【正文】 嵌入式硬件系統(tǒng)接口電路設(shè)計 主要內(nèi)容 ? 1. 嵌入式系統(tǒng)開發(fā)基礎(chǔ) ? 2. 鍵盤接口技術(shù) ? 3. 顯示接口技術(shù) ? 4. 模擬量輸出傳感器 ? 5. 數(shù)字量輸出傳感器 ? 6. 過程通道與人機(jī)接口 ? 7. 常用電信電路接口 ? 8. 控制接口電路 ? 9. 數(shù)據(jù)通信及其接口電路 第 1章 嵌入式系統(tǒng)開發(fā)基礎(chǔ) ? 第一部分嵌入式系統(tǒng)的基本概念 ? 第二部分嵌入式系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu) ? 第三部分嵌入式系統(tǒng)的硬件組成 ? 第四部分嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)流程 嵌入式系統(tǒng)的基本概念 ?IEEE（國際電氣和電子工程師協(xié)會）對嵌入式系統(tǒng)的定義：“用于控制、監(jiān)視或者輔助操作機(jī)器和設(shè)備的裝置”（原文為： Devices Used to Control， Monitor or Assist the Operation of Equipment， Machinery or Plants）。這主要是從應(yīng)用對象上加以定義，從中可以看出嵌入式系統(tǒng)是軟件和硬件的綜合體，還可以涵蓋機(jī)械等附屬裝置。 ?國內(nèi)普遍認(rèn)同的嵌入式系統(tǒng)定義為：以應(yīng)用為中心，以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴(yán)格要求的專用計算機(jī)系統(tǒng)。 ? 一個嵌入式系統(tǒng)裝置一般都由嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)和執(zhí)行裝置組成，如圖 ，嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)是整個嵌入式系統(tǒng)的核心，由硬件層、中間層、系統(tǒng)軟件層和應(yīng)用軟件層組成。執(zhí)行裝置也稱為被控對象，它可以接受嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)發(fā)出的控制命令，執(zhí)行所規(guī)定的操作或任務(wù)。 1. 嵌入式系統(tǒng)的組成 人 機(jī) 交 互 接 口D / A啟 動 器 1啟 動 器 N啟 動 器 2? ?傳 感 器 1被 控 對 象傳 感 器 N? ?傳 感 器 2應(yīng) 用 程 序圖 形 用 戶 接 口 任 務(wù) 管 理文 件 系 統(tǒng)實(shí) 時 操 作 系 統(tǒng) （ R T O S )I / OA / DR O MS D R A M嵌 入 式微 處 理 器通 用 接 口應(yīng) 用軟 件 層硬 件 層中 間 層系 統(tǒng)軟 件 層B S P / H A L 硬 件 抽 象 間 層 / 板 極 支 持 包圖 嵌入式系統(tǒng)的典型組成 ? 嵌入式系統(tǒng)的核心部件是各種類型的嵌入式處理器。嵌入式處理器就像系統(tǒng)的控制神經(jīng)中樞，通過數(shù)據(jù)線、地址線和控制信號線等神經(jīng)網(wǎng)線與各種神經(jīng)末梢，如 RS232接口、 USB接口、 LCD接口等相連。新一代嵌入式設(shè)備還需具備IEEE1394， USB， CAN， Bluetooth或 IrDA通信接口，同時也需要提供相應(yīng)的通信組網(wǎng)協(xié)議軟件和物理層驅(qū)動軟件。為了支持應(yīng)用軟件的特定編程模式，如 Web或無線 Web編程模式，還需要相應(yīng)的瀏覽器，如 HTML， XML等。 ? 現(xiàn)在幾乎每個半導(dǎo)體制造商都生產(chǎn)嵌入式處理器。越來越多的公司如 Intel， WINBOND， Motorola， ARM， SEIKO EPSON等，都有自己的處理器，比如用戶熟知的嵌入式處理器 Intel公司的 1960， 8XC196MC和 SA1110， Motorala公司的MC68302， MPC860， MPC8260， SEIKO EPSON的 S1C33系列的處理器。嵌入式處理器的尋址空間一般為 64KB～ 256MB，處理速度為 MIPS～ 2022 MIPS，常用封裝從 8個引腳至 144個引腳。如 SEIKO EPSON公司的 S1C33209處理器芯片尋址空間達(dá)到 256MB，封裝成 128個引腳。 嵌入式操作系統(tǒng) ? 操作系統(tǒng)是計算機(jī)用戶和計算機(jī)硬件之間的一個中介，并用于管理計算機(jī)資源和控制應(yīng)用程序運(yùn)行的計算機(jī)程序。在嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的初期，其應(yīng)用相對簡單，嵌入式軟件由專門配套的匯編甚至機(jī)器語言編寫，功能主要體現(xiàn)在一些控制流程上。它們直接面向應(yīng)用，直接基于系統(tǒng)硬件開發(fā)，專有性很強(qiáng)，使得在開發(fā)新的嵌入式系統(tǒng)時，已存在的嵌入式軟、硬件資源很少能用上，造成資源浪費(fèi)和重復(fù)勞動。這時嵌入式系統(tǒng)的可重用性很差，也基本不可能移植。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的硬件功能越來越強(qiáng)大，嵌入式系統(tǒng)的硬件功能越來越強(qiáng)大，嵌入式軟件開始使用 C、 C++ 等高級語言編寫，調(diào)試手段也越來越多和成熟。在體系結(jié)構(gòu)上，也由最初的單一控制流程，逐漸引入嵌入式操作系統(tǒng)等技術(shù)。 ? 如圖 ，為嵌入式系統(tǒng)硬件模型結(jié)構(gòu)，此系統(tǒng)主要由微處理器 MPU、外圍電路，以及外設(shè)組成，微處理器為 ARM嵌入式處理芯片，如ARM7TMDI系列及 ARM9系列微處理器， MPU為整個嵌入式系統(tǒng)硬件的核心，決定了整個系統(tǒng)功能和應(yīng)用領(lǐng)域。外圍電路根據(jù)微處理器不同而略有不同，主要由電源管理模型、時鐘模塊、閃存 FIASH、隨機(jī)存儲器 RAM，以及只讀存儲器 ROM組成。這些設(shè)備是一個微處理器正常工作所必須的設(shè)備。 嵌入式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 1 嵌入式系統(tǒng)的硬件架構(gòu) R O MR T CP O W E RS D R A MA R M處理器G P I OF L A S HR J 4 5K e yR S 2 3 2U S B圖 ? 嵌入式系統(tǒng)與傳統(tǒng)的單片機(jī)在軟件方面最大的不同就是可以移植操作系統(tǒng)，從而使軟件設(shè)計層次化，傳統(tǒng)的單片機(jī)在軟件設(shè)計時將應(yīng)用程序與系統(tǒng)、驅(qū)動等全部混在一起編譯，系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，可維護(hù)性不高，上升到操作系統(tǒng)后，這一切變得很簡單可行。 ? 嵌入式操作系統(tǒng)在軟件上呈現(xiàn)明顯的層次化，從與硬件相關(guān)的 BSP到實(shí)時操作系統(tǒng)內(nèi)核 RTOS，到上層文件系統(tǒng)、 GUI界面，以及用戶層的應(yīng)用軟件。各部分可以清晰地劃分開來，如圖 。當(dāng)然，在某些時候這種劃分也不完全符合應(yīng)用要求。需要程序設(shè)計人員根據(jù)特定的需要來設(shè)計自己的軟件。 板 極 支 持 包 （ B S P )實(shí) 時 操 作 系 統(tǒng) 內(nèi) 核 系 統(tǒng) （ R T O S )圖 形 界 面 G U IF S 文 件 系 統(tǒng)硬 件 層系 統(tǒng) 管 理 接 口應(yīng) 用 程 序 層 （ A p p l i c a t i o n )圖 嵌入式開發(fā)的模式及流程 ? 嵌入式系統(tǒng)開發(fā)分為軟件開發(fā)部分和硬件開發(fā)部分。嵌入式系統(tǒng)在開發(fā)過程一般都采用如圖 “宿主機(jī) /目標(biāo)板”開發(fā)模式，即利用宿主機(jī) (PC機(jī) )上豐富的軟硬件資源及良好的開發(fā)環(huán)境和調(diào)試工具來開發(fā)目標(biāo)板上的軟件，然后通過交叉編譯環(huán)境生成目標(biāo)代碼和可執(zhí)行文件，通過串口 /USB/以太網(wǎng)等方式下載到目標(biāo)板上，利用交叉調(diào)試器在監(jiān)控程序運(yùn)行，實(shí)時分析，最后，將程序下載固化到目標(biāo)機(jī)上，完成整個開發(fā)過程。 1 嵌入式系統(tǒng)開發(fā)模式 交 換 機(jī)運(yùn) 行 R e d h a t L i n u x 的 P C 機(jī)網(wǎng) 線串 口 線[ 目 標(biāo) 板 ]交 叉 編 譯網(wǎng) 線H H A R M 開 發(fā) 板假 設(shè) I P 為 ： 1 9 2 . 1 6 8 . 0 . 2假 設(shè) I P 為 ： 1 9 2 . 1 6 8 . 0 . 1[ 宿 主 機(jī) ]圖 “宿主機(jī) /目標(biāo)板”開發(fā)模式 ? 在軟件設(shè)計上，如圖 ARM硬件環(huán)境及 ADS軟件開發(fā)環(huán)境所設(shè)計的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)流程圖。整個開發(fā)過程基本包括以下幾個步驟。 ? (1)源代碼編寫：編寫源 C/C++及匯編程序； ? (2)程序編譯：通過專用編譯器編譯程序； ? (3)軟件仿真調(diào)試：在 SDK中仿真軟件運(yùn)行情況； ? (4)程序下載：通過 JTAG、 USB、 UART方式下載到目標(biāo)板上； ? (5)軟硬件測試、調(diào)試：通過 JTAG等方式聯(lián)合調(diào)試程序； ? (6)下載固化：程序無誤，下載到產(chǎn)品上生產(chǎn)。 新 建 工 程A R M D e v e l o p e rS u i t e網(wǎng) 線J T A G[ 目 標(biāo) 板 ]A R M 處 理 器串 口開 發(fā) 板[ 宿 主 機(jī) P C ]串 口串 口U S B , R J 4 5E d i t 3 2 或s o u r c e I n s i g h t超 級 終 端編 譯 連 接編 譯 源 代 碼* C , * S下 載仿 真 調(diào) 試監(jiān) 控 程 序運(yùn) 行串 口U S B , R J 4 5串 口U S BR J 4 5A X D D e b u gA r m J T A G并口R S 2 3 2A R M D e v e l o p e rS u i t e圖 嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)流程圖 ? 當(dāng)前，嵌入式開發(fā)已經(jīng)逐步規(guī)范化，在遵循一般工程開發(fā)流程的基礎(chǔ)上，嵌入式開發(fā)有其自身的一些特點(diǎn)，如圖 入式系統(tǒng)開發(fā)的一般流程。主要包括系統(tǒng)需求分析 (要求有嚴(yán)格規(guī)范的技術(shù)要求 )、體系結(jié)構(gòu)設(shè)計、軟硬件及機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計、系統(tǒng)集成、系統(tǒng)測試，最終得到最終產(chǎn)品。 系 統(tǒng) 需 求 分 析 ；規(guī) 格 說 明 書系 統(tǒng) 集 成系 統(tǒng) 測 試產(chǎn) 品機(jī) 械 系 統(tǒng) 設(shè) 計體 系 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計軟 件 設(shè) 計硬 件 設(shè) 計圖 第 2章 鍵盤接口技術(shù) ? 鍵盤是由若干個按鍵組成的開關(guān)矩陣，它是最簡單的單片機(jī)輸入設(shè)備，操作員可以通過鍵盤輸入數(shù)據(jù)或命令，實(shí)現(xiàn)簡單的人機(jī)通信。若鍵盤閉合鍵的識別是由專用硬件實(shí)現(xiàn)的，則稱為編碼鍵盤；若用軟件實(shí)現(xiàn)閉合鍵識別的，則稱為非編碼鍵盤。非編碼鍵盤又分為行列式和獨(dú)立式兩種。 獨(dú)立式鍵盤接口電路 ? 如果系統(tǒng)只需幾個按鍵，可直接采用 I/O線構(gòu)成單個按鍵電路，各個按鍵之間相互獨(dú)立，一根線上的按鍵狀態(tài)不會影響其他輸入線上的工作狀態(tài)，又稱獨(dú)立式鍵盤接口電路。一個具有幾個按鍵的獨(dú)立式鍵盤，每一個按鍵的一端都接地，另一端接單片機(jī)的I/O口。如圖 。這是較簡單的鍵盤結(jié)構(gòu)，該電路采用查詢方式。 獨(dú)立式按鍵是各按鍵相互獨(dú)立的接通一條輸入數(shù)據(jù)線，每個鍵的工作不會影響其它的 I/0口，硬件電路如圖 。 圖 ? 矩陣式鍵盤中 ， 行 、 列線分別連接到按鍵開關(guān)的兩端 ， 行線通過上拉電阻接到 +5V上 。 如圖 。 當(dāng)無鍵按下時 ， 行線處于高電平狀態(tài)；當(dāng)有鍵按下時 ， 行 、 列線將導(dǎo)通 ， 此時 ，行線電平將由與此行線相連的列線電平?jīng)Q定 。這一點(diǎn)是識別矩陣按鍵是否被按下的關(guān)鍵 。 然而 ， 矩陣鍵盤中的行線 、 列線和多個鍵相連 ，各按鍵按下與否均影響該鍵所在行線和列線的電平 ， 各按鍵間將相互影響 ， 因此 ， 必須將行線 、 列線信號配合起來作適當(dāng)處理 ， 才能確定閉合鍵的位置 。 矩陣式 鍵盤 接口電路 圖 矩陣式鍵盤接口電路圖 1設(shè)計思路 按鍵按下時，與此鍵相連的行線與列線導(dǎo)通，行線在無鍵 按下時處在高電平，顯然，如果讓所有的列線也處在高電平， 那么，按鍵按下與否不會引起行線電平的變化，因此， 必須使所有列線處在低電平，只有這樣，當(dāng)有鍵按下時， 該鍵所在的行電平才會由高電平變?yōu)榈碗娖健?CPU根據(jù) 行平電的變化，便能判定相應(yīng)的行有鍵按下。 8號鍵按下 時，第 2行一定為低電平，然而，第 2行為低電平時，能否 肯定是 8號鍵按下呢？回答是否定的，因?yàn)? 11 號鍵按下同樣使第 2行為低電平。為進(jìn)一步確定具體鍵， 不能使所有列線在同一時刻都處在低電平，可在某一 時刻只讓一條列線處于低電平，其余列線均處于高電平， 另一時刻，讓下一列處在低電平，依次循環(huán)，這種依次 輪流每次選通一列的工作方式稱為鍵盤掃描。 2 硬件電路設(shè)計 ? 8051單片機(jī)的 P1口作為鍵盤 I/O口，鍵盤的列線接到P1口的低 4位，鍵盤的行線接到 P1口的高 4位。列線～ 4個上拉電阻到正電源 +5V，并把列線 ～ ，行線 ～ 置為輸出線。 4根行線和 4根列線形成 16個相交點(diǎn)。如圖 。 圖 4行 179。 4列的行列式鍵盤結(jié)構(gòu)圖 觸摸屏式接口電路 ?1設(shè)計思路 這里介紹了四線電阻觸摸屏和觸摸屏的驅(qū)動控制芯片 ADS7843的工作原理 ,給出觸摸屏與ARM7微處理器 S3C44B0X芯片接口電路的連接方法及軟件編程的實(shí)現(xiàn)方法 。 在觸摸屏與 ARM7微處理器 S3C44B0X的連接電路中 ,VREF接基準(zhǔn)電壓 。 X+,X,Y+,Y