第 6 章 人机交互接口

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大连理工大学 丁男

                                  

                   

章节介绍章节介绍

6.1 显示器接口设计6.2 键盘接口设计6.3 触摸屏接口设计6.4 嵌入式系统其它接口设计

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6.1 LCD显示器

• LCDLCD （（ Liquid Crystal DisplayLiquid Crystal Display ）是一种耗电少、）是一种耗电少、

体积小的数字式显示器件。体积小的数字式显示器件。

• 在平面面板上显示字符、文字和图像等信息。与阴极射线在平面面板上显示字符、文字和图像等信息。与阴极射线

管管 CRTCRT 相比占用空间小、功耗低、辐射底、无闪烁，降相比占用空间小、功耗低、辐射底、无闪烁，降

低视觉疲劳。低视觉疲劳。

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主要用于显示文本及图形信息。它具有重量轻、体积小、耗电量低、无辐射、平面直角显示以及影像稳定不闪烁等特点。

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11 、液晶显示器（、液晶显示器（ LCDLCD ）概述 ）概述

                                  

                   

（（ 11 ）单色与彩色显示器）单色与彩色显示器

• 在单色液晶显示屏中，一个液晶就是一个象素。

• 在彩色液晶屏中则每个象素由 R 红、 G 绿和 B 兰色三个液

晶共同组成。每个象素背后都有一个 8 位的寄存器，寄存

器的值决定着三个液晶单元各自的亮度。

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（ 2 ） LCD的分类 液晶显示的原理是液晶在不同电压的作用下会有不同的

光特性。

一类是 STN型液晶属于无源的，这类液晶需要有外部提供光源。这种液晶显示的成本较低，但有效视角较小，色彩也不够鲜艳。它具有省电的最大优势。其屏幕尺寸一般在 5英寸以下（目前较少使用）。

另一类是有源发光器件 TFT形式。每个液晶就类似是一个可以发光的晶体管。液晶显示屏就是有许多液晶排列成阵列而构成的。能够显示丰富的色彩，但价格较高。

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（（ 33 ）） LCDLCD 的驱动控制的驱动控制

市场上的市场上的 LCDLCD 有两种模块形式：有两种模块形式：

•一种是一种是 LCDLCD 显示屏后边有印刷板并在板上显示屏后边有印刷板并在板上带有驱动芯片的带有驱动芯片的LCDLCD 模块模块。例如。例如 80518051 但偏激的显示形式就属于这种。但偏激的显示形式就属于这种。

•另一种在另一种在微处理器芯片上的内置微处理器芯片上的内置 LCDLCD 控制器控制器来驱动显示模块来驱动显示模块（如（如 S3C2410)S3C2410) ，它可以支持彩色，它可以支持彩色 // 灰度灰度 // 单色三种模式，单色三种模式，灰度模式下可支持灰度模式下可支持 44 级灰度和级灰度和 1616 级灰度，彩色模式下最多支级灰度，彩色模式下最多支持持 256256 色，色， LCDLCD 的实际尺寸可支持到的实际尺寸可支持到 320×240320×240 。。

7

                                  

                   

（ 4 ） LCD模块的显存控制

• 从系统结构上来讲，由于显示器模块中已经有显示存储器。显存中的每一个单元对应 LCD上的一个点，只要显存中的内容改变，显示结果便进行刷新。

• 在需要刷新时候由程序进行显示更新。

• 在有需要的时候进行统一的显示更新，界面也可以比较美观，不致由于无法预料的刷新动作导致显示界面闪烁。

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前后台双重显示缓存的显示模块结构

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LCDLCD 中的存储器中的存储器

进行局部显示改变进行局部显示改变

当需要刷新显示时将当需要刷新显示时将缓存中缓存中的内容复制到显示存储器中的内容复制到显示存储器中

主主程程序序运运行行过过程程 系统显示缓存系统显示缓存

（在内存中）（在内存中）

                                  

                   

（（ 55 ）工作原理）工作原理

• 显存中的每一个单元对应显存中的每一个单元对应 LCDLCD 上的一个点，只要显存中的内上的一个点，只要显存中的内

容改变，显示结果便进行刷新。容改变，显示结果便进行刷新。

• 显示屏可以以单色或彩色显示，显示屏可以以单色或彩色显示，

– 单色用单色用 11 位来表示；位来表示；

– 彩色可以用彩色可以用 88 位（位（ 256256 色）或色）或 1616 位、位、 2424 位表示其颜色。位表示其颜色。

• 屏幕的大小和显示模式这些因素会影响显存的大小。屏幕的大小和显示模式这些因素会影响显存的大小。

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2 、 S3C2410 LCD控制器

功能： S3C2410 LCD控制器具有一般 LCD控制器功能，产生各种信号、传输显示数据到 LCD驱动器。

11

                                  

                   

（ 1 ）基本特点• 有专用 DMA • 有中断（ INT_LCD）• 显示缓存可以很大

系统存储器可以作为显示缓存用• 支持多屏滚动显示

用显示缓存支持硬件水平、垂直滚屏• 支持多种时序 LCD屏• 支持多种数据格式

大端、小端格式， WinCE格式。12

1 ） S3C2410 LCD控制器特点

                                  

                   

（ 2 ）支持 STN材料 LCD

单色显示：每像素 2 位数据、 4 级灰度；每像素 4 位数据、 16级灰

度。单色扫描： 4 位单向、双向扫描， 8 位单向扫描。彩色显示：每像素 16位数据、 65536种色彩，每像素 24位数据真

色彩。支持多种 LCD屏： 640×480、 320×240、 160×160等4MB显示缓存：支持 256色的像素数， 4096×1024, 2048×2048,

1024×4096等 13

                                  

                   

（ 3 ）支持 TFT材料 LCD

单色显示：每像素 1 位数据、 2 位数据、 4 位数据、 8 位数据。

彩色显示：每像素 16位数据、 65536种色彩，每像素 24位数据、

16M种真色彩。

支持多种 LCD屏： 640×480、 320×240、 160×160等

4MB显示缓存： 支持 64K色的像素数， 2048×1024等。

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2 ） S3C2410 LCD控制器结构与工作原理（ 1 ）控制器结构

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主要由 6 部分组成：时序发生器、 LCD主控制器、 DMA、视频信号混合器、数据格式转换器、控制逻辑等。

                                  

                   

（ 2 ） LCD控制器引脚信号

共 41 个信号 VD[23:0] ： LCD 数据 VDEN ：数据使能 VCLK ：时钟信号 VLINE ：行扫描信号 LEND ：行结束信号

16

                                  

                   

VFRAME：帧扫描信号HSYNC：水平同步信号VSYNC：垂直同步信号VM：显示驱动交流信号LCDVF0、 LCDVF1、 LCDVF2：时序控制信号LCD_PWREN：面板电源控制信号LCD_HCLK：时钟面板控制信号CPV：行同步面板控制信号STV：帧同步面板控制信号TP：显示驱动面板控制信号STH：面板控制信号 17

（ 2 ） LCD控制器引脚信号

                                  

                   

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寄存器 描 述 初值 偏址

LCDCON1 LCD 控制寄存器 10x0000000

00x00

LCDCON2 LCD 控制寄存器 20x0000000

00x04

LCDCON3 LCD 控制寄存器 30x0000000

00x08

LCDCON4 LCD 控制寄存器 40x0000000

00x0C

LCDCON5 LCD 控制寄存器 50x0000000

00x10

（ 3 ） LCD控制器专用寄存器S3C2410的有 17个专用寄存器，分为四类，其基

地址均为 0x4D000000。控制寄存器（ 5 个，如下表）

                                  

                   

地址寄存器共 3 个地址寄存器控制寄存器，如下表所示。

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寄存器 描 述 初值 偏址

LCDSADDR1 帧起始地址寄存器 10x0000000

00x14

LCDSADDR2 帧起始地址寄存器 20x0000000

00x18

LCDSADDR3 虚拟屏地址寄存器 0x00000000

0x1C

                                  

                   

颜色配置寄存器共 4 个颜色配置寄存器， 1 个抖动模式寄存器，如

下表所示。

20

寄存器 描 述 初值 偏址

REDLUT 红颜色寄存器 0x00000000

0x20

GREENLUT 绿颜色寄存器 0x00000000

0x24

BLUELUT 蓝颜色寄存器 0x00000000

0x28

DITHMODE 抖动模式寄存器 0x00000000

0x4C

TPAL 临时调色存器 0x00000000

0x50

                                  

                   

中断寄存器共 3 个中断寄存器， 1 个 LCD控制器寄存器，如下

表所示。

21

寄存器 描 述 初值 偏址

LCDSADDR1

中断服务存器 0x0 0x54

LCDSADDR2

中断标志寄存器 0x0 0x58

LCDSADDR3

中断屏蔽寄存器 0x3 0x5C

LPCSELLPC3600 控制器

控制寄存器 0x4 0x60

                                  

                   

33 、、 LEDLED 显示器接口 显示器接口

• LED(Light Emitting Diode)LED(Light Emitting Diode) 常称为七段发光二极常称为七段发光二极

管管 , , 在专用的微型计算机系统中在专用的微型计算机系统中 ,, 特别是在嵌入式控制系特别是在嵌入式控制系

统中统中 , , 应用非常普遍。应用非常普遍。

• 它价格低廉、体积小、功耗低，而可靠性又很好。它价格低廉、体积小、功耗低，而可靠性又很好。

22

                                  

                   

LEDLED 显示器结构原理显示器结构原理

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LEDLED 显示器的连接设计显示器的连接设计

24

                                  

                   

6.2 6.2 键盘工作原理图键盘工作原理图常用常用 4*44*4 小键盘，也可外加小键盘，也可外加 PS/2PS/2 接口连接标准键盘。接口连接标准键盘。

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11 、键盘扫描方法、键盘扫描方法• 键盘扫描过程有三种控制方法，键盘扫描过程有三种控制方法，

– 其一是程序控制方式。其一是程序控制方式。

– 其二是定时扫描方法。其二是定时扫描方法。

– 其三是键盘中断控制方式。其三是键盘中断控制方式。

• 键盘上每个键都被分配一个称为扫描码的唯一标识符。是键盘上每个键都被分配一个称为扫描码的唯一标识符。是

用不同扫描控制方式读取该扫描码，根据按下的键功能来用不同扫描控制方式读取该扫描码，根据按下的键功能来

判定应该采取什么行动。判定应该采取什么行动。

26

                                  

                   

键盘抖动示意图键盘抖动示意图

处理器I/O口

VCC

5-30ms

1

0

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22 、键盘驱动程序组成、键盘驱动程序组成 ../ucos-II/add/OSAddTask.c../ucos-II/add/OSAddTask.c 中的任务初始化函数中的任务初始化函数

OSAddTask_InitOSAddTask_Init 的创建键盘任务的创建键盘任务 Key_Scan_TaskKey_Scan_Task

键盘初始化函数键盘初始化函数 KeyBoard_init();KeyBoard_init();

中断程序中断程序 ISR_KeyISR_Key 的实现的实现

键盘的查询任务键盘的查询任务

键盘映射表键盘映射表 KeyBoard_MapKeyBoard_Map

28

                                  

                   

6.3 6.3 触摸屏设计触摸屏设计• 触摸屏是一种简单、方便的输入设备，应用的越来越广泛。用触触摸屏是一种简单、方便的输入设备，应用的越来越广泛。用触

摸屏代替鼠标或键盘，根据触笔点击位置来定位选择信息输入。摸屏代替鼠标或键盘，根据触笔点击位置来定位选择信息输入。• 它是嵌入式设备最常用的输入接口之一。它是嵌入式设备最常用的输入接口之一。• 触摸屏的输入是一个触摸屏的输入是一个模拟信号模拟信号，需转换为数字信号，再送给处理，需转换为数字信号，再送给处理

器进行处理。器进行处理。• 触摸屏分类有如下触摸屏分类有如下 44 种形式：种形式：

– 电阻式触摸屏 ；电阻式触摸屏 ； 表面声波触摸屏；表面声波触摸屏；– 红外式触摸屏 ；红外式触摸屏 ； 电容式触摸屏。电容式触摸屏。 29

电阻式触摸屏电阻式触摸屏

                                  

                   

电阻式触摸屏概述

• 由一层玻璃或有机玻璃作为基层，表面涂有一层透明的导由一层玻璃或有机玻璃作为基层，表面涂有一层透明的导电层，上面再盖有一层光滑、防刮的塑料层，它的内表面电层，上面再盖有一层光滑、防刮的塑料层，它的内表面也涂一层透明导电层。也涂一层透明导电层。

• 在两个导电层之间有许多细小（小于千分之一英寸）的透在两个导电层之间有许多细小（小于千分之一英寸）的透明隔离点把它们隔离绝缘。明隔离点把它们隔离绝缘。

30

                                  

                   

11 、四线电阻触摸屏原理、四线电阻触摸屏原理

31

                                  

                   

测量原理

在触摸点在触摸点 XX 、、 YY 坐标的测量坐标的测量过程中，测量电压与测量点的过程中，测量电压与测量点的等效电路图所示，图中等效电路图所示，图中 PP 为为测量点 测量点

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X

VY

Y

                                  

                   

2 、触摸屏的硬件接口设计• 芯片 : BB公司的 ADS7843、接口 SPI

• 工作在笔中断模式• 驱动模型 : 本机设备驱动，分层驱动 (MDD、 PDD)

33

供电测量

电路网络

ADC

串行数据输出

X+X-Y+Y-

PENIRQ#DOUTBUSYCS#DCLKDIN

                                  

                   

触摸屏控制芯片

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FM7843 与 ARM 的连接

35

                                  

                   

6.4 通用几种接口标准1 、红外接口（ IrDA ）• 红外线是波长在 750nm至 1mm之间的电磁波，它的频率高

于微波而低于可见光，是一种人的眼睛看不到的光线。由于红外线的波长较短，对障碍物的衍射能力差，所以更适合应用在需要短距离、无遮挡的无线通讯的场合。

• 红外通讯有着成本低廉、连接方便、简单易用和结构紧凑的特点，因此在小型的移动设备中获得了广泛的应用。

36

                                  

                   

红外接口标准• IrDAIrDA 是一种利用红外光进行短距离点对点通信的技术。是一种利用红外光进行短距离点对点通信的技术。

• IrDAIrDA标准：标准：

– 1.01.0版－最高速度版－最高速度 115.2kb/s115.2kb/s

– 1.11.1版－最高速率版－最高速率 4Mb/s4Mb/s ，与，与 1.01.0版本的兼容。版本的兼容。

• 通信速率、数据的调制方式、红外收发器的峰值波长、视角、通信速率、数据的调制方式、红外收发器的峰值波长、视角、发光强度、接收灵敏度、抗背景光噪声的能力等。发光强度、接收灵敏度、抗背景光噪声的能力等。

• 通讯距离短，通讯过程中不能移动，遇障碍物通讯中断。

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• SPI 接口： SPI （ Serial Peripheral Interface，串行外设接口）是 Motorola公司开发的一种同步串行外设接口标准。

• SPI接口信号：有 4 个信号：数据发送、数据接收、时钟和片选。

• 在时钟信号的作用下，发送的同时，接收对方发来的数据；也可以只发送、或者只接收。 SPI 的波特率可以达到20Mb/s以上。

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2 、 SPI接口概述

                                  

                   

1 ） S3C2410 SPI结构与工作原理（ 1 ） SPI 结构

SPI主要由 4 部分构成：时钟分频器、发送移位寄存器、接收移位寄存器、控制逻辑等。如下图所示。

39

                                  

                   

（ 2 ） SPI设备系统组成系统可以多个 SPI设备组成，任何一个设备都可以为

主 SPI，但是任一时刻只能有一个主 SPI设备。如下图所示。

40

主SPI设备

从 SPI 1 从 SPI 2 从 SPI n……

SCK MOSIMISO

nSS

                                  

                   

（ 3 ） SPI工作时序下图为时序的一部分。

41

图（ A

）

                                  

                   

图（ B ）

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（ 3 ） SPI工作时序

                                  

                   

2 ） SPI专用寄存器2 个 UART，每个都有 6 个专用寄存器，共 12个寄存器

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Register

Address R/W Description Reset Value

SPCONn0x590000

x0 R/W SPI 控制寄存器 0x00

SPSTAn0x590000

x4 R SPI 状态寄存器 0x01

SPPINn 0x590000

x8 R/W SPI 引脚控制寄存器 0x02

SPPREn0x590000

xC R/W SPI 预分频寄存器 0x00

SPTDATn0x590000

x0R/W SPI 数据发送寄存器 0x00

SPRDATn

0x590000x4

R SPI 数据接收寄存器 0x00

                                  

                   

① 设置预分频寄存器 SPPRE；② 设置控制寄存器 SPCON；③ 设置一个 GPIO引脚，使所接设备的片选信号有效；④ 发送数据；⑤ 接收数据； ⑥ 设置 GPIO引脚，使该设备的片选信号无效，结束传输。

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3 ） SPI的操作步骤