嵌入式硬件系统接口电路设计

嵌入式硬件系统接口电路设计魏伟胡玮王永清编著化学工业出版社主要内容1.嵌入式系统开发基础2.键盘接口技术3.显示接口技术4.模拟量输出传感器5.数字量输出传感器6.过程通道与人机接口7.常用电信电路接口8.控制接口电路9.数据通信及其接口电路第1章嵌入式系统开发基础第一部分嵌入式系统的基本概念第二部分嵌入式系统的组成结构第三部分嵌入式系统的硬件组成第四部分嵌入式系统的开发流程1.1嵌入式系统的基本概念IEEE（国际电气和电子工程师协会）对嵌入式系统的定义：“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”（原文为：DevicesUsedtoControl，MonitororAssisttheOperationofEquipment，MachineryorPlants）。这主要是从应用对象上加以定义，从中可以看出嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机械等附属装置。国内普遍认同的嵌入式系统定义为：以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。一个嵌入式系统装置一般都由嵌入式计算机系统和执行装置组成，如图1.1所示，嵌入式计算机系统是整个嵌入式系统的核心，由硬件层、中间层、系统软件层和应用软件层组成。执行装置也称为被控对象，它可以接受嵌入式计算机系统发出的控制命令，执行所规定的操作或任务。1.嵌入式系统的组成人机交互接口D/A启动器1启动器N启动器2……传感器1被控对象传感器N……传感器2应用程序图形用户接口任务管理文件系统实时操作系统（RTOS)I/OA/DROMSDRAM嵌入式微处理器通用接口应用软件层硬件层中间层系统软件层BSP/HAL硬件抽象间层/板极支持包图1.1嵌入式系统的典型组成1.2嵌入式系统的硬件组成1.2.1嵌入式处理器嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器。嵌入式处理器就像系统的控制神经中枢，通过数据线、地址线和控制信号线等神经网线与各种神经末梢，如RS-232接口、USB接口、LCD接口等相连。新一代嵌入式设备还需具备IEEE1394，USB，CAN，Bluetooth或IrDA通信接口，同时也需要提供相应的通信组网协议软件和物理层驱动软件。为了支持应用软件的特定编程模式，如Web或无线Web编程模式，还需要相应的浏览器，如HTML，XML等。现在几乎每个半导体制造商都生产嵌入式处理器。越来越多的公司如Intel，WINBOND，Motorola，ARM，SEIKOEPSON等，都有自己的处理器，比如用户熟知的嵌入式处理器Intel公司的1960，8XC196MC和SA1110，Motorala公司的MC68302，MPC860，MPC8260，SEIKOEPSON的S1C33系列的处理器。嵌入式处理器的寻址空间一般为64KB～256MB，处理速度为0.1MIPS～2000MIPS，常用封装从8个引脚至144个引脚。如SEIKOEPSON公司的S1C33209处理器芯片寻址空间达到256MB，封装成128个引脚。1.3嵌入式操作系统操作系统是计算机用户和计算机硬件之间的一个中介，并用于管理计算机资源和控制应用程序运行的计算机程序。在嵌入式系统发展的初期，其应用相对简单，嵌入式软件由专门配套的汇编甚至机器语言编写，功能主要体现在一些控制流程上。它们直接面向应用，直接基于系统硬件开发，专有性很强，使得在开发新的嵌入式系统时，已存在的嵌入式软、硬件资源很少能用上，造成资源浪费和重复劳动。这时嵌入式系统的可重用性很差，也基本不可能移植。随着微电子技术的发展，嵌入式系统的硬件功能越来越强大，嵌入式系统的硬件功能越来越强大，嵌入式软件开始使用C、C++等高级语言编写，调试手段也越来越多和成熟。在体系结构上，也由最初的单一控制流程，逐渐引入嵌入式操作系统等技术。1.4嵌入式系统开发的模式与流程如图1.9所示，为嵌入式系统硬件模型结构，此系统主要由微处理器MPU、外围电路，以及外设组成，微处理器为ARM嵌入式处理芯片，如ARM7TMDI系列及ARM9系列微处理器，MPU为整个嵌入式系统硬件的核心，决定了整个系统功能和应用领域。外围电路根据微处理器不同而略有不同，主要由电源管理模型、时钟模块、闪存FIASH、随机存储器RAM，以及只读存储器ROM组成。这些设备是一个微处理器正常工作所必须的设备。1.4.1嵌入式系统的结构1嵌入式系统的硬件架构ROMRTCPOWERSDRAMARM处理器GPIOFLASHRJ45KeyRS232USB图1.9嵌入式系统硬件模型结构2.嵌入式系统的软件结构嵌入式系统与传统的单片机在软件方面最大的不同就是可以移植操作系统，从而使软件设计层次化，传统的单片机在软件设计时将应用程序与系统、驱动等全部混在一起编译，系统的可扩展性，可维护性不高，上升到操作系统后，这一切变得很简单可行。嵌入式操作系统在软件上呈现明显的层次化，从与硬件相关的BSP到实时操作系统内核RTOS，到上层文件系统、GUI界面，以及用户层的应用软件。各部分可以清晰地划分开来，如图1.10所示。当然，在某些时候这种划分也不完全符合应用要求。需要程序设计人员根据特定的需要来设计自己的软件。板极支持包（BSP)实时操作系统内核系统（RTOS)图形界面GUIFS文件系统硬件层系统管理接口应用程序层（Application)图1.10嵌入式系统软件基本构架1.4.2嵌入式开发的模式及流程嵌入式系统开发分为软件开发部分和硬件开发部分。嵌入式系统在开发过程一般都采用如图1.11所示的“宿主机/目标板”开发模式，即利用宿主机(PC机)上丰富的软硬件资源及良好的开发环境和调试工具来开发目标板上的软件，然后通过交叉编译环境生成目标代码和可执行文件，通过串口/USB/以太网等方式下载到目标板上，利用交叉调试器在监控程序运行，实时分析，最后，将程序下载固化到目标机上，完成整个开发过程。1嵌入式系统开发模式交换机运行RedhatLinux的PC机网线串口线[目标板]交叉编译网线HHARM开发板假设IP为：192.168.0.2假设IP为：192.168.0.1[宿主机]图1.11“宿主机/目标板”开发模式在软件设计上，如图1.12所示为结合ARM硬件环境及ADS软件开发环境所设计的嵌入式系统开发流程图。整个开发过程基本包括以下几个步骤。(1)源代码编写：编写源C/C++及汇编程序；(2)程序编译：通过专用编译器编译程序；(3)软件仿真调试：在SDK中仿真软件运行情况；(4)程序下载：通过JTAG、USB、UART方式下载到目标板上；(5)软硬件测试、调试：通过JTAG等方式联合调试程序；(6)下载固化：程序无误，下载到产品上生产。新建工程ARMDeveloperSuite网线JTAG[目标板]ARM处理器串口开发板[宿主机PC]串口串口USB,RJ-45Edit-32或sourceInsight超级终端编译连接编译源代码*C,*S下载仿真调试监控程序运行串口USB,RJ-45串口USBRJ-45AXDDebugArmJTAG并口RS-232ARMDeveloperSuite图1.12嵌入式系统软件开发流程图2.嵌入式系统开发流程当前，嵌入式开发已经逐步规范化，在遵循一般工程开发流程的基础上，嵌入式开发有其自身的一些特点，如图1.13所示为嵌入式系统开发的一般流程。主要包括系统需求分析(要求有严格规范的技术要求)、体系结构设计、软硬件及机械系统设计、系统集成、系统测试，最终得到最终产品。系统需求分析；规格说明书系统集成系统测试产品机械系统设计体系结构设计软件设计硬件设计图1.13嵌入式系统开发流程第2章键盘接口技术键盘是由若干个按键组成的开关矩阵，它是最简单的单片机输入设备，操作员可以通过键盘输入数据或命令，实现简单的人机通信。若键盘闭合键的识别是由专用硬件实现的，则称为编码键盘；若用软件实现闭合键识别的，则称为非编码键盘。非编码键盘又分为行列式和独立式两种。2.1独立式键盘接口电路如果系统只需几个按键，可直接采用I/O线构成单个按键电路，各个按键之间相互独立，一根线上的按键状态不会影响其他输入线上的工作状态，又称独立式键盘接口电路。一个具有几个按键的独立式键盘，每一个按键的一端都接地，另一端接单片机的I/O口。如图2.1所示。这是较简单的键盘结构，该电路采用查询方式。1.设计思路独立式按键是各按键相互独立的接通一条输入数据线，每个键的工作不会影响其它的I/0口，硬件电路如图2.1所示。2.硬件电路设计图2.1硬件电路图矩阵式键盘中，行、列线分别连接到按键开关的两端，行线通过上拉电阻接到+5V上。如图2.4所示。当无键按下时，行线处于高电平状态；当有键按下时，行、列线将导通，此时，行线电平将由与此行线相连的列线电平决定。这一点是识别矩阵按键是否被按下的关键。然而，矩阵键盘中的行线、列线和多个键相连，各按键按下与否均影响该键所在行线和列线的电平，各按键间将相互影响，因此，必须将行线、列线信号配合起来作适当处理，才能确定闭合键的位置。2.2矩阵式键盘接口电路图2.4矩阵式键盘接口电路图1设计思路按键按下时，与此键相连的行线与列线导通，行线在无键按下时处在高电平，显然，如果让所有的列线也处在高电平，那么，按键按下与否不会引起行线电平的变化，因此，必须使所有列线处在低电平，只有这样，当有键按下时，该键所在的行电平才会由高电平变为低电平。CPU根据行平电的变化，便能判定相应的行有键按下。8号键按下时，第2行一定为低电平，然而，第2行为低电平时，能否肯定是8号键按下呢？回答是否定的，因为9、10、11号键按下同样使第2行为低电平。为进一步确定具体键，不能使所有列线在同一时刻都处在低电平，可在某一时刻只让一条列线处于低电平，其余列线均处于高电平，另一时刻，让下一列处在低电平，依次循环，这种依次轮流每次选通一列的工作方式称为键盘扫描。2硬件电路设计8051单片机的P1口作为键盘I/O口，键盘的列线接到P1口的低4位，键盘的行线接到P1口的高4位。列线P1.0～P1.3分别接有4个上拉电阻到正电源+5V，并把列线P1.0～P1.3设置为输入线，行线P1.4～P.17设置为输出线。4根行线和4根列线形成16个相交点。如图2.5所示。图2.54行×4列的行列式键盘结构图2.3触摸屏式接口电路1设计思路这里介绍了四线电阻触摸屏和触摸屏的驱动控制芯片ADS7843的工作原理,给出触摸屏与ARM7微处理器S3C44B0X芯片接口电路的连接方法及软件编程的实现方法。在触摸屏与ARM7微处理器S3C44B0X的连接电路中,VREF接基准电压;X+,X-,Y+,Y-4个引脚分别接触摸屏的4条控制线;DIN,DOUT分别连接主控器件同步串行输出(SIORXD)端和输入(SIOTXD)端;DCLK连接外时钟,PENIRQ接ARM7微处理器S3C44B0X的EXINT5;CS接F口的GPF6进行片选;BUSY根据用户需要连接主控芯片的控制端.图2.8是其基本的应用电路接法。ADS7843通过同步串口与S3C44B0X的SIO接口进行数据传输,完成对触摸位置坐标的读取。2硬件电路设计图2.8触摸屏与ARM微处理器的连接图2.4串行口键盘接口电路HA7279A是一种智能键盘和LED专用控制芯片,它带有串行接口,可同时驱动８位共阴式数码管或64只独立LED。这里详述了该芯片的工作原理、工作时序及控制指令,给出了HD7279A与CPU的实际接口电路及设计程序,同时指出了实际应用中的一些注意事项。硬件电路设计ＨＤ７２７９Ａ的典型应用电路如图２.11所示。使用时ＨＤ７２７９Ａ应连接共阴式数码管,无需用到的键盘和数码管可以不连接。如果不用键盘,则典型电路图中连接到键盘的８只１０ｋΩ电阻和８只１００ｋΩ下拉电阻均可以省去。而如果使用键盘,则电路中的８只１００ｋΩ下拉电阻则不能省略。除非不接入数码管,否则连接至ＤＰ及ＳＡ～ＳＧ的８只２００Ω电阻也不能省