嵌入式系统输入.ppt
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1、第5章 嵌入式系统输入输出设备接口,5.1 GPIO(通用输入/输出接口),5.1.1 GPIO原理与结构,GPIO(General Purpose I/O,通用输入/输出接口)也称为并行I/O(parallel I/O),是最基本的I/O形式,由一组输入引脚、输出引脚或输入/输出引脚组成,CPU对它们能够进行存取操作。有些GPIO引脚能够通过软件编程改变输入/输出方向。 一个双向GPIO端口(D0)的简化功能逻辑图如图5.1.1所示,图中PORT为数据寄存器和DDR(Data Direction Register)为数据方向寄存器。,图5.1.1 双向GPIO功能逻辑图,DDR设置端口的方向
2、。如果DDR的输出为1,则GPIO端口为输出形式;如果DDR的输出为零,则GPIO端口为输入形式。写入WRDDR信号能够改变DDR的输出状态。DDR在微控制器地址空间中是一个映射单元。这种情况下,如果需要改变DDR,则需要将恰当的值置于数据总线的第0位(即D0),同时激活WRDDR信号。读DDR,就能得到DDR的状态,同时激活RDDDR信号。 如果设置PORT引脚端为输出,则PORT寄存器控制着该引脚端状态。如果将PORT引脚端设置为输入,则此输入引脚端的状态由引脚端上的逻辑电路层来实现对它的控制。对PORT寄存器的写操作,需要激活WRPORT信号。PORT寄存器也映射到微控制器的地址空间。需
3、指出,即使当端口设置为输入时,如果对PORT寄存器进行写操作,并不会对该引脚产生影响。但从PORT寄存器的读出,不管端口是什么方向,总会影响该引脚端的状态。,5.1.2 S3C2410A输入输出端口编程实例,S3C2410A共有117个多功能复用输入输出端口(I/O口),分为端口A端口H共8组。为了满足不同系统设计的需要,每个I/O口可以很容易地通过软件对进行配置。每个引脚的功能必须在启动主程序之前进行定义。如果一个引脚没有使用复用功能,那么它可以配置为I/O口。注意:端口A除了作为功能口外,只能够作为输出口使用。 在S3C2410A中,大多数的引脚端都是复用的,所以对于每一个引脚端都需要定义
4、其功能。为了使用I/O口,首先需要定义引脚的功能。每个引脚端的功能通过端口控制寄存器(PnCON)来定义(配置)。与配置I/O口相关的寄存器包括:端口控制寄存器(GPACONGPHCON)、端口数据寄存器(GPADATGPHDAT)、端口上拉寄存器(GPBUPGPHUP)、杂项控制寄存器以及外部中断控制寄存器(EXTINTN)等。S3C2410A的I/O口配置情况请参考第3章如表3.4.13.4.7所列。,下面介绍一个通过G口的控制发光二极管LED1和LED2轮流闪烁I/O口编程实例徐英慧。 对I/O口的操作是通过对相关各个寄存器的读写实现的。要对寄存器进行读写操作,首先要对寄存器进行定义。有
5、关I/O口相关寄存器的宏定义代码如下: /Port A控制寄存器 #definerGPACON (*(volatile unsigned*)0x56000000) /Port A数据寄存器 #definerGPADAT (*(volati1e unsigned*)0x56000004) /Port B控制寄存器 #definerGPBCON (*(volatile unsigned*)0x56000010) /Port B数据寄存器 #definerGPBDAT (*(volatile unsigned*)0x56000014) /Port B上拉电阻禁止寄存器 #definerGPBUP (
6、*(volatile unsigned*)0x56000018),/Port C控制寄存器 #definerGPCCON (*(volatile unsigned*)0x56000020) /Port C数据寄存器 #definerGPCDAT (*(volatile unsigned*)0x56000024) /Port C上拉电阻禁止寄存器 #definerGPCUP (*(volatile unsigned*)0x56000028) /Port D控制寄存器 #definerGPDCON (*(volatile unsigned*)0x56000030) /Port D数据寄存器 #de
7、finerGPDDAT (*(volatile unsigned*)0x56000034) /Port D上拉电阻禁止寄存器 #definerGPDUP (*(volatile unsigned*)0x56000038),/Port E控制寄存器 #definerGPECON (*(volatile unsigned*)0x56000040) /Port E数据寄存器 #definerGPEDAT (*(volatile unsigned*)0x56000044) /Port E上拉电阻禁止寄存器 #definerGPEUP (*(volatile unsigned*)0x56000048)
8、/Port F控制寄存器 #definerGPFCON (*(volatile unsigned*)0x56000050) /Port F数据寄存器 #definerGPFDAT (*(volatile unsigned*)0x56000054) /Port F上拉电阻禁止寄存器 #definerGPFUP (*(volatile unsigned*)0x56000058),/Port G控制寄存器 #definerGPGCON (*(volati1e unsigned*)0x56000060) /Port G数据寄存器 #definerGPGDAT (*(volatile unsigned*
9、)0x56000064) /Port G上拉电阻禁止寄存器 #definerGPGUP (*(volatile unsigned*)0x56000068) /Port H控制寄存器 #definerGPHCON (*(volatile unsigned*)0x56000070) /Port H数据寄存器 #definerGPHDAT (*(volatile unsigned*)0x56000074) /Port H上拉电阻禁止寄存器 #definerGPHUP (*(volatile unsigned*)0x56000078),要想实现对G口的配置,只要在地址0x5600 0060中给32位的
10、每一位赋值就可以了。如果G口的某个引脚被配置为输出引脚,在PDATG对应的地址位写入1时,该引脚输出高电平;写入0时该引脚输出低电平。如果该引脚被配置为功能引脚,则该引脚作为相应的功能引脚使用。 下面是实现LED1和LED2轮流闪烁的程序代码。,void Main(void) int flag,i; Target Init();/进行硬件初始化操作,包括对IO口的初始化操作 for(;) if(flag = = 0) for(i = 0;i 1000000;i+); /延时 rGPGCON rGPGCON0xfff0ffff | 0x00050000;/配置第8、第 /9位为输出引脚 rGPG
11、DAT rGPGDAT0xeff | 0x200; /第8位输出为低电平 /第9位输出高电平 for(i = 0;i 10000000;i+); /延时 flag = 1; ,else for(i = 0;i 1000000;i+); /延时 rGPGCONrGPGCON0xfff0ffff(0x00050000;/配置第8、 /第9位为输出引脚 rGPGDATrGPGDATOxdff | 0x100;/第8位输出为高电平 /第9位输出低电平 for(i = 0;i 1000000;i+); /延时 flag = 0; ,5.2 A/D转换器接口,5.2.1 A/D(模数)转换的方法和原理,A
12、/D转换器(模数转换器)完成电模拟量到数字量的转换。实现A/D转换的方法很多,常用的方法有计数法、双积分法和逐次逼近法等。 1计数式A/D转换器原理 计数式A/D转换器结构如图5.2.1所示。其中,Vi是模拟输入电压,VO是D/A转换器的输出电压,C是控制计数端,当C=1(高电平)时,计数器开始计数,C=0(低电平)时,则停止计数。D7D0是数字量输出,数字输出量同时驱动一个D/A转换器。,图5.2.1 计数式A/D转换器结构,计数式A/D转换器的转换过程如下: 首先/CLR(开始转换信号)有效(由高电平变成低电平),使计数器复位,计数器输出数字信号为00000000,这个00000000的输
13、出送至8位D/A转换器,8位D/A转换器也输出0V模拟信号。 当/CLR恢复为高电平时计数器准备计数。此时,在比较器输入端上待转换的模拟输入电压Vi大于VO(0V),比较器输出高电平,使计数控制信号C为1。这样,计数器开始计数。 从此计数器的输出不断增加,D/A转换器输入端得到的数字量也不断增加,致使输出电压VO不断上升。在VOVi时,比较器的输出总是保持高电平,计数器不断地计数。 当VO上升到某值时,出现VOVi的情况时,此时,比较器的输出为低电平,使计数控制信号C为0,计数器停止计数。这时候数字输出量D7D0就是与模拟电压等效的数字量。计数控制信号由高变低的负跳变也是A/D转换的结束信号,
14、表示已完成一次A/D转换。 计数式A/D转换器结构简单,但转换速度较慢。,2双积分式A/D转换器原理 双积分式A/D转换器对输入模拟电压和参考电压进行两次积分,将电压变换成与其成正比的时间间隔,利用时钟脉冲和计数器测出其时间间隔,完成A/D转换。双积分式A/D转换器主要包括积分器、比较器、计数器和标准电压源等部件,其电路结构图如图5.2.2(a)所示。 双积分式A/D转换器的转换过程如下: 首先对输入待测的模拟电压Vi进行固定时间的积分; 然后转换到标准电压VR进行固定斜率的反向积分(定值积分 ),如图5.2.2(b)所示。反向积分进行到一定时间,便返回起始值。从图5.2.2(b)中可看出对标
15、准电压VR进行反向积分的时间T2正比于输入模拟电压,输入模拟电压越大,反向积分回到起始值的时间T越长,有Vi(T2/T1)VR。 用标准时钟脉冲测定反向积分时间(如计数器),就可以得到对应于输入模拟电压的数字量,实现A/D转换。 双积分式A/D转换器具有很强的抗工频干扰能力,转换精度高,但速度较慢。,图5.2.2 (a)双积分式A/D转换器电路结构图,双积分式A/D转换图,图5.2.2 (b)积分输出波形,3逐次逼近式A/D转换器原理 逐次逼近式A/D转换器电路结构如图5.2.3所示,其工作过程可与天平称重物类比,图中的电压比较器相当于天平,被测电压Ux相当于重物,基准电压Ur相当于电压法码。
16、该方案具有各种规格的按8421编码的二进制电压法码Ur,根据UxUr,比较器有不同的输出以打开或关闭逐次逼近寄存器的各位。输出从大到小的基准电压法码,与被测电压Ux比较,并逐渐减小其差值,使之逼近平衡。当Ux=Ur时,比较器输出为零,相当于天平平衡,最后以数字显示的平衡值即为被测电压值。 逐次逼近式A/D转换器转换速度快,转换精度较高,对N位A/D转换只需N个时钟脉冲即可完成,可用于测量微秒级的过渡过程的变化,是在计算机系统中采用最多的一种A/D转换方法。,图5.2.3 逐次逼近式A/D转换器电路结构,4A/D转换器的主要指标 (1)分辨率(Resolution) 分辨率用来反映A/D转换器对
17、输入电压微小变化的响应能力,通常用数字输出最低位(LSB)所对应的模拟输入的电平值表示。n位A/D转换能反应1/2n满量程的模拟输入电平。分辨率直接与转换器的位数有关,一般也可简单地用数字量的位数来表示分辨率,即n位二进制数,最低位所具有的权值,就是它的分辨率。 值得注意的是,分辨率与精度是两个不同的概念,不要把两者相混淆。即使分辨率很高,也可能由于温度漂移、线性度等原因,而使其精度不够高。 (2)精度(Accuracy) 精度有绝对精度(Absolute Accuracy)和相对精度(Relative Accuracy)两种表示方法。 绝对精度: 在一个转换器中,对应于一个数字量的实际模拟输
18、入电压和理想的模拟输入电压之差并非是一个常数。把它们之间的差的最大值,定义为“绝对误差”。通常以数字量的最小有效位(LSB)的分,数值来表示绝对精度,如1LSB。绝对误差包括量化精度和其他所有精度。 相对精度 是指整个转换范围内,任一数字量所对应的模拟输入量的实际值与理论值之差,用模拟电压满量程的百分比表示。 例如,满量程为l0V,10位A/D芯片,若其绝对精度为1/2LSB,则其最小有效位的量化单位为9.77mV,其绝对精度为4.88mV,其相对精度为0.048%。 转换时间(Conversion Time) 转换时间是指完成一次A/D转换所需的时间,即由发出启动转换命令信号到转换结束信号开
19、始有效的时间间隔。 转换时间的倒数称为转换速率。例如AD570的转换时间为25us,其转换速率为40kHz。 量程 量程是指所能转换的模拟输入电压范围,分单极性、双极性两种类型。 例如,单极性的量程为0+5V,0+10V,0+20V;双极性的量程为-5+5V,-10+l0V。,5.2.2 S3C2410A的AD转换器,1S3C2410A A/D转换器和触摸屏接口电路 S3C2410A包含一个8通道的A/D转换器,内部结构见图5.2.4,该电路可以将模拟输入信号转换成10位数字编码(10位分辨率),差分线性误差为1.0 LSB,积分线性误差为2.0 LSB。在A/D转换时钟频率为2.5 MHz时
20、,其最大转换率为500 KSPS(Kilo Samples Per Second,千采样点每秒),输入电压范围是03.3V。A/D转换器支持片上操作、采样保持功能和掉电模式。S3C2410A的A/D转换器和触摸屏接口电路如图5.2.4所示,图5.2.4 S3C2410A的A/D转换器和触摸屏接口电路,2与S3C2410A A/D转换器相关的寄存器 使用S3C2410A的A/D转换器进行模拟信号到数字信号的转换,需要配置以下相关的寄存器。 (1)ADC控制寄存器(ADCCON) ADC控制寄存器(ADCCON)是一个16位的可读写的寄存器,地址为0x5800 0000,复位值为0x3FC4。AD
21、CCON位的功能描述如表5.2.1所列。,表5.2.1 ADC控制寄存器(ADCCON)的位功能,(2)ADC触摸屏控制寄存器(ADCTSC) ADC触摸屏控制寄存器(ADCTSC)是一个可读写的寄存器,地址为0x5800 0004,复位值为0x058。ADCTSC的位功能描述如表5.2.2所列。在正常A/D转换时,AUTO_PST和XY_PST都置成0即可,其他各位与触摸屏有关,不需要进行设置。,表5.2.2 ADC控制寄存器(ADCTSC)的位功能,(3)ADC启动延时寄存器(ADCDLY ) ADC启动延时寄存器(ADCDLY)是一个可读写的寄存器,地址为0x5800 0008,复位值为
22、0x00FF。ADCDLY的位功能描述如表5.2.3所列。 表5.2.3 ADC启动延时寄存器(ADCDLY)的位功能,(4)ADC转换数据寄存器(ADCDAT0和ADCDAT1) S3C2410A有ADCDAT0和ADCDAT1两个ADC转换数据寄存器。ADCDAT0和ADCDAT1为只读寄存器,地址分别为0x5800 000C和0x5800 0010。在触摸屏应用中,分别使用ADCDAT0和ADCDAT1保存X位置和Y位置的转换数据。对于正常的A/D转换,使用ADCDAT0来保存转换后的数据。 ADCDAT0的位功能描述如表5.2.4所列,ADCDAT1的位功能描述如表5.2.5所列,除了
23、位9:0为Y位置的转换数据值以外,其他与ADCDAT0类似。通过读取该寄存器的位9:0,可以获得转换后的数字量。,表5.2.4 ADCDAT0的位功能,表5.2.5 ADCDAT1的位功能描述,5.2.3 S3C2410A AD接口编程实例,下面介绍一个AD接口编程实例徐英慧,其功能实现从A/D转换器的通道0获取模拟数据,并将转换后的数字量以波形的形式在LCD上显示。模拟输入信号的电压范围必须是02.5V。程序如下: 1定义与AD转换相关的寄存器 定义如下: #define rADCCON(*(volatile unsigned*)0x58000000) /ADC控制寄存器 #define r
24、ADCTSC(*(volatile unsigned*)0x58000004) /ADC触摸屏控制寄存器 #define rADCDLY(*(volatile unsigned*)0x58000008) /ADC启动或间隔延时寄存器 #define rADCDAT0(*(volatile unsigned*)0x5800000c) /ADC转换数据寄存器0 #define rADCDAT1(*(volati1e unsigned*)0x58000010) /ADC转换数据寄存器,2对A/D转换器进行初始化 程序中的参数ch表示所选择的通道号,程序如下: void AD_Init(unsigne
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