单片机与嵌入式系统：第四章 嵌入式硬件系统（二）（2课时）

单片机与嵌入式系统第四章嵌入式硬件系统（二）中南大学信息科学与工程学院本节内容输入设备输出设备外设接口通信接口1输入设备

小型键盘触摸屏1.1小型键盘

功能嵌入式系统的一种常用输入设备例如：收款机系统由几个简单的数字键和功能键组成。1.1小型键盘（1）.实验板1.1小型键盘

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

图4-12键盘与键盘控制器电路工作原理示意图

节省I/O端口资源

1.1小型键盘

工作原理键盘控制器扫描按键输入(逐行输出，逐列检测)

译码消抖按键值存放在寄存器中嵌入式处理器：Polling或Key管脚Interrupt方式检测

CS管脚使能从DIO管脚依次读取1.2触摸屏

功能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，使用方便注：触摸屏与LCD的分辨率和坐标系一般不同，因此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1.2触摸屏

种类电容式：最早出现表面声波式电阻式：主要产品，市场份额72%XGT式：最新技术，市场份额20%1.2触摸屏1.电容式触摸屏

工作原理触摸时，人体电场、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，因此手指从接触点吸走很小的电流流经四个角落电极的电流与手指到四角的距离成正比1.2触摸屏

特点（有些缺点实际也是优点）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1.2触摸屏

坚决拥护“投射电容式触摸屏”用在手机上最好不过，可以有效防止误碰iPhone手机采用比HTC的WM手机好多了

未来走向多点触控技术（Multi-Touch）1.2触摸屏2.表面声波式触摸屏

工作原理：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1.2触摸屏

特点高清晰度，透光性好高度耐久，抗刮伤性良好一次校正不漂移灰尘、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1.2触摸屏3.电阻式触摸屏

工作原理两层导电薄膜，上层可伸缩

触碰后上下电极导通，通过电位差计算(X,Y)值图4-13电阻式触摸屏工作原理示意图

1.2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1.2触摸屏4.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1.2触摸屏

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

本节内容输入设备输出设备外设接口通信接口2输出设备LEDLCD2.1LED

功能作为电源指示灯、电平指示、工作状态显示或微光源之用种类发光二极管（基本单元）数码管、符号管、米字管、点阵显示屏（1）.实验板2.1LED1.发光二极管（LED，LightEmittingDiode）

工作原理核心是一PN结—正向导通、反向截止还具有发光特性

特点耗电少、成本低、配置简单灵活、安装方便、耐振动、寿命常2.1LED

种类按发光颜色红色、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2.1LED2.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见下图。2.1LED

图4-14七段数码管结构原理图

2.1LED

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

2.1LED3.其它LED

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:图4-15点阵显示屏原理图

工作原理与七段数码管类似2.2LCD

工作原理液晶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2.2LCD液晶屏背光板：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彩色滤光膜：通过液晶阵列的光线经过～后显示指定的三原色RGB两块偏光板：将需要显示的光线，使其不会显示在液晶屏幕上

（1）.实验板2.2LCD

特点体积小、重量轻、耗电小对比CRT低辐射

对比CRT不会出现任何的几何失真，线性失真2.2LCD

种类被动式TN-LCD

控制电压组件设计在面板的四周

反应时间慢，光线输出量较少，动态影像有残影成本偏低（如用于普通的移动电话）主动式TFT-LCD每个液晶单元内植入控制电压的组件

光输出量大，反应时间快，提供鲜艳的色彩与较好的动态影像

制造成本较高（如用于信息家电）本节内容输入设备输出设备外设接口通信接口3外设接口并行接口串行接口

I2CI2SUSBIEEE13943.1并行接口

结构通过由多条数据线组成总线一次可以同时传送多个位的数据例：打印机并口(ParallelPort)

特点传输数据量大、速度快、控制简单传输总线的长度受限（过长时，电子线路间将产生电容效应），且抗干扰能力差

（1）.实验板3.1并行接口

对比：

I2C、I2S、USB、IEEE1394等串行接口

线路简单、抗干扰能力强

控制也相对复杂

3.2I2CI2C（Inter－IntegratedCircuit)

功能与特点用于连接微控制器和外设ADC、DAC、存储器、LED驱动器、实时时钟等芯片支持多主控

通信速度：100Kbit/s、最高400Kbit/s

简单，成本低3.2I2C

组成：两根串行线（均为双向I/O线）串行时钟线（SCL，SerialClockLine）串行数据线（SDL，SerialDataLine）注：通过数据线的软件寻址实现片选减少器件片选线的连接3.2I2C

工作原理：一次典型工作流程

(1)

开始：信号表明传输开始

(2)地址：主设备发送地址信息（7位从设备地址和1位表明读、写或数据流方向的指示位）

(3)数据：根据指示位，数据在主设备和从设备之间传输；数据一般以8位传输，具体传输的数据量无限制；接收器上用一位的ACK（回答信号）表明一个字节已收到；传输可被终止或重新开始

(4)停止：信号结束传输3.3I2SI2S(Inter-ICSound)

功能由SONY和PHILIPS公司等共同推出主要应用于连接数字音频处理设备例如：便携CD机、数字音频处理器等3.3I2S

组成：3根串行线串行时钟线（SCSK，ContinuousSerialClock）字选择线（WS，WordSelect）指示左通道或右通道的数据将被传输数据通道线（SData，SerialData）分时复用按高有效位MSB到低有效位LSB的顺序传送字长的音频数据MSB总在WS切换后的第一个时钟发送若数据长度不匹配,接收/发送器将截取或填充3.3I2S

工作时序图4-17I2S总线接口的基本时序3.4USBUSB（UniversalSerialBus，通用串行总线）

——由COMPAQ、Intel、Microsoft、NEC等厂商共同制定的一种外部设备总线规范。3.4USB

功能与特点为外设扩充提供一种即插即用的简单方法连接外设不必打开机箱允许外设热插拔，而不必关闭主机电源采用“级联”方式（最多连接127个外设，而每个外设间距离可达5米），且不会有IRQ冲突自取电：提供5V电源速度较快USB1.1：最高达12MbpsUSB2.0：最高达到480Mbps3.4USB

功能与特点为外设扩充提供一种即插即用的简单方法连接外设不必打开机箱允许外设热插拔，而不必关闭主机电源采用“级联”方式（最多连接127个外设，而每个外设间距离可达5米），且不会有IRQ冲突自取电：提供5V电源速度较快USB1.1：最高达12MbpsUSB2.0：最高达到480Mbps3.4USB

种类

A类连接器主设备端

B类连接器从设备端图4-18USB连接器常见种类

3.5IEEE1394IEEE1394，亦称为火线（Firewire）——由苹果公司研制

IEEE1394与USB的共同点都是一种通用外接设备接口支持热插拨可连接多个不同设备不用外部电源快速传输大量数据3.5IEEE1394

IEEE1394与USB的不同传输速率不同USB1.1为12Mbps，USB2.0最高为480Mbps，一般用于连接键盘、鼠标与麦克风等低速设备IEEE1394目前为400Mbps，将要达1Gbps，可连接数码相机、扫描仪和信息家电等高速设备3.5IEEE1394

连接方式不同USB：主从方式，需要HUB，最多127台设备IEEE1394：多主方式,不需要HUB，用网桥连接多个IEEE1394网络(网内63)(达到无限制连接）智能化不同USB：以HUB来判断连接设备的增减IEEE1394：可以在其设备进行增减时自动重设网络本节内容输入设备输出设备外设接口通信接口4通讯接口

有线通信接口RS-232

以太网

无线通信接口红外线/蓝牙

GPRSIEEE802.114.1RS-232

功能与特点电子工业协会（EIA）制订的点对点的有线串行异步通信标准传输速率2400～115200bps4.1RS-232

RS-232的控制传输：UART(UniversalAsynchronousReceiver/Transmitter)芯片或模块检测起始位：高电平变为低电平

采样：以设置的比特率进行信号采样，并存入寄存器中

通知：通知其它需要数据的组件将

UART芯片中的数据由寄存器取出

4.1RS-232

RS-232的缺点：1）易损坏接口电路的芯片。

2）传输速率较低。

3）共地传输容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱。

4）传输距离有限，最大传输距离标准值为50英尺，实际上也只能用在50米左右。4.2以太网

功能与特点局域网的一种有线通信总线标准采用CSMA/CD（载波监听/冲突检测）星型或总线型结构，通过集线器/交换机/网桥互连4.2以太网

通信协议规范

IEEE802.3十兆以太网（10BaseEthernet，10Mbps）

IEEE802.3u快速以太网（FastEthernet，100Mbps）

IEEE802.3z千兆以太网（GigabitEthernet，1000Mbps）

IEEE802.3ae万兆以太网（10GigabitEthernet，10000Mbps）4.2以太网

通讯介质标准：以IEEE802.3为例

10Base5粗以太网电缆，采用插入式分接头段长为500m，每段节点数为10010Base2细以太网电缆，采用BNC连接器组成T型插座价格低廉，可靠性高，安装方便段长为200m，每段节点数为304.2以太网10Base-T双绞线＋集线器（Hub）增添或移去节点简单,且容易检测到电缆故障段长为100m，每段节点数为102410Base-F光纤连接器和终止器的费用而十分昂贵，但却有极好的抗干扰性段长为2000m，每段节点数为10244.3红外线

功能红外线（Infrared）是一个点对点的无线通信标准发射的红外波长：0.85～0.9μm例:用于手机、PDA与笔记本电脑的通讯4.3红外线收发模块组成：3部分

发：红外线发光二极管

收：硅晶PIN光检二极管

控制电路接收到的信号传送到控制电路中，由嵌入式处理器进行处理或存储。4.3红外线

特点优点：价格便宜缺点：通讯距离短(1m内)、速度较慢(4Mbps)、方向性强、不能穿过障碍物、易受热源干扰等。表4-3红外线IrDA标准

4.4蓝牙

功能蓝牙(Bluetooth)也是一个点对点的无线通信协议标准

频带：2.402～2.480GHz属ISM(IndustrialScientificMedical)频带4.4蓝牙收发模块组成：3部分无线传输收发单元

基频处理单元

数据传输接口

接收到的信号传送到控制电路中，由嵌入式处理器进行处理或存储

4.4蓝牙

特点:对比红外线

缺点：价格高(采用低温陶瓷基版)

优点：4.5GPRS

移动通信:分为三代第一代:模拟的无线网络第二代:数字通信，包括GSM、CDMA等第三代:分组型的移动业务，称为3GGPRS（GeneralPacketRadioSystem）属于2.5G：第二代和第三代之间的混合体采用TDMA方式传输语音采用分组的方式传输数据4.5GPRS

特点多个用户可共享一个无线信道，一个用户