自动测试系统课件第二篇 微机外围设备接口.docx
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自动测试系统课件第二篇微机外围设备接口
第二篇微机外围设备接口
在第一部分中介绍了GPIB总线，它在军事、科学和工业上得到了很好的应用。
但这种总线主要应用于测控领域。
在本篇中，将介绍一些在工业和生活中应用更为广泛的一些接口。
在微机的后面板上有很多接口，计算机就是通过这些接口完成数据的输入和输出，实现人机交互。
这些接口种类很多，而且都是应用十分广泛的接口，很具有代表性，在本篇中，将逐一介绍这些接口。
在这一部分中将首先介绍微机常用外围设备的接口，包括：
键盘接口、鼠标接口、显示器接口、打印机接口。
然后将介绍串行通信接口以及新出现的USB接口和IEEE1394接口。
第6章人机交互设备接口
人机交互设备是指在人和计算机之间建立联系、交流信息的输入/输出设备。
随着计算机应用领域的日益广泛，人机交互设备的性能和类型有了很大的发展。
不仅那些以计算机为中心的常规输入/输出设备（如键盘、显示器、打印机等）在不断发展与更新，而且逐步研制和生产了各种以人为中心的智能设备。
从整体来看，各种人机交互设备的设计构造越来越先进，使用越来越方便，人机交互的手段和途径越来越灵活多样。
本章中将介绍常规输入输出设备的接口。
6.1键盘接口
键盘是微型计算机系统中最基本的人机对话输入设备。
组成键盘的按键有机械式、电容式、导电橡胶式、薄膜式等多种，但不管何种形式，其作用都是一个使电路接通与断开的开关。
6.1.1键盘的分类
键盘按不同的标准可以分成不同的类型。
1.按键的形式分类
键盘按其按键的结构形式来分一般有机械式、电容式、电感式、磁感式、薄膜式和橡胶垫式等。
其中最常用的是机械式和电容式键盘。
其按键结构原理如图6-1所示。
2.按插口方式分类
按照键盘插口方式，键盘可分为串口（AT）键盘（大口）、并口（即PS/2）键盘（小口）两类。
其接口引脚及功能说明如图6-2所示。
3.按键盘编码方式分类
分为编码键盘和非编码键盘。
（1）编码键盘：
键盘本身带有实现接口主要功能所必需的硬件电路。
不仅能自动检测被按下的键，并完成去抖动、防串键等功能，而且能提供与被按键功能相对应的键码（如ASCII码）送往CPU。
所以，编码键盘接口简单、使用方便。
但由于硬件电路较复杂，因而价格较贵。
（2）非编码键盘：
键盘只简单地提供按键开关的行列矩阵。
有关按键的识别、键码的确定与输入、去抖动等功能均由软件完成。
目前微机系统中，一般为了降低成本大多采用非编码键盘。
值得指出的是，实际中使用的某些键盘往往介于两种类型之间，即它们可完成编码键盘的部分功能，但又不能完全属于编码键盘。
图6-1键盘按键结构示意图
图6-2键盘插座示意图及各引脚功能
6.1.2键盘电路的组成
图6-3为AT键盘控制器电路框图，其控制电路如图6-4所示。
图6-3键盘电路组成示意图
图6-4键盘控制电路
1.微处理器
8049时一种典型的8位单片机，具有独立的指令系统，可外接振荡电路、内含数据和程序存储器，具有多用途多功能及I/O接口等功能。
具有如下特点：
（1）27条输入输出电路，即3个8位I/O，其中两个（P10~P17）可作为寻址、一个（DB0~DB7）用于8位数据总线的字节寻址。
此外，T0、T1、INT均可作为输入线使用。
（2）128个RAM数据存储器。
（3）2KBROM程序存储器。
（4）可外接1MHz~11MHz的晶体振荡器。
（5）两个带溢出中断T0、T1的定时/计数器。
（6）外部中断INT和单步中断SS0。
2.译码器
74LS154是一种4~16位的译码器，由8049的P24~P27四引脚作为译码器的输入（范围0000~1101），译码器输出为13条不同时为0的行扫描线。
这13条线每一个与键盘矩阵的一行相连。
3.键盘矩阵
AT101/102键盘由8列×13行组成，行和列交叉处分别连接键的两个触点（如图6-5所示）。
每个列信号线的一端与Vcc高电平之间有上拉电阻，使列线在没有键按下时保持为高电平。
图6-5键盘矩阵结构示意图
6.1.3键盘工作原理
PC系列键盘采用13行×8列的矩阵结构。
在键盘中用一单片机处理器8048来控制整个键盘的工作。
键盘中还有一个扫描电路，采用行列扫描并不断地对键盘进行扫描，检查键盘是否有键按下以及所按按键的位置信息，送给单片微处理器8048的测试端T1。
8048读取T1端的信息经内部扫描程序的分析确定键盘上所按按键的位置，并翻译成扫描码，由数据线DATA输出给键盘接口电路，键盘接口电路收到扫描码后再进行处理，转换成ASCII码或设置一些状态。
如图6-6所示。
图6-68048和键盘接口的连接图
在PC系列键盘中，微处理器8048向主机键盘接口传送的扫描码有两种：
接通扫描码和断开扫描码。
当键按下时，输入的数据称为接通扫描码，为一个字节；当按键被松开后，又送出一个数据，称为断开扫描码。
标准键盘的断开扫描码为一个字节，而扩展键盘的扫描码为二个字节。
在PC、XT机中使用的是标准的83键键盘。
这种键盘上每个键有一个键号，接通的扫描码与键号是等值的，用一个字节表示。
如A键，键号30，接通扫描码为1EH，断开扫描码也是一个字节，是接通扫描码加上80H而得，如A键按下后又松开，则先输出1EH，后输出9EH，其中9EH即为其断开扫描码。
这种键盘的拍发速度是固定的，当一个键被按下后0.5s仍不松开，将重复输出该键的接通扫描码，起速率为每秒10次。
单片机处理器以串行序列发送键盘扫描码，其格式如下：
PC/AT及其兼容机常使用101/102键扩展键盘，其上的每个键有一个键号，但是每个键的接通扫描码不再同其键号一致，其接通扫描码仍为一个字节，而断开扫描码为2个字节，它是在接通扫描码前加一个前缀字节F0H。
按键的拍发速率是可选的，自最大每秒30次至最小每秒2次，缺省值仍为10次。
键盘扫描码的发送完全按串行异步通信格式进行，其格式如下：
PC、PC/XT与PC/AT使用的键盘在硬件上是不兼容的，相互不能交换。
但是在软件上是兼容的，因为PC/AT机的键盘接口电路会将其接收到的扫描码转换成与PC机相同的扫描码——系统扫描码，这样CPU所接收到的扫描码就完全相同，因此从软件使用角度来说二者是兼容的。
6.1.4键盘接口的功能和原理
下面以机械触点按键组成的非编码键盘为例，对键盘接口功能和原理进行介绍。
1.接口功能
键盘接口必须具有去抖动、防串键、按键识别和键码产生4个基本功能。
（1）去抖动：
每个按键在按下或松开时，都会产生短时间的抖动。
抖动的持续时间与键的质量相关，一般为5~20ms。
所谓去抖动是指在识别被按键和释放键时必须避开抖动状态，只有处在稳定接通或稳定断开状态才能保证识别正确无误。
去抖问题可以通过软件延时或硬件电路解决。
（2）防串键：
防串键是为了解决多个键同时按下或者前一按键没有释放又有新键按下时产生的问题。
常用的方法有双键锁定和N键轮回两种方法。
双键锁定：
当检测到有两个或两个以上的按键被按下时，只把最后释放的键当作有效健，并产生相应键码。
N键轮回：
当检测到有多个键被按下时，能根据发现它们的顺序依次产生相应键的键码。
（3）被按键识别：
如何识别被按键是接口要解决的主要问题，一般可通过软硬结合的方法完成。
常用的方法有行扫描法和线反转法两种。
行扫描法：
该方法的基本思想是，由程序对键盘进行逐行扫描，通过检测到的列输出状态来确定闭合键。
为此，需要设置输入口、输出口各一个。
该方法在微机系统中被广发使用。
线反转法：
该方法的基本思想是通过行列颠倒两次扫描来识别闭合键。
为此，需要提供两个可编程的双向输入/输出端口。
（4）键码产生：
为了从键的行列坐标编码得到反映键功能的键码，一般在内存区中建立一个键盘编码表，通过查表获得被按键的键码。
2.接口原理
非编码键盘的接口功能主要由软件完成。
假定采用行扫描法，“0”为有效信号，则接口工作原理可归纳如下：
（1）检查是否有键按下，其方法是：
输出扫描码，使所有行线为0。
然后读入列线状态，检查是否有列线为0。
若有，则表明有行线和列线接通，意味着有键按下。
（2）去抖动：
当有键按下时，延时20ms左右，待抖动消失后，在稳定状态下进行被按键识别。
（3）被按键识别：
从第0行第0列开始，顺序对所有按键编号。
通过逐行扫描确定被按键的编号。
具体定位方法为：
从第0行开始，每扫描一行时，令该行对应的行线为0，其余行线为1，然后读入列线状态，检查是否有列线为0。
若无，则行号加1，顺序扫描下一行；若有，则查出状态为0的列号，由该列号和正在扫描的行号即可确定被按键的编号。
6.2鼠标接口
鼠标器（简称鼠标）是微型计算机系统中仅次于键盘的最为常用的输入设备，也称点输入设备。
早期的鼠标器在非窗口操作系统中，用于屏幕编辑、菜单选择、图表绘制等操作；在计算机辅助设计CAD应用软件中，鼠标用于定位坐标、定义功能、选择命令。
如今更多的是在Windows操作系统中做传送图形形式的人机交互命令，今天鼠标器已经是微型计算机的一种标准的输入设备。
鼠标器是高速主动式移动光标位置的输入设备，比键盘速度快得多。
衡量鼠标器性能的一个重要参数是分辨率，一般以象素点/厘米（d/cm）为单位，表示鼠标移动1cm时所经历的象素点数。
分辨率越高，可使鼠标移动到目的地的距离越短。
一般鼠标的分辨率为59~79d/cm。
目前已有产品达到118~157d/cm或更高分辨率。
6.2.1鼠标的分类
鼠标按采样机构的不同，基本上分为光机式、光电式、机械式三种；按其接口插头的类型分为“D”型9针串口鼠标及圆形并口（PS/2）鼠标，目前也有USB鼠标；按照按键的数量可分为二键式、三键式和多键式多功能鼠标；按其使用功能分为2D式和3D式两种；按其用途又分为台式和便携式两种。
目前使用最多的是光机式两键或三键鼠标器。
6.2.2鼠标的结构和工作原理
鼠标是由位置传感器、专用处理芯片和采样机构组成（如图6-7所示）。
图6-7鼠标器组成原理
鼠标器的工作原理：
当鼠标器相对桌面移动时，采样机构按X，Y相垂直的方向把位置和距离信息送往传感器，由传感器将它们转换成脉冲信号，输入给专用的微处理器，然后由微处理器按照异步串行口（或并行口）通讯协议，将动作位移以相应的数据格式传送到计算机主机。
下面详细介绍一下目前应用较为广泛的光机式鼠标和光电式鼠标的工作原理。
1.光机式鼠标
光机式鼠标的内部结构如图6-8所示。
当鼠标球运动时两个滚轴传送运动到X、Y轴。
X轴的传感器探测到水平方向运动；Y轴的传感器探测到垂直方向运动。
传感器是由齿轮、发光二极管LED和光敏二极管（即光电耦合器）组成。
当鼠标球滚动时，带动齿轮转动，发光管的光透过齿轮的间隙照射到对面的光敏管上，产生移动信息的光信号，光敏管再将光转换成电脉冲信号，作用于鼠标微处理器。
鼠标微处理器将这个反应X、Y方向的距离信号转换成串行数据格式，与鼠标的按下或释放状态信息一起送往计算机的串行异步通讯接口。
光机式鼠标的优点是结构比较简单、成本低，但其缺点是故障率较高。
由于其价格低廉，因此在现代的计算机系统中得到广泛的应用。
图6-8光机鼠标结构筒图
2.光电式鼠标
光电式鼠标结构如图6-9所示，光电式鼠标不是靠鼠标球测定运动，而是使用鼠标垫来感知运动。
由X、Y两个LED发光管通过鼠标垫上的反光网格，将光照到X、Y方向的两镜面上，再由镜子反射到光敏管上。
当鼠标移动距离不同时，光透过网格时的角度就不同。
反射的强弱也就不同。
光敏管将光转换成电脉冲送至鼠标处理器，鼠标处理器再将信号转换成串行格式发送到计算机。
光电式鼠标的优点是不含机械部件、采样精度高，主要用于对光标输入精度要求高的场合，但价格较高。
图6-9光电式鼠标结构示意图
6.3视频显示接口
6.3.1显示系统的组成及其工作原理
1.显示系统的组成
一个完整的微型计算机显示系统由显示控制适配器和显示器（即监视器）组成。
如图6-10所示。
早期的计算机系统把显示接口一般做在主机板上，随着计算机开放体系的出现，人们开始将它做成一块单独的电路板接口卡，插在危机系统主板的扩展槽里，我们将其称为显示控制适配器，即俗称的显卡。
显示卡通过扩展槽与计算机进行信息交换，这样就大大增强了应用的灵活性。
目前大部分微型计算机特别是兼容机都采用这种显示接口的安装方式，使得同一主机可以根据不同的需要来选择不同的显示设备，以使构成的微机系统具有良好的性能价格比。
图6-10微机显示系统组成示意图
2.显示系统的工作原理
下面以VGA显示方式为例，介绍显示系统的工作原理，如图6-11所示。
显示接口卡从主机接受显示输出信号，经过处理和变换然后输出。
显示器从VGA显示卡的输出端口接收红（R）、绿（G）、蓝（B）三色模拟信号及行同步信号（H.SYNC）和场同步信号（V.SYNC），并对它们进行不同的处理后送到CRT，这样才可以在屏幕上显示出字符和图像
图6-11VGA方式CRT显示系统工作原理框图
VGA显示卡：
是显示器与计算机之间的接口电路，微机主机系统输出的显示信号是以计算机本身的代码形式输出的一种数字信号，是不能直接送到显示器上进行显示的。
显示卡的作用就是将主机输出的显示信息转换成幅度比较强的模拟信号，这些模拟信号及其返回信号分别是红、绿、蓝信号及其返回信号。
而两个同步信号则为数字信号，其峰值为5V，这样的数字信号可以很好地完成显示的同步工作，所以无需将其转换成模拟信号。
视频处理电路：
显示卡送来的视频信号的电压较低，仅为1V左右，所以需要经过电路放大，然后送到CRT显像管阴极，以调节显像管阴极电压，使显示卡字符发生器产生的字符信号在屏幕上显示出来。
场振荡电路：
它是一个自由振荡电路，用于产生一个频率为50~120Hz（可调）的锯齿波信号。
其振荡频率受场同步脉冲电压的控制，保持在60Hz以上。
场输出电路：
将场振荡电路产生的锯齿波电压进行电压放大和功率放大，在场偏转线圈中产生锯齿波电流，使CRT中的电子束作垂直方向运动，即场扫描。
行振荡电路：
产生行脉冲电压，送到行输出电路。
其振荡频率受行同步信号的控制，一般在30KHz~50KHz之间。
行输出电路：
将行脉冲进行电压放大和功率放大，在行偏转线圈中产生锯齿波电流，控制CRT中电子束作水平方向运动，即行扫描。
同时推动中高压电路工作。
中高压放生电路：
利用行扫描的逆程脉冲，自回扫变压器的副连产生幅值很高的高频电压，进行整流后便的到直流高压和中压电压。
高压可达几万伏以上，将它接到显示器的高压嘴做CRT的第二阳极电压；中压得高低可以调整，用于CRT的聚焦和加速电压。
开关稳压电路：
将交流电变换为显示各个电路所需的支流电压，为显示各个电路单元提供电能。
6.3.2视频标准及视频接口的基本类型
1.显示控制适配器标准
（1）单色显示适配器MDA（MonochromeDisplayAdapter）：
它是单色字符显示器的显示控制适配器，整个屏幕可显示80列×25行字符，每个字符为9×14点阵，分辨率为720×350，不能兼容图形方式。
它是第一代PC机的显示标准。
（2）彩色图形适配器CGA（ColourGraphicAdapter）：
它是最早出现的一种彩色图形适配器，可兼容图形与字符两种显示方式，字符采用8×8点阵。
在图形方式下分辨率为640×200、2种颜色，或320×200、4种颜色。
CGA最多可显示的颜色为16种。
早期的PC/XT机配置该标准的显示方式。
（3）增强型图形适配器EGA（EnhancedGraphicAdapter）：
它能兼容CGA的所有功能。
字符显示采用8×14点阵,图形方式下分辨率为640×350、16种颜色，或320×200、256种颜色。
EGA最多可显示的颜色为64种。
（4）视频图形阵列VGA（VideoGraphicArray）：
它是作IBMPS/2的显示系统而提出来的，并且安装在主机板上，后来才做成了单独的VGA显示卡。
VGA能兼容CGA、EGA，字符显示采用9×16点阵。
图形方式下分辨率为640×480、16种颜色，或320×200、256种颜色。
这种标准也称作“标准VGA”。
与前三种视频标准不同的是：
VGA显示卡输出的视频信号为模拟信号，同步信号仍为数字信号。
（5）超级VGA：
它与VGA完全兼容，还具有很多非标准的显示方式，可获得更高的分辨率，如图形方式下分辨率可达1024×768，甚至更高。
256种颜色甚至64M真彩色。
对应产品有SVGA、TVGA等，这些新的显示标准都向下兼容CGA、EGA。
2.关于视频显示的几个概念
（1）像素（Pixes）：
指显示屏幕上颜色和亮度可以被控制的最小单元，即一个圆点。
每一像素对应于显示内存RAM存储单元的一个位（Bit）。
（2）分辨率（Resolution）：
分辨率是一个反映显示质量的主要参数，一般地将其表示为屏幕上水平方向显示的像素数与垂直方向显示像素数的乘积。
这是一种对显示方式的描述方法，它受屏幕尺寸大小的影响。
决定单色显示器分辨率的因素有两个：
行频和视频输出的频带宽度。
提高行频可以增加屏幕上的水平扫描线数目，但行频的提高受电路的制约；带宽的提高将增加每根水平扫描线上的像素数目。
影响彩色显示器显示分辨率的要素有三个：
第一个要素是荧光屏上两个相邻像素之间的距离（彩色三元组中心到中心的距离，也称为点距），小点距是产生高分辨率的核心；第二个要素是CRT的聚焦能力，聚焦好，则一个点的光斑就小；另一个要素是频带宽度，频带越宽，显像管的切换速度就越快，也就更能清晰地显示图形的变化过程。
高的行频和宽的频带还取决于显示卡的信号供给。
清晰度与分辨率密切相关，分辨率越高，先是的清晰度也愈高。
（3）视频模式（Videomode）：
分为文本（Text）和图形（Graphics）两种类型。
文本模式下屏幕被划分为矩形的字符位置——屏幕的横向为80列字符；图形模式下屏幕被分为矩形的字符位置——屏幕的横向为80列字符；使用这些点可以在屏幕上构成任何图案（包括字符）。
6.3.3VGA视频接口
视频适配器是接受CPU命令，访问刷新缓存（显存）并产生屏幕所需视频信号的显示接口部件。
VGA视频适配器与以往各种视频适配器相比，具有各种中高分辨率和更大的刷新缓存；另外它增加了字符集合彩色控制能力，将数据形式输出接口变更为模拟视频信号接口。
随着计算机图形图像处理技术的发展，现代的显示接口电路，如PCI、AGP等显示适配器，具有更快的图形图像处理能力和更高的显示缓存，有的还具有三维图象图像处理能力。
1.适配器的性能
微机系统中CPU和视频适配器分别具有如下作用：
CPU可通过系统复位，初始化适配器控制端口；经视频BIOS读取和改变显示秦光标位置、访问显存、读写字符属性和视频方式；屏蔽或允许屏幕显示；输出位图、字符模块及控制器寄存器地址等。
但视频适配器较CPU访问显存频繁得多，要根据不同类型和分辨率产生水平和垂直同步信号。
1）VGA视频图形矩阵的主要性能
垂直分辨率达到480以上，同时向下兼容；刷新缓存位图达4个，每个64KB；颜色调色板增加到256KB以上；字符集可装入的模块增加到8×8KB，共64KB；增加了DAC视频显示转换器软硬件；增加了VGABIOS调用功能，达到用软件手段对颜色、字符发生器等控制功能；利用微控制芯片独立管理刷新缓存。
VGA始创了用软件参与或代替硬件管理显存的方法，为后来的高级图形接口GUI的发展打下了基础。
因为在处理器达到一定速度后，采用软件控制比仅靠硬件管理具有更大的灵活性、适应性和可扩展性。
2）VGABIOS的主要服务功能
直接控制功能，可作视频方式设置、显示输出的设置等；返回显示器的状态，除了返回当前状态外，还可显示上一状态、交替显示状态保存。
交互功能：
光标类型、位置的读写。
文本方式：
选择字符矩阵，写一帧，读写属性和当前帧滚屏。
图形方式：
读、改写像素（颜色）值。
调色板：
设置调色板寄存器等。
DAC颜色查询表：
选择及读写DAC页、模块、单元，选择灰度和参数。
字符发生器：
文本方式下选择字符集合显示模块，装入字形集合显示模块，图形方式下显示字符的选择和装入。
2.视频适配器结构
如图6-12所示为一种AGP接口的视频适配器的外形图，其组成由图形处理控制芯片、显示缓存DRAM、BIOS芯片、DAC（数字/模拟转换控制器）及输出接口插座组成。
图6-12VGA视频适配器外形结构图
1）视频控制芯片（CRTC）
视频控制芯片是专用的单片机或CPU，是整个视频显示接口电路的核心部件。
它决定整个显示适配器的功能和性能，VGA显示适配器中采用的视频控制芯片较多，其芯片的信号也不尽相同，在性能上也有所差异，但主要功能是相同的。
VGA显示适配器中采用的视频控制芯片内含微处理器、定时/计数器、终端寄存器、程序存储器ROM和多个可编程端口寄存器。
VGA基本上靠这些端口寄存器来访问刷新缓存器。
CRTC（显示芯片）按其芯片档次及所支持的显示方式可分为：
彩色图形显示芯片：
主要用在早期的微机系统中，早已淘汰，如MC6845等。
2D显示芯片：
芯片类型有UM587、i82706、T8900、9000、9440、9685等，用于2D显示，其显示接口总线一般为ISA、EISA等形式，也有些是PCI接口形式，如9440和9685等显卡。
3D一代显示芯片：
典型的如Trident的9750、9850及S3的Vige系列等，一般为PCI接口形式，也有一些为AGP接口形式。
3D二代显示芯片：
典型的如VooDOOI型、SIS的6326、INTEL的i740等。
3D三代显示芯片：
典型的如VooDOOII型、nVidia的RivalTNT、S3的Savage_3D等。
3D四代显示芯片：
典型的如VooDOOIII型、nVidia的RivalTNT2、S3的Savage4及Matrox的G400等。
如图6-13所示是以UM587为CRTC的VGA视频适配器的电路框图。
UM587是一个多端口接口的专用控制器，一方面可以与系统进行标准总线式连接，如片选CS、读写IOR/IOW、数据总线XD0~XA15，复位FRESET、等待RDY和外中断等；另一边与庶民缓存（显存）连接有32位数据线MD0~MD31，美8位连接一个64KB的动态存储器DRAM。
地址线有MA0~MA15将四个存储器同时连接，有RAS0~RAS3作为每个块的唯一片选，另外列选线CAS、存储块的读VMRD和写VMWR线同时与各个存储器的选通端、读写控制器相连接；同时也具有与DAC的接口。
图6-13VGA视频适配器示意图
2）刷新缓存DRAM
如图1-13中的DRAM0~DRAM3是四个称为位图的动态存储器，用于显示器的刷新缓存（即显存），一般DRMA0用于保存ASCII码字节；DRAM1用于保存属性字节；其他位图用于替换显示数据。
文本显示方式要经过几个步骤：
在江字符调入刷新缓存之前，事先要由用户确定字符集，再选择暂时的显示模块0~7，它们每块为8KB，用于装入256个字符，每个字符的ASCII码和显示属性共32个字节（各16点阵）；然后调入装入模块功能。
为了增强显示范围和显示灵活性，VGA采用选择字符集实时调用的方法，即可装入字符发生器，如图6-14所示。
图6-14可装入式字符发生器
3）DAC
DAC视频部件含有256个宽18位的寄存器即RAM，既用于供用户执行调色板选择功能调用，还具有转换显示数据的作用。
这个部件是通过视频微控制器的D0！
D7传送数据的。
在文本方式下，VGA视频控制器自动将刷新缓存中的数据转换成为点阵流，输出视频信号及属性信
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