人机界面接口技术.ppt

第八章人机界面接口技术,内容概述,教学目标1了解键盘的结构，掌握独立式键盘、行列式键盘的工作原理、接口电路设计及C51软件设计方法；2.了解共阴极、共阳极LED显示器的工作原理、特点，理解LED显示器的静态显示、动态显示两种显示方式的优缺点，能设计LED显示的接口电路及LED显示的C51程序。了解MAX7219 显示管理芯片的工作原理，掌握MAX7219与单片机的接口电路设计与软件设计方法。3.了解LCD显示器的工作原理、特点，理解SED1330 LCD控制器的结构、显示原理、控制方法，能设计SED1330与单片机的接口电路，了解汉字显示原理，设计基于SED1330的汉字显示、数字显示显示、图形显示的C51程序设计。通过SED1330掌握LCD显示器的使用方法。4.了解TPP-40A型打印机的主要性能、接口要求，掌握单片机与打印机的接口电路设计，理解并掌握打印机打印汉字的C51源程序。5.理解语音芯片ISD4004的工作原理，掌握ISD4004语音芯片与单片机的接口电路设计，关键是理解SPI接口操作时序及控制命令，掌握ISD4004的C51程序设计。,8.1 键盘及其接口,8.1.1 独立式键盘接口 独立式按键结构,2.应用实例,例8-1-1 某单片机系统键盘结构如图8-1-2所示。试编写简单的按键处理程序,fosc=12MHz。程序中应当考虑到键盘去抖动的问题。,8.1.2 行列式键盘接口,按键设置在行列式交点上，行列线分别连接到按键开关的两端。当行线通过上拉电阻接+5伏时，被钳位在高电平状态.,键识别方法,1)查询是否有键按下。2)查询按键所在行列位置。3)对所在的行号列号译码得到键值。4)键的抖动处理。例8-2-2 根据图8-1-3，写出键盘处理程序。源代码见程序清单,8.2 LED显示器接口,8.2.1 LED显示器结构与原理七段LED显示块中有八个发光二极管，故也有人叫做八段显示器。其中七个发光二极管构成七笔字形“8”，一个发光二极管构成小数点。显示块有共阴极与共阳极两种。,段选码(字形码),8.2.2 LED显示方式,8.2.2.1 LED静态显示方式,8.2.2.2 LED动态显示方式,八位LED动态显示电路只需要两个8位I/O口。其中一个控制段选码，另一个控制位选。要想每位显示不同的字符，必须利用人的视觉暂留，采用扫描方式。,动态显示与静态显示的比较,对相同个数的数码管来说，采用动态显示占用的I/O口线更少，但是因为需要CPU经常刷新显示内容，因此占用更多的CPU时间。,8.2.3 LED显示器接口实例,8.2.3.1 硬件译码器LED显示器接口 硬件译码器是使用BCD七段十六进制锁存、译码驱动芯片来完成BCD码到段选码的转换和显示驱动。当每个位的段选线上，使用一个芯片时为静态显示；若N位共用一个芯片作段选控制时为动态显示。常用的硬件译码器有MC14495、MC14499、CD4511等，应用时请详细查阅有关电气特性资料。,8.2.3.2 软件译码LED显示器接口,部分源程序,void display(uchar idata*p)uchar sel,i;COM8155=0 x03h;/PA、PB口输出方式 sel=0 x01;for(i=0;i8;i+)PB8155=table*p;/输出段选码 PA8155=sel;/输出位选码 delay(1);p-;/取下一位待显示数据 sel=sel1;/选择下一位,8.2.4 LED显示管理芯片MAX7219,MAX7219是美国MAXIM公司生产的串行输入输出共阴极显示驱动器。该芯片可直接驱动最多8位7段数字LED显示器，或64个LED和条形图显示器。它与微处理器的接口非常简单，仅用3个引脚与微处理器相应端连接即可实现最高10MHz串行口。MAX7219的位选方式独具特色，它允许用户选择多种译码方式译码选位，而且，每个显示位都能个别寻址和刷新，而不需要重写其他的显示位，这使得软件编程十分简单且灵活。,8.2.4.1 引脚说明,该芯片采用24脚DIP和SO封装，工作电压4.05.5V，最大功耗1.1W。,图8-2-6 MAX7219引脚图,8.2.4.2 基本工作原理及使用方法,对于MAX7219，串行数据是以16位数据包的形式从Din脚串行输入，在CLK的每一个上升沿一位一位地送入芯片内部16位移位寄存器，而不管Lout脚的状态如何。Load脚必须在第16个CLK上升沿出现的同时或之后，但在下一个CLK上升沿之前变为高电平，否则移入的数据将丢失。操作者只需编程发送16位数据包，就能简单地操作LED的位选以及段选，设置和改变MAX7219的工作模式。,16位数据包格式,D7D0：8位数据位，D7最高位，D0为最底位；D11D8：4位地址位；D15D12：无关位，通常全取1。MAX7219通过D11D8 4位地址位译码，可寻址14个内部寄存器，分别是8个LED显示位寄存器，5个控制寄存器和1个空操作寄存器。LED显示寄存器由内部88静态RAM构成，操作者可直接对位寄存器进行个别寻址，以刷新和保持数据，只要V超过2V（一般为5V）。内部RA M 地址0108H 分别对应于DIG0 DIG7。,几个控制寄存器的设置,停机寄存器(地址0CH)：当D0=0时，MAX7219处于停机状态；当D0=1，正常工作状态。译码模式选择寄存器（地址09H）；共有4种译码模式供选择，当数据位全0时选择“非译码方式”。在此方式下，8个数据位分别一一对应7个段和小数点。通常选择此方式。扫描限制寄存器：地址0BH；用于设置显示的LED个数（18），当D2D1D0111、D7D6D5D4D3无关时，可接8个LED管。亮度调节寄存器：地址0AH；共有16级选择，用于LED显示亮度的强弱设置。关断模式寄存器：地址0CH；有两种模式选择：一种是关断状态模式（D00）；一种是正常操作状态（D01），通常选择正常操作状态。显示测试寄存器：地址0FH；有两种选择用于设置LED是测试状态还是正常操作状态：当在测试状态时（D01）各位全应亮，一般选择正常操作状态（D00）。,8.2.4.3 MAX7219的典型应用,源程序见程序清单,图8-2-7 MAX7219与8031应用电路原理图,8.3 LCD显示器接口,8.3.1.1 LCD显示器基本原理,液晶显示器（Liquid Crystal Display）基本结构 液晶是介于固体和液体之间的一种有机化合物。可流动，又具有晶体某些光学性质，即在不同方向上它的光电效应不同。被动显示器，本身不发光。通过电压控制对环境光在显示部位的反射或透射来实现显示。,8.3.1.2 LCD特点,1）功耗小。每平方厘米1uW以下，LED的几百分之一。2）可在明亮环境下正常使用，清晰度不受环境光影响。3）外形薄，约为LED的1/3。4）显示内容多5）响应时间和余辉时间长，响应速度为ms级。6）通常需辅助光源7)使用寿命较长(50000h以上)8)工作温度范围窄（-5+700C）,LCD参数及与LED比较,主要参数：响应时间：从加上脉冲电压算起，到透光率达饱和值90%所需时间。余 辉：从去掉脉冲电压算起，到透光率达饱和值10%所需时间。阀值电压Vth：当脉冲电压大于Vth液晶显示，否则不显示。对比度:在零伏时光透过率与在工作电压下透过率的比值。刷新率：每秒刷新次数分辨率:屏幕上水平和垂直方向所能够显示的点数 视角：可视角度。目前最好的已达160度，将近纯平CRT的180。与LED比较：发光方式（环境光）；驱动方式（交流）；功耗（小）；动态响应（ms）；使用寿命（小于LED，LED材料化学物理不稳定性）：体积,背光源,由于液晶显示器是靠反射光线进行显示的器件，因此在环境光线较弱时，就需要有光源来使显示变得清晰。这就产生了液晶显示的采光技术。从目前背光源的类型来看，一般分为：LED型（DC5VDC24V）EL型（场致发光灯，AC100V，400Hz）CCFL型（冷阴极荧光灯，AC1000V）。,8.3.2 SED1330 LCD控制器,8.3.2.1 SED1330的功能及结构 日本SEIKO EPSON公司出品的液晶显示控制芯片。具有功能较强的I/O缓冲器、指令丰富、可完成多种文本图形的显示、刷新功能；数据部分采用并行四位发送，最大可以驱动640256点阵液晶显示屏。下面按其内部的硬件组成作一的简要介绍。SED1330的硬件部分由MPU接口单元、内部控制单元、驱动单元等组成。,1）接口单元,接口单元具有功能较强的I/O缓冲器，体现在两个方面：1.MPU访问SED1330不须判断其忙状态，SED1330随时准备接受MPU的访问，并在内部时序下及时把MPU发来的指令、数据传输就位。2.SED1330在接口单元设置了适配8080系列和M6800系列MPU的操作时序电路，通过引脚的电平设置，可二者选择其一。,2)控制单元,控制单元由振荡器、功能逻辑电路、显示RAM管理电路、字符库及其管理电路和产生驱动时序的时序发生器组成。振荡器频率可在110MHz范围内选择，控制单元可以管理64K字节显示RAM，显示RAM可设置为文本显示或图形显示方式，两种显示方式下显示RAM内每个字节的数据对应不同的显示内容。SED1330内藏字符发生器CRROM，其中固化了160种57点阵的字符。驱动单元具有各显示区的合成显示能力，可对传输数据进行组织以及产生液晶显示模块所需要的时序。,8.3.2.2 SED1330的指令表,通常指令后面紧跟该指令对应的参数。,8.3.2.3 与单片机接口方式,3）与单片机接口方式,8.3.2.4 汉字显示原理,1616点阵汉字“文”,汉字字模的提取,国家标准汉字字符集GB2312-80共收集了共7445个汉字和图形符号，其中汉字6763个，分为二级，一级汉字3755个，二级汉字3008个。汉字图形符号根据其位置将其分为94个“区”，每个区包含94个汉字字符，每个汉字字符又称为一个“位”。区的序号和位的序号都是从01到94，,机内码、区位码,在PC机的文本文件中，汉字是以机内码的形式存储的，每个汉字占用两个字节：第一个字节为区码，为了与ASCII码区别，范围从十六进制的0A1H开始（小于80H的为ASCII码字符），对应区位码中区码的第一区；第二个字节为位码，范围也是从0A1H开始，对应某区中的第一个位码。这样，将汉字机内码减去0A0AH就得该汉字的区位码。,示例,“房”的机内码为十六进制的“B7BF”，其中“B7”表示区码，“BF”表示位码。所以“房”的区位码为0B7BFH-0A0A0H=171FH。将区码和位码分别转换为十进制得汉字“房”的区位码为“2331”，即“房”的点阵位于第23区的第31个字的位置，相当于在文件HZK16中的位置为第32(23-1)94+(31-1)=67136B以后的32个字节为“房”的显示点阵。,建汉字字库的方法,1采用自编的软件,本书提供一个示例程序。2专用的C程序3专用的字模软件,8.3.2.5 液晶显示程序设计,每一次开机，均需对液晶显示控制器初始化。主要任务有：设置驱动器系统配置为单屏结构LCD驱动系统，屏蔽内部字符发生器，设置有效显示窗长度及LCD工作频率，设置各显示区的起始RAM地址及显示状态，设置光标状态等等。,1 汉字及数字 显示模块的设计,汉字显示必须使显示器工作于图形方式。在显示之前，须先建立本系统所需的汉字库，可直接从国标汉字字符集中用专用软件或自已编程提取，制作好字库后存在系统程序区中，由程序逐字节地向图形显示区相应单元写入，在显示屏上显示出相应的汉字。退 出根据系统状态计算光棒应显示的屏幕坐标位置,5）汉字显示程序设计,汉字显示必须使显示器工作于图形方式。在显示之前，须先建立本系统所需的汉字库，可直接从国标汉字字符集中用专用软件或自已编程提取，制作好字库后存在系统程序区中，由程序逐字节地向图形显示区相应单元写入，在显示屏上显示出相应的汉字。,显示数字的程序,void DisSNum(uchar x,uchar y,uchar dat)uchar code*q;uchar flag;uint dd;q=num8pdat;OXL=x;OY=y;dd=OY*0 x30+OXL;/计算对应的显示RAM地址 OXL=dd%256;/16位地址的低8位 OY=dd/256;/16位地址的高8位 flag=0;WC_ADD=0 x4f;/光标移动方向向下 WC_ADD=0 x46;/设置光标起始位置 WD_ADD=OXL;/16位地址的低8位 WD_ADD=OY;/16位地址的高8位 WC_ADD=0 x42;/从该地址开始写数据 for(Char_Var_Count2=0;Char_Var_Count212;Char_Var_Count2+)WD_ADD=qChar_Var_Count2;/逐行输出,运行界面,3-5打印机接口,8.4.1 打印机分类及选型,按印字原理：击打式：字轮式；针打式。机械力打针头非击打式：感热；激光；喷墨按用途：专用微型打印机：条码微打、专业证卡 通用微型打印机：应用范围广，支持多种设备选型注意：1、打印字符集2、外形尺寸及重量3、纸卷大小4、打印宽度及打印的数据量6、耗材7、其他特殊要求能打印条码、打印图形等,8.4.2 TPP-40A主要性能及接口要求,1.TPP-40A的主要技术性能 TPP-40A与TPP-16A的接口与时序要求完全相同。TPP-40A每行打印40个字符，TPP-16A每行打印16个字符。（1）采用单片机控制，具有2KB监控程序及标准的Centronic 并行接口，便于与各种计算机应用系统或智能仪器仪表联机使用。（2）具有较丰富的打印命令，命令代码均为单字节、格式简单。（3）可产生全部标准的ASCII代码字符，以及128个非标准字符和图符。有16个代码字符（67点阵）可由用户通过程序自行定义。并可通过命令用此16个代码字符去更换任何驻留代码字型，以便用于多种文字打印。（4）可打印出8240点阵的图样（汉字或图案点阵）。代码字符和点阵图样可在一行中混合打印。（5）字符、图符和点阵图可以在高和宽的方向放大为2、3、4倍。（6）每行字符的点行数（包括字符的行间距）可用命令更换。即字符行间距空点行在0256间任选。（7）带有水平和垂直制表命令，便于打印表格。（8）具有重复打印同一字符命令，以减少输送代码的数量。（9）带有命令格式的检错功能。当输出错误命令时，打印机立即打印出错误信息代码。,接口要求,TPP-40A微型打印机与计算机应用系统通过机箱后部的20芯扁平电缆及插件相连。打印机箱后部接插件引脚信号如图8-4-1所示。,插脚安排（从打印机背视）接口信号时序 TPP-40A/16A TPP-40A/16A,8.4.2 字符代码及打印命令,TPP-40A/16A全部代码共256个，其中00H 无效。代码01H0FH为打印命令；代码10H1FH为用户自定义代码；代码20H7FH为标准ASCII码；代码80HFFH为非ASCII码，其中包括少量汉字、希腊字母、块图图符和一些特殊的字符。,1 字符代码,TPP-40A/16A中全部字符代码为10HFFH，字符串的结束代码，或称回车换行代码为0DH。但是，当输入代码满40/16个时，打印机自动回车。字符代码串实例如下：（1）打印字符串“3265.37”输送代码串为:24，33，32，36，35，2E，33，37，0D。（2）打印“This is Micro-Printer”。输送代码串为：54，68，69，73，20，69，73，20，4D，69，63，72，6F，2D，70，72，69，6E，74，65，72，2E，0D。（3）打印“32.8cm2”输送代码为：33，32，2E，38，63，6D，9D，0D。,2命令代码,TPP-40A的控制打印命令由一个命令字和若干个参数字节组成，其格式如下：CCXX0 XXn其中：CC：命令代码字节，01H0FH。XXn：n个参数字节n=0250，随不同命令而异。命令结束代码为0DH，除代码为06H 的命令必须用它结束外，均可省略。,TPP-40A打印命令代码及功能,错误代码,当主机向TPP-40A输入非法命令时，打印机即打印出出错代码，用以提示用户。出错代码信息打印格式如图8-3-4所示。其含义如下：ERROR：0：放大系数出界，即放大倍数是，1，2，3和4以外的数字。ERROR：1：定义代码非法。用户自定义代码不是10H1FH。ERROR：2：非法换码命令。换码命令只能用10H1FH去代换驻留字符代码否则非法。ERROR：3：绘图命令错误。指定图形字节数为0或大于240。ERROR：4：垂直制表命令错误。指定空行数为0,8.4.3.1 TPP-40A/16A与MCS-51单片机接口方式1,图8-4-5 TPP-40A/16A与8031数据总线接口,8.4.3 应用实例,8.4.3.2 TPP-40A/16A与MCS-51单片机接口方式2,图8-4-6 TPP-40A/16A与8031扩展I/O口连接的接口,8.4.3.2 软件设计,例8-4-1 下面以图8-4-6作为打印机接口，介绍使用TPP-16A打印机打印1616点阵汉字“作业”的程序。汉字“北京”在硬汉字库中的标准机内代码分别为B1B1H、BEA9H。打印机采有中断方式连接。源程序见程序清单,8.5 语音芯片 ISD4004,ISD系列语音芯片是美国ISD公司推出的产品。该系列语音芯片采用多电平直接接模拟存储（Chip Corder）专利技术，声音不需要A/D转换和压缩，每个采样值直接存储在片内的闪烁存储器中，没有A/D转换误差，因此能够真实、自然地再现语音、音乐及效果声。片内信息存于内烁存储器中，可在断电情况下保存100年（典型值）反复录音10万次。器件工作电压3V，工作电流2530mA，维持电流1A，单片录放语音时间816 min，音质好，适用于移动电话机及其它便携式电子产品中。,8.5.1 ISD4004工作原理,ISD4004语音芯片采用CMOS技术，内含晶体振荡器、防混叠滤波器、平滑滤波器、自动静噪、音频功率放大器及高密度多电平闪烁存储阵列等（见图8-5-1），因此只需很少的外围器件就可构成一个完整的声音录放系统。,图8-5-1ISD4004内部结构图,8.5.1.1 引脚描述,同相模拟输入(ANA IN+)反相模拟输入(ANA IN-)音频输出(AUD OUT)串行输入(MOSI)串行时钟(SCLK中断(INT)行地址时钟(RAC)外部时钟(XCLK)自动静噪(AM CAP),图8-5-2ISD4004引脚图,8.5.1.2 串行外部接口（SPI）,ISD4004工作于SPI串行接口。在时钟上升沿锁存MOSI引脚数据，在下降沿将数据送至MISO引脚。协议具体内容如下:所有串行数据传输开始于SS下降沿。SS在传输期间必须保持为低电平，在两条指令之间保持为高电平。数据在时钟上升沿移入，在下降沿移出。SS变低，输入指令和地址后，ISD行才开始录放保持。指令格式是8位控制码加16位地址码。ISD的任何操作（含快进）如果遇到EOM或OVF，则产生一个中断，该中断状态在下一个SPI周期开始时被清除。使用“读”指令会使中断状态位移出ISD的MISO引脚时，控制及地址数据也同步从MOSI端移入。所有操作在运行位（RUN）置1时开始，置0时结束。所有指令都在SS端上升沿开始执行。,8.5.1.SPI端口操作指令及控制,SPI端口的控制位,SPI控制寄存器,SPI控制寄存器控制器件的每个功能，如录放、录音、信息检索（快进）、上电/掉电、开始和停止、忽略地址指针等.注：IAB置0时，录、放操作从A15A0地址开始。为了能连贯录、放到后续存储空间，在操作到达该行之前，应发出第二个SPI指令将lAB置1，器件在同一地址上反复循环。,8.5.1.操作时序及命令格式,图8-5-3 SPI接口操作时序图,8位命令格式,图8-5-4 8位命令格式,24位命令格式,图8-5-5 24位命令格式,录音、放音、停止时序,图8-5-6 录音、放音、停止时序,时序的理解,)信息快进。信息快进只用于放音模式。放音速度是正常的1600倍，遇到EOM后停止，内部地址计数器加1，并接下条信息开始处。2)上电顺序。器件延时TPUD（8kHz）采样时，约25ms后才能开始操作。因此，用户发完上电指令后，必须等待TPUD，才能发出一条操作指令。例如从00处放音，应遵循如下时序：发power up命令；等待TPUD（上电延时）；发地址值为00的SETPLAY命令；发PLAY命令。器件会从00地址开始放音，当出现EOM时，立即中断，停止放音。如果从00处录音，则按以下时序：发power up命令；等待TPUD（上电延时）；发power up命令；等待2倍TPUD；发地址值为00的SETREC命令；发REC命令。器件便从00地址开始录音，一直到出现OVF（存储器末尾），录音停止。,8.5.2应用实例,采用AT89C52单片机，由单片机的并行I/O口模拟SPI接口。电路实现了录音和放音功能。整个电路由单片机、ISD4004语音录放电路、话筒输入电路、音频功率放大电路（LM386）几部分构成。,图8-5-7 ISD4004应用电路原理图,操作方法及程序流程,当开关A偏向上面时，处于录音状态，开关B偏向下面（即按住键，不放开）时，指示灯亮，这时可以对着话筒录音，松开按键时录音停止并形成一段。再按，则开始录下一段。按下S1键为复位，再录音时又从第一段开始。当开关偏向下面时，是放音状态，开关B偏向下面时，即播放一段，一段结束后自动停止放音。按下S1键为复位，再放音时又从第一段开始。源代码见程序清单。,图8-5-8 程序流程图,