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嵌入式硬件平台设计要点（四）外设接口

已有 1307 次阅读2008-9-8 21:08 |系统分类:单片机

【蛋疼系列】第四章外设与接口

前言：这次的牵涉到的内容比较多，有些我用过已经很久了，记得不是太清楚，估计有错，大家边看边挑。

外设接口精彩纷呈。经典串口UART，同步串口SPI，基于ADC输入的触摸屏接口，用于短距离互连的总线I2C，USB，用于SD和MMC卡的媒介接口，ATA硬盘接口，DOC电子盘接口，微型打印机口，以太网接口，CAN总线，lin总线，或者红外IrDA、蓝牙、wifi模块、GSM/GPRS模块接口，等等。上面提到的大部分接口都很独立，参考各自的数据手册和应用手册就能轻松上手。下面简单写一下我对它们的印象。

4.1 经典串口UART
没有哪款CPU会没有这个接口，可见其经典。实际应用中常见的是3线串口（只用收、发和GND三根线）和9线串口（用于modem通讯）。然后根据传输过程的电气规范，又可分为RS232、RS485、RS422等。

使用UART需要收发双方设置好相同的波特率、起始停止位数、奇偶校验位。MCU TO MCU的通讯不存在电平转换问题，MCU TO PC则要使用电平转换芯片，MAX232(5V)、MAX3232(3.3V) 最常用。UART口到目前为止还是最常用的调试程序的打印信息输出口，STC系列的51单片机更是一律需要通过UART口编程。

在MCU侧设置波特率时是根据UART口的时钟源来算分频系数的。如果发现MCU的串口有输出数据但接收端收到的数据值不对，十有八九是波特率寄存器值没设对，剩下的百分之一可能是没处理好数据位数（7位还是8位）和奇偶校验位。

另外，UART串口完全可以用IO口模拟。

4.2 同步串口SPI
四根信号引脚：SCLK、MISO、MOSI、CE（片选）。之所以称为同步是因为收发双方是严格按照SCLK的节奏来动作的。因此数据速度可以到达10Mbps，但传输距离就不能远了，几米范围内。

数据收发是主从式的，主发，从收。在时序上需要注意的是主在发送一字节数据后，需要接着发送一字节的哑数据（dummy data）以维持SCLK线上的同步时钟脉冲，因为从机要接受该字节数据就依赖于这个哑字节所带来的SCLK脉冲的持续。通常哑字节是0x0或者0xff。具体看器件的数据手册。

4.3 I2C总线
这个乏善可陈，仔细研究一下周立功网站上针对它的显示芯片7290的用C51写的例子即可，唯一值得注意的是，这种总线中，同一类器件的地址是预指定的（由飞利浦公司为该类器件的生产商预制定，例如周立功的LED与键盘控制芯片7290）。很多EEPROM、ADC、DAC都是I2C接口的。

4.4 USB
参考我写的USB host 实现一文。Host都熟悉了，device就手到擒来。在我的21ic 笔记上有得下载。地址是：user1/1025/index.html

4.5 SD和MMC卡接口
2410和2440有此接口。没仔细看过程序，保持缄默。

4.6 ATA硬盘、DOC电子盘接口
没搞过。

4.7 微型打印机接口
跟PC的打印机口是一样的。关键控制引脚就是Busy、Error、STROBE。时序也非常简单。有兴趣的朋友编个DOS下的C程序，调用outportb()函数往PC打印机口的0x378地址写数据、往0x37a写控制信号，调用inportb()函数从0x379读打印机状态，就可以驱动打印机了。当然还需要了解一下简单的打印机控制命令。使用热敏式微型打印机的时候需要注意设计好电源，要有足够的能力，因为热敏打印时要求的持续电流比较大，我用过伟煌的热敏打印机，需要用一片LM2576来对之供电，打印效果才好。

4.8 CAN总线接口
类似于以太网的CSMA/CD的总线冲突检测机制，但是与以太网不同，CAN网络使用标识符（其实即CAN节点的地址）来进行按位仲裁以解决访问冲突，数值高的标识符自动获得总线控制的优先权。CAN是一个广播类型的总线，所有节点都接收总线上的数据，硬件上的过滤机制决定消息是否提供给该接点用。

在嵌入式应用中使用CAN总线，可以直接使用带CAN总线控制器（controller）的CPU，如DSP 2407，然后外加一片CAN收发器（Tranceiver）如82C250或者MCP2551。假如CPU没有CAN控制器，也没问题，可以用SPI口外挂一片MCP2515，然后再加一片收发器。CAN 控制器芯片再加上收发器可以完成CAN通讯网络的物理层和MAC层功能，能反馈报文发送或接收过程的错误与状态，用起来不会比用UART更复杂。所以说硬件电路是很简单的。关键在于通讯网络中应用层的协议。这是软件的工作了。

4.9 以太网接口
早年刚流行时常用8019芯片来实现基于IEEE802.3标准的MAC层和PHY层收发，现在流行CS8900等。用于单片机控制网络中的以太网从硬件上乏善可陈，主要工作量在软件上，stack的实现，需要了解802.3的协议，以及更高层的协议，如TCP/IP协议族，这些都是软件方面的工作了，不表。

4.10 功能模块
红外、蓝牙、wifi、GSM/GPRS、CDMA等无线通信功能通常是以一个模块的方式提供，提供跟MCU的接口不外乎是UART、SPI、并行总线、USB这些，只要掌握了前面的各种接口，就没有半点问题。

4.11 显示器件
嵌入式系统的显示器件很多，从数码管到各种形状可定制的液晶模组到点阵式液晶模组到伪彩STN屏到真彩TFT LCD都有。数码管和LED的应用可以很简单也可以很复杂，不在本文讨论范围之内。主要讲讲常用的点阵式液晶模组以及STN屏的嵌入式系统接口。

4.11.1 点阵式液晶模组LCM
如果用过98年开始流行的IC卡电话，应该记得电话机上那个泛着黄绿色底光的显示屏，那种就是点阵式液晶模组，称为LCM。那时候好像用的是1602或者12232。1602的字库只支持ASCII码，1602的意思是只有两行，每行最多只能显示16个英文字符。12232支持二级汉字库，也是只能显示两行，每行最多显示8个汉字或16个ASCII字符。12864也渐渐用的多起来，支持显示四行，每行最多8个汉字。

1602我只见过接口是8位并行总线的，即跟SRAM一样，像访问SRAM一样访问1602即可。

12232和12864的接口有选择，有些是如1602是8位的并行总线接口，有些是跟UART一样，是一收一发的串行接口。IO口紧张的情况下，当然用串行接口的模组要省脚了，只需要两个IO。

在硬件接口上，需要注意的有两点。LCM一般有一个引脚叫“液晶显示偏压”信号，LCM采集该引脚上的电压值（0~5V），根据电压值的大小调节LCM的显示亮度。调试程序时如果发现屏上一片白或一片黑，看不到字，也许就是该脚的电压给的不对，我记得大概在4V左右会比较合适，记不清了，多年前做过。一般用两只电阻分压，如果想可调，上个电位器，但是成本高了。

另一点，背光工作电流在5mA左右，需要串联限流电阻以调节背光强度，太强的背光会缩短背光LED的寿命。如果要做到背光的亮灭可控，只要在背光电路中串联一只三极管，如8050，用MCU或者逻辑电路来控制三极管基极通断。

LCM模组内部，其实确有一块RAM的（所以难怪接口类似SRAM），编程的时候，直接写RAM的相应地址，屏上相应的位置就会出现字符了。如果需要做动画等效果，就需要程序直接控制到某个像素点。

4.11.2 STN屏
早期使用的STN彩色屏很多是sharp公司的屏，具有代表性，典型分辨率是320×240。其接口信号线定义如下：

序号    引脚符号    描述
1    YD    帧同步信号
2    LP    行数据锁存信号
3    XCK    行数据时钟信号
4    DISP    控制屏是否显示的信号
5    VDD    电源
6    VSS    地
7    VEE    背光电源
8    D0~D7    8位显示数据

写满一屏的数据称为1帧，YD是帧同步数据，也即是由YD脉冲启动新一帧数据的写入。两个YD脉冲之间的时间长度显然就是帧周期，也即LCD刷屏的周期，其倒数是我们熟悉的刷新率，对于这款Sharp LCD屏，频率一般70~80Hz。

LP是行（共240行）数据输入锁存信号，也就是行同步脉冲信号。该信号启动新一行数据的写入，所以显然每帧中包含240个LP脉冲。

XCK是行数据输入信号，是每行中每一像素点数据传输的时钟信号，每8个字节的数据在XCK的下降沿出被锁存。

DISP控制屏是否显示，如果L电平，那屏幕就不显示，类似于显示器被关了。
在硬件上STN和TFT屏的驱动偏置电压产生电路与背光电路比LCM复杂很多。

STN/TFT LCD的驱动需要正电压或者负电压偏置，而大多数嵌入式子系统都是5V电源，因此需要DC-DC变换电路。我使用过ANDORIN专为LCD负电压偏置而设计的adp05c24，是产生-24V的可调DC变换器。或者采用如MAX680、摩托的34063等DC-DC芯片也可做到正负电压电源。

LCD背光，中大点阵的STN型与TFT型LCD，多为白色（红绿蓝色调）CCFL背光，一般为25kHz～100kHz、300V以上交流驱动。该交流驱动目前多使用外加一块拇指大小的驱动板，特征是其上有个小变压器，实现5V输入，300V以上交流驱动的输出。或者用成品的背光模块，如森宝的VET-N1210-01 CCEL模块，用IC器件搭建背光电路，可以紧凑设计结构并降低成本。

以上是LCD屏的电路接口，幸运的话CPU这边有对应的LCD控制器接口，譬如44b0，就有STN屏的接口，外部接口信号一般跟屏是对应的，如44b0，V跟YD对应，VLINE跟LP对应，VCLK跟XCK对应，VM跟DISP对应，等等。

LCD控制器的工作概括起来就是把显示缓冲区的LCD图像数据送到外部LCD屏去。一般的特征为：支持色彩深度xx位，支持xx 扫描方式的屏，支持虚拟屏（可硬件方式地水平和垂直滚动），支持多种像素的屏，等等。

4.11.3 TFT屏
虽然现在的产品在用，但不是我搞的，不敢胡说。欢迎指点，我也好学习学习。

路过

鸡蛋

鲜花

握手

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