【嵌入式系统设计师（软考中级）】第二章：嵌入式系统硬件基础知识(3)

4. 嵌入式系统I/O接口

4.1 GPIO与PWM接口

4.1.1 GPIO接口（General-Purpose Input/Output）

作用：通用输入/输出接口，用于数字信号的简单控制或检测。
特点：

• 可编程方向：可配置为输入（读取信号）或输出（控制外设）。
• 电平信号：输出高电平（如3.3V/5V）或低电平（0V），输入检测高低电平。
• 无协议：直接控制，无需复杂通信协议。
  

典型应用：

• 控制LED开关、读取按键状态。
• 与传感器（如红外、超声波）简单交互。

4.1.2 PWM接口（Pulse Width Modulation）

作用：通过调节脉冲宽度模拟模拟量输出（如电压、转速）。
特点：

• 周期与占空比：
  • 周期（Frequency）：脉冲重复频率（如1kHz）。
  • 占空比（Duty Cycle）：高电平时间占周期的比例（如50%）。
• 数字信号模拟模拟量：通过快速开关等效输出中间电压（如电机调速）。

典型应用：

• 电机速度控制（如无人机电调）。
• LED调光、舵机（Servo）角度控制。

4.2 A/D与D/A接口的基本原理与结构

4.2.1 DA转换（数模转换，Digital-to-Analog Conversion）

DA转换器（DAC）将数字信号转换为模拟信号。数字信号由一系列的二进制数字表示，而模拟信号则是一个连续变化的物理量，如电压或电流。在DAC中，输入的是一个二进制数，输出是一个与该数值成比例的模拟电压或电流。

• 工作过程： DAC接收一个n位的二进制数作为输入，并将其转换为相应的模拟输出。这个过程通常通过电阻网络、电容网络或者使用脉冲宽度调制等技术实现。
• 例子： 如果DAC是8位的，那么它可以表示2^8=256个不同的电压等级。如果参考电压是5V，则最小可分辨的电压变化约为5V/256≈19.5mV。

下面这张图片展示了一个典型的数模转换（DA转换，Digital-to-Analog Conversion）电路图：

根据图片中的电路图，我们可以看到以下关键组成部分：

(1)数字输入

• 图中左侧的Bit 0, Bit 1, Bit 2, Bit 3表示数字输入信号，这些信号通常来自微控制器或其他数字设备。

(2)输出运算放大器

• 在电阻网络的末端，通常会有一个运算放大器作为缓冲器和输出级。
• 运算放大器的作用是提供低阻抗输出，并确保输出电压稳定。
• 输出电压Vout是所有电阻分支电流的总和，经过运算放大器后输出。

(3)输出电压计算

对于一个理想的DAC，输出电压Vout可以通过以下公式计算：

$V_{out}=-\left(\frac{D}{2^n}\right)\cdot V_{ref}$

其中：

• D 是输入的二进制数（以十进制表示）。
• n 是DAC的位数。
• Vref 是参考电压。

4.2.2 AD转换（模数转换，Analog-to-Digital Conversion）

AD转换器（ADC）将连续的模拟信号转换为离散的数字信号。这一过程涉及采样、量化和编码三个主要步骤。

• 采样： 对模拟信号进行周期性的测量，采样的频率必须至少是信号最高频率的两倍（奈奎斯特定理），以避免混叠现象。
• 量化： 将每个样本映射到最接近的可能值，这些值来自于有限集合中的数字级别。
• 编码： 将量化后的值转换为对应的二进制代码。

逐次逼近ADC是一种常用的AD转换方法，它通过逐步逼近的方式将模拟信号转换为数字信号。下面结合图片内容详细说明AD转换过程：

图片中的电路图关键组成部分：

• V_in：输入的模拟电压信号。
• Comparator：比较器，用于比较输入电压和参考电压。
• AND gate：与门，用于控制计数器的时钟信号。
• Counter：计数器，生成逐次逼近的二进制代码。
• DAC：数模转换器，将计数器输出的二进制代码转换为相应的模拟电压。
• Latch：锁存器，用于保存最终的转换结果。
• Control：控制单元，负责整个转换过程的协调和控制。

逐次逼近ADC的转换过程可以分为以下几个步骤：

(1) 初始化

• 在转换开始之前，计数器被清零，DAC输出为0V。
• 控制单元发出启动信号，开始转换过程。

(2) 比较和计数

• 计数器从最高位开始，逐位进行逼近。
• 计数器首先将最高位设为1，其余位设为0，生成一个初步的二进制代码。
• DAC将这个二进制代码转换为相应的模拟电压V_DAC。
• 比较器将输入电压V_in与V_DAC进行比较：
  • 如果V_in > V_DAC，则保持当前位为1，并继续处理下一位；
  • 如果V_in < V_DAC，则将当前位设为0，并继续处理下一位。

(3) 逐次逼近

• 计数器依次处理每一位，每次都将当前位设为1，然后进行比较。
• 如果比较结果表明V_in大于或等于V_DAC，则保持该位为1；否则，将该位设为0。
• 这个过程一直持续到最低有效位（LSB）被处理完毕。

(4) 锁存和输出

• 当所有位都被处理完毕后，计数器输出的二进制代码即为最终的转换结果。
• 锁存器将这个结果保存下来，并通过控制单元输出。
• 控制单元还可以发出完成信号，表示转换过程结束。

4.2.3 分辨率

分辨率是指转换器能够区分的最小输入变化量。对于DAC来说，它决定了输出电压可以有多少个不同的等级；对于ADC而言，则决定了它可以区分的最小模拟电压差。

• 计算方法： 分辨率通常用比特数来表示。例如，一个10位的ADC/DAC可以提供2^10=1024个不同的等级。
• 影响： 较高的分辨率意味着更精确的转换能力，但也可能导致更高的成本和复杂性。

4.2.4 精度

精度指的是转换器的实际输出与理论理想值之间的偏差程度。它包括线性误差、增益误差、偏移误差等多种因素。

• 线性误差： 转换器输出与其理想直线响应之间的最大偏离。
• 增益误差： 实际满量程输出与理论值之间的差异。
• 偏移误差： 当输入为零时，输出不为零的情况。

4.3 人机交互接口

接口类型	基本原理	结构概述
键盘	键盘通过按下的按键改变电路状态来发送信号给计算机。每个按键对应一个特定的字符或命令。	由按键矩阵、微控制器、接口电路组成。按键按下时，对应的行列交叉点形成闭合电路，微控制器识别并转换为相应的ASCII码或指令集发送给主机。
显示（如LCD/LED屏幕）	显示器接收来自计算机的数据，并将其转换为可视信息展示给用户。基于像素点发光或遮光实现图像显示。	主要包括显示面板（LCD/LED等）、驱动电路、背光源（对于非自发光面板）、以及控制逻辑单元。控制逻辑将接收到的数据解码成像素点的亮度和颜色值。
触摸屏	触摸屏检测用户手指或触控笔的位置，通过电容变化、电阻变化或其他技术感知接触点，然后将位置信息传送给控制系统。	通常分为电容式、电阻式等多种类型。结构上包含触摸感应层、透明导电层、支撑基板等。当触摸发生时，感应层捕捉到触摸点的位置信息并通过接口传输给处理器。
声控屏（语音交互系统）	利用麦克风收集用户的语音指令，经过音频处理和语音识别算法转化为可执行的命令或文本输入。	包括麦克风阵列用于拾音、音频预处理模块（降噪、增益调整）、语音识别引擎（ASR）和自然语言理解模块（NLU）。首先将语音转化为数字信号，然后识别出具体的词汇或短语，最终解释用户的意图。

4.4 输入输出控制

4.4.1 直接程序控制

直接程序控制是最基本的I/O控制方式，它包括无条件传送方式和程序查询方式。

• 无条件传送方式：这种方式假设外设总是准备好进行数据传输，CPU可以直接读取或写入数据。这种方法简单但效率低，因为如果外设没有准备好，可能会导致数据丢失或错误。

• 程序查询方式：在这种方式下，CPU通过不断查询外设的状态来判断是否可以进行数据传输。当外设准备好时，CPU才进行数据的读取或写入。虽然避免了数据丢失的问题，但CPU需要频繁地查询外设状态，浪费了大量的处理时间。

4.4.2 中断方式

中断方式是一种改进的I/O控制方法，它允许外设在准备好数据后向CPU发出中断请求，通知CPU进行数据传输。这种方式提高了CPU的利用率，因为它可以在等待外设准备数据的过程中执行其他任务。

• 当外设准备好数据后，会向CPU发送一个中断信号。
• CPU暂停当前任务，保存现场信息，然后跳转到中断服务程序中处理数据传输。
• 数据传输完成后，CPU恢复现场，继续执行被中断的任务。

4.4.3 直接存储器存取方式（DMA）

DMA方式进一步减少了CPU在数据传输过程中的干预，适用于大量数据块的快速传输。

• 在DMA方式下，数据直接在内存和外设之间传输，不需要CPU的介入。
• DMA控制器负责管理数据传输的过程，包括设置传输地址、传输长度等参数。
• 当数据传输完成后，DMA控制器会向CPU发送一个中断信号，通知数据传输完成。

4.4.4 输入输出处理机（IOP）

IOP是一种专门用于管理和控制I/O操作的处理器，它可以独立于CPU执行复杂的I/O任务。

• IOP具有自己的指令集和存储空间，可以运行专门的I/O程序。
• 它可以从CPU那里接收I/O命令，然后独立地与外设进行数据交换。
• 使用IOP可以大大减轻CPU的负担，提高系统的整体性能。

5. 定时器与计数器

5.1 定时器（Timer）

作用：用于时间管理，如延时、周期性任务调度、PWM信号生成等。
工作原理：

• 时钟源：由CPU时钟或外部晶振提供基准频率（如1MHz）。
• 计数寄存器：递增或递减计数，达到设定值后触发中断或输出信号。
• 工作模式：
  • 单次模式（One-shot）：计数到设定值后停止，需手动重启。
  • 自动重载模式（Auto-reload）：计数到设定值后自动重置，实现周期性触发。

示例：

• 在STM32中，配置定时器实现1ms延时：
  • 时钟源=72MHz，分频后1MHz → 计数值=1000（1ms）。