，通常也引脚直接连接机械按键，通常也会根据应用的要求，其接口电路有所不同。会根据应用的要

4、求，其接口电路有所不同。 v（1）按键个数较少时，接口电路如图）按键个数较少时，接口电路如图9-1所示。所示。v（2）按键个数较多时，接口电路如图）按键个数较多时，接口电路如图9-2所示。所示。v下面主要介绍按键较多时的键盘接口设计方法。下面主要介绍按键较多时的键盘接口设计方法。v由原始机械开关组成的阵列式键盘，其接口程序由原始机械开关组成的阵列式键盘，其接口程序必须处理三个问题：去抖动、防串键和产生键码。必须处理三个问题：去抖动、防串键和产生键码。v抖动是机械开关本身的一个最普遍问题。它是指抖动是机械开关本身的一个最普遍问题。它是指当键按下时，机械开关在外力的作用下，开关簧当键按下时，机械开

5、关在外力的作用下，开关簧片的闭合有一个从断开到不稳定接触，最后到可片的闭合有一个从断开到不稳定接触，最后到可靠接触的过程。键的抖动时间一般为靠接触的过程。键的抖动时间一般为10ms 20ms，去抖动的方法主要采用软件延时或硬件，去抖动的方法主要采用软件延时或硬件延时电路。延时电路。v串键是指多个键同时按下时产生的问题。串键是指多个键同时按下时产生的问题。 v产生键码是指键盘接口必须把按下的键翻译成有产生键码是指键盘接口必须把按下的键翻译成有限位二进制代码，以便微处理器识别。限位二进制代码，以便微处理器识别。 v嵌入式系统中，由于对键盘的要求不同，产生键嵌入式系统中，由于对键盘的要求不同，产生键

6、码的方法也有所不同。主要的键码产生方法是：码的方法也有所不同。主要的键码产生方法是：v （1）直接把行信号值和列信号值合并在一起来生成键码。）直接把行信号值和列信号值合并在一起来生成键码。 v （2）采用一些特殊的算法来生成键码。）采用一些特殊的算法来生成键码。 v虽然，键码的产生方法是多种多样的，但不论哪虽然，键码的产生方法是多种多样的，但不论哪种方法都必须保证键码与键一一对应。种方法都必须保证键码与键一一对应。 v一种较常用的键码产生算法，它比较适用于一种较常用的键码产生算法，它比较适用于16键键64键的键盘接口，并且键码采用键的键盘接口，并且键码采用8位二进制数位二进制数表示。键码产生的

7、算法步骤如下：表示。键码产生的算法步骤如下：v（1）根据键盘扫描中所得到的行信号计算出被）根据键盘扫描中所得到的行信号计算出被按下键所在行的行数，以数据最低位对应的键盘按下键所在行的行数，以数据最低位对应的键盘行为第一行，以此类推；行为第一行，以此类推； v（2）求行数的补（模为）求行数的补（模为256），并求出其对应），并求出其对应的二进制编码；的二进制编码； v（3）将行数的补对应的二进制码左移四位，然）将行数的补对应的二进制码左移四位，然后与列码相加，所的到的码即为键码。后与列码相加，所的到的码即为键码。 v例如，若要求出图例如，若要求出图9-2中中“9”键及键及“6”所对应的所对应的键

8、码，采用前述算法来进行，那么，键码，采用前述算法来进行，那么， “9”键所键所对应的键码是：对应的键码是：v 0 xDD v“6”所对应的键码是：所对应的键码是：v 0 xEBv若采用直接把行信号值和列信号值合并在一起来若采用直接把行信号值和列信号值合并在一起来生成键码的方法，且行信号在高生成键码的方法，且行信号在高4位，列信号在位，列信号在低低4位，那么，位，那么， “9”键所对应的键码是：键所对应的键码是：v 0 xBDv“6”所对应的键码是：所对应的键码是： 0 xDBv非编码式键盘的接口驱动程序流程：非编码式键盘的接口驱动程序流程：键盘接口示例 v假设键盘阵列是假设键盘阵列是54，利用

9、，利用S3C2440的端口的端口C、端口端口E来完成键盘的连接，其中，来完成键盘的连接，其中，GPC0GPC3作为输入用于连接作为输入用于连接“键盘列键盘列”，GPE0GPE4作为输出，用于连接作为输出，用于连接“键盘行键盘行”，键码采用，键码采用16位，位，是行信号值和列信号值合并而成。是行信号值和列信号值合并而成。v具体键盘接口程序代码详见教材的具体键盘接口程序代码详见教材的9.1.2节。节。 9.2 LED显示器接口 vLED显示器是嵌入式系统中常用的输出设备。显示器是嵌入式系统中常用的输出设备。vLED显示器的种类有：显示器的种类有：v（1）由若干个）由若干个LED灯组成的显示器，用于

10、状态灯组成的显示器，用于状态指示。指示。v（2）7段或段或8段段LED显示器，用于显示信息量不显示器，用于显示信息量不大的应用场合。大的应用场合。v（3）点阵式）点阵式LED显示器。显示器。7段（或8段）LED显示器控制原理v7段（或段（或8段）段）LED显示器是由七个（或八个）显示器是由七个（或八个）发光二极管按一定的位置排列成发光二极管按一定的位置排列成“日日”字形，为字形，为了适应不同的驱动电路，采用了共阴极和共阳极了适应不同的驱动电路，采用了共阴极和共阳极两种结构，如下图所示。两种结构，如下图所示。 v用用7段（或段（或8段）段）LED显示器可以显示显示器可以显示09的数的数字和多种字

11、符（并可带小数点）。字和多种字符（并可带小数点）。v在实际应用中，一般需要多位数据同时显示，这在实际应用中，一般需要多位数据同时显示，这样就需要用多个样就需要用多个7段（或段（或8段）段）LED来组成一个来组成一个完整的显示器。如下图所示。完整的显示器。如下图所示。 v前图所示的前图所示的LED显示器，通常采用扫描显示方式显示器，通常采用扫描显示方式来驱动显示器的内容显示。来驱动显示器的内容显示。v所谓扫描显示方式是根据人眼的视觉惰性，在多所谓扫描显示方式是根据人眼的视觉惰性，在多位位7段（或段（或8段）段）LED组成的显示器中，所有位组成的显示器中，所有位的段信号均连接在一起，由段控制逻辑控

12、制，而的段信号均连接在一起，由段控制逻辑控制，而该位能不能显示则由位控制逻辑中对应的位信号该位能不能显示则由位控制逻辑中对应的位信号控制。控制。v位控制逻辑实际上是一扫描电路，它依此使位控制逻辑实际上是一扫描电路，它依此使N位位7段（或段（或8段）段）LED显示器中的一位显示，其余位显示器中的一位显示，其余位处于不显示状态。只要扫描的速度适当，人眼看处于不显示状态。只要扫描的速度适当，人眼看到的是到的是N位位LED同时显示的状况。同时显示的状况。 v7段（或段（或8段）段）LED组成的显示器也可以采用专用的组成的显示器也可以采用专用的接口芯片来设计其显示驱动接口电路，如采用接口芯片来设计其显示

13、驱动接口电路，如采用ZLG7289芯片。芯片。vZLG7289芯片是一个具有串行输入、芯片是一个具有串行输入、8位段信号并位段信号并行输出，可同时驱动行输出，可同时驱动8个共阴个共阴LED的专用芯片。的专用芯片。vZLG7289芯片能支持译码显示模式和非译码显示芯片能支持译码显示模式和非译码显示模式。译码显示模式指的是微处理器输出给模式。译码显示模式指的是微处理器输出给ZLG7289芯片显示字符的对应值，由芯片芯片显示字符的对应值，由芯片ZLG7289译码产译码产生显示需要的段信号；而非译码显示模式指的是微生显示需要的段信号；而非译码显示模式指的是微处理器直接输给处理器直接输给ZLG7289芯

14、片显示字符对应的段芯片显示字符对应的段码信号，因此，设计者需要自行求出显示字符对应码信号，因此，设计者需要自行求出显示字符对应的段码。其设计示例请参考教材的段码。其设计示例请参考教材9.2.2节。节。 点阵式LED显示器 v点阵式点阵式LED显示器的显示器的显示单元一般由显示单元一般由8行行8列列LED组成，如下组成，如下图所示，可以再由这图所示，可以再由这8行行8列的列的LED拼成拼成更大的更大的LED阵列。阵列。v点阵式点阵式LED显示器能显示器能显示各种字符、汉字显示各种字符、汉字及图形、图像，并具及图形、图像，并具有色彩。有色彩。 v点阵式点阵式LED显示器中，每个显示器中，每个LED

15、表示一个像素，表示一个像素，通过每个通过每个LED的亮与灭来构造出所需的图形，各的亮与灭来构造出所需的图形，各种字符及汉字也是通过图形方式来显示的。种字符及汉字也是通过图形方式来显示的。v对于单色点阵式对于单色点阵式LED来说，每个像素需要一位二来说，每个像素需要一位二进制数表示，进制数表示，“1”表示亮、表示亮、“0”表示灭。表示灭。v对于彩色点阵式对于彩色点阵式LED，则每个像素需要更多的二，则每个像素需要更多的二进制位表示，通常用一个字节。进制位表示，通常用一个字节。v点阵式点阵式LED显示器的显示控制也采用扫描方式。显示器的显示控制也采用扫描方式。只要扫描速度适当，显示的图形就不会出现

16、闪烁。只要扫描速度适当，显示的图形就不会出现闪烁。 9.3 LCD显示器接口* vLCD（液晶）显示器是嵌入（液晶）显示器是嵌入式系统中最主要的输出设备。式系统中最主要的输出设备。v按显示颜色可分为：单色按显示颜色可分为：单色LCD、伪彩、伪彩LCD、真彩、真彩LCD等；等；v按显示模式可分为：数码式按显示模式可分为：数码式LCD、字符式、字符式LCD、图形式、图形式LCD等；等；v按显示工作原理可分为：按显示工作原理可分为：STN-LCD、TFT-LCD等等 。 S3C2440芯片中的LCD控制器 vS3C2440芯片中的芯片中的LCD控制器的功能是，将控制器的功能是，将LCD图像数据从系统

17、主存中的显示缓冲区搬移到外部图像数据从系统主存中的显示缓冲区搬移到外部LCD驱动器中。它支持的驱动器中。它支持的LCD显示器种类：显示器种类：v （1）4级灰度的单色级灰度的单色LCD显示器（即每个像素用显示器（即每个像素用2位二进制位二进制数表示）。数表示）。v （2）16级灰度的单色级灰度的单色LCD显示器（即每个像素用显示器（即每个像素用4位二进位二进制数表示）。制数表示）。v （3）256级色彩级色彩STN-LCD显示器（即每个像素用显示器（即每个像素用8位二进位二进制数表示）。制数表示）。v （4）4096级色彩级色彩STN-LCD显示器（即每个像素用显示器（即每个像素用12位位二进

18、制数表示）。二进制数表示）。v （5）带调色板功能的彩色）带调色板功能的彩色TFT-LCD显示器（其每个像素用显示器（其每个像素用16位二进制数表示）。位二进制数表示）。v （6）不带调色板的真彩）不带调色板的真彩TFT-LCD显示器（其每个像素用显示器（其每个像素用24位二进制数表示）。位二进制数表示）。 v本节作为补充内容，详细设计原理及本节作为补充内容，详细设计原理及示例请参考教材示例请参考教材9.3节。节。9.4 触摸屏接口* v触摸屏是嵌入式系统中一种常用的输入设备，它触摸屏是嵌入式系统中一种常用的输入设备，它提供了操作简单、方便的人机输入手段。提供了操作简单、方便的人机输入手段。 v触摸屏的种类有许多，根据其工作原理的不同，触摸屏的种类有许多，根据其工作原理的不同，可以分成：电阻式触摸屏、电容式触摸屏、红外可以分成：电阻式触摸屏、电容式触摸屏、红外线触摸屏、表面声