第三章人机对话与数据通信.docx

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第三章人机对话与数据通信

第三章:

人机对话与数据通信

一、主要内容

人机对话是智能仪器接收外部参数和输出测量结果的重要技术之一。

仪器的使用者利用键盘或触摸屏等技术接收

仪器外部的数据，最终把测量结果通过LCD显示器输出给用户。

这种人机交互的方法是目前大部分智能仪器所采

用的。

但对于某些应用场合如分布式测控仪器或需远距离的数据传输时，采用串行通信技术或无线通信更方便。

本章将就上述内容展开讨论。

二、教学目的

1.了解各种键盘的工作原理，掌握非编码键盘的按键识别、去抖等非编码键盘的控制方式以及非编码键盘的

接口设计。

2.了解不同的控制方式下的LCD驱动原理，掌握七段LCD显示器、字符式LCD显示器和图形式LCD显示器的接口

设计方法，以及控制程序的编制。

3.掌握各种触摸屏的工作原理及它们各自的特点，了解触摸屏的控制方式。

4.掌握RS232、RS485总线标准及其电气特性，并能应用这些总线标准于仪器中进行数据传输。

5.掌握USB系统的基本概念和总体概貌；

6.了解无线数据传输的原理，能应用无线MODEM进行数据传输。

三、本章目录

§3-1键盘

§3-2LCD显示器

§3-3触摸屏技术

§3-4RS-232C、RS-422/485串行总线数据通讯

§3-5USB通用串行总线及应用

§3-6PTR2000无线数据传输

§3-7本章小结

§3-8思考题与习题

四、学习指导

人机交互和数据通信技术的原理不很复杂，关键是能根据其工作原理进行接口设计并编写相应的控制软件。

最好

对每部分内容能进行实践环节的训练，在实践中去真正理解它们的原理并解决实际应用中的问题。

五、参考资料

《智能仪器设计基础》第3章人机对话与数据通信

※本章授课内容

§3-1键盘

一、教学目的（教学要求）

键盘是智能仪器接收外部数据的重要手段之一。

首先应了解各种键盘的工作原理，在此基础上重点掌握非编码

矩阵式键盘的接口设计方法和按键识别的程序设计。

在键盘数量较少的情况下可考虑采用编码键盘。

二、本节目录（主要内容）

1、键盘系统设计要点；

2、矩阵式非编码键盘；

3、单片机对非编码键盘的控制方式；

4、编码键盘；

三、参考章节（书）

3．1．1键盘系统设计要点

1．键盘键盘的种类：

编码键盘和非编码键盘。

键盘上闭合键的识别是由专用硬件实现的，称为编码键盘，靠软

件实现的称为非编码键盘。

2．键盘接口必须解决的问题：

（1）决定是否有键按下；

（2）如果有键按下，决定是哪一个键被按下；

（3）确定被按键的读数；

（4）反弹跳—按键抖动的消除；可采用硬件的方法，既用R-S触发器或单稳态电路来消除按键抖动。

也可采用软

件延时的方法。

（5）不管一次按键持续的时间多长，仅采样一个数据；

（6）处理同时按键，既同时有一个以上的按键情况。

3．智能仪器中键盘管理的主要任务是：

（1）选择仪器功能；

（2）设定工作参数；（3）发布控制命令

3．1．2矩阵式非编码键盘：

（1）独立连接式非编码键盘：

每一个按键占用一条I/O口线。

当有任一键按下时，与之相连的输入数据线为

“0”，否则置“1”。

因此要判别是否有键按下的程序也十分简单。

这种键盘的优点就是简单，但当键数较多

时，就要占用多个口。

（2）矩阵式非编码键盘：

矩阵式非编码键盘的连接图如下图所示。

当没有键按下时，行线和列线之间是不相连

的，若第N行第M列的键被按下，那么第N行与第M列的线就被接通。

常用的按键识别方法有两种：

一是传统的行扫描法；另一种是速度较快的线反转法，这种方法必须采用可编程并

行接口，既行线和列线的接口必须是双向的。

（3）非编码键盘接口设计：

非编码键盘的接口方法有很多种，如通过扩展I/O口、可编程I/O或专用接口芯片。

既把行和列分别接到不同的I/O口。

以可编程接口芯片8155为例举一键盘接口设计实例。

3．1．3单片机对非编码键盘的控制方式

在非编码键盘结构中，单片机对它的控制有三种方式：

程序控制扫描方式；定时扫描方式；中断扫描方式。

程序思路：

首先判断是否有键按下，如果有则延时一段时间，再判断是否有键按下，其目的是为了消除电路抖动

和消除干扰信号。

一般按键的时间至少有十几毫秒，而干扰信号的时间都很短。

只要两次判断都有键按下，才被

确认为是真有键按下。

当确认有键按下后，再逐列扫描判断按键的位置。

程序控制扫描方式：

这种方式就是只有当单片机空闲时，才调用键盘扫描子程序，响应键盘的输入请求。

定时扫描方式：

每隔一定的时间对键盘扫描一次。

在这种方式时可利用定时器产生定时时间。

中断扫描方式：

当键盘上有键闭合时产生中断请求，CPU响应中断，执行中断服务程序，判别键盘上闭合键的键号，

并作相应的处理。

三种键盘扫描方式的选用应根据实际情况。

总的来说，中断扫描方式的CPU效率最高。

3．1．4编码键盘

编码键盘的基本任务是识别按键，提供按键读数。

这种由硬件来识别键闭合、键释放状态，由硬件消除键抖动影

响以及实现一些保护措施的方法，可以节省CPU相当多的时间。

当键盘数量较少时可采用。

最简单的编码键盘接口采用普通的编码器。

利用可编程接口芯片8279，通过适当的硬件连接，也可实现编码键盘的功能。

§3-2LCD显示器

一、教学目的：

由于智能仪器朝着小型、低功耗的方向发展，低功耗显示器件LCD在智能仪器中应用的越来越多。

在了解LCD显示

的原理的基础上，重点掌握七段LCD显示器、字符式LCD显示器及图形式LCD显示器的接口设计和软件编程。

二、本节目录

1、段码式LCD显示

2、字符式LCD显示

3、图形式LCD显示

三、参考章节

3．2．1段码式LCD显示

1．LCD显示的原理：

液晶是特殊的有机物质，它在外加电场条件下，在电场作用下具有各向导性、双折射性、

二色性等。

其光学性质发生改变的现象叫“电光效应”。

利用液晶材料的“电光效应”可以做成具有平面显示

结构的数字及图形显示。

2．段码式LCD显示的驱动：

段码式LCD每个显示位的电极配置与七段数码管相似，通常有多位字符构成一块液晶

显示片。

其驱动方式有静态驱动和时分割驱动两种。

（1）静态驱动方式：

LCD静态驱动方式中驱动某一段的驱动原理图和波形图如下图所示。

A端接交变的方波信号，

B端接控制该段显示状态的信号。

从图中可看出，当该段两个电极上的电压相同时，电极间的相对电压为0，该段不显示；当两极上的电压相位相

反时，两电极间的相对电压为两倍幅值方波电压，该段显示，即呈黑色的显示状态。

（2）迭加驱动方式：

迭加驱动方式通常采用电压平均法。

其占空比有1/2、1/8、1/12、1/16、1/32、1/64等，

偏比有1/2、1/3、1/5、1/7、1/9等。

不同的驱动方式对应不同的电极引线连接方式，因此，一旦选择了LCD显示器件后，其驱动方式也就相应的确定

了。

（3）硬件译码的LCD驱动接口：

LCD显示的驱动电路较多。

这里以MAXIM公司生产的用于段码式液晶驱动的专用芯

片ICM7211AMIPL为例。

它具有与微机良好的接口，内置有“1”、“2”、“3”、“4”、“5”、“6”、“7”、

“8”、“9”、“-”、“E”、“H”、“L”、“P”、“—”16个字母，功耗较小，有方波驱动输出（通过外

接器件驱动小数点和其它设备），可级联以驱动超过四位的液晶片，是现在市场上一种比较实用的液晶驱动芯片。

首先介绍ICM7211的内部结构及工作原理。

然后给出一种接口电路如下：

3．2．2字符式LCD显示

七段LCD显示器通常只用来显示数字，当仪器需要显示英文字母或简单笔画汉字时，这时用字符式LCD显示器就更

方便。

下面以LCM-512-01A为例，介绍点阵字符式液晶显示模块的使用。

该模块使用HD44780作为控制器。

1．字符式LCD显示模块的引出线：

显示模块的引出线如图。

从图中可看出，该模块可直接与计算机的数据总线相

连，接口比较方便。

各管脚的功能为：

①Vss：

地线输入端。

②VDD：

+5V电源输入端。

③Vo：

液晶显示面板亮度调节，通过10~20K的电阻接到+5V和地之间起调节亮度的作用。

④RS：

寄存器选择信号输入线。

当其为低电平时，选通指令寄存器；为高电平时选通数据寄存器。

⑤R/W：

读/写信号输入线。

低电平为写入，高电平为读出。

⑥E：

使能信号输入线。

读状态下，高电平有效；写状态下，下降沿有效。

⑦~（14）D0~D7：

数据总线。

可以选择4位总线或8位总线操作，选择4位总线操作时使用D4~D7。

使用时一定注意VO脚的接法。

许多模块需要负偏压。

2．读写时序：

该模块的读写控制时序如图。

重点注意使能信号线的用法。

3．模块指令简介：

该模块共有11条指令。

（1）清显示命令：

00000001

（2）光标返回命令：

0000001*

（3）输入方式设置命令：

000001I/DS

（4）显示开/关控制命令：

00001DCB

（5）光标或显示屏移动命令：

0001S/CR/L**

（6）功能设置命令：

001DLNF**

（7）设置CGRAM地址命令：

01A5A4A3A2A1A0

（8）设置DDRAM地址命令：

1A6A5A4A3A2A1A0

（9）读忙标志和地址命令：

BFAC6AC5AC4AC3AC2AC1AC0

（10）CGRAM或DDRAM写数据命令

（11）从CGRAM或DDRAM读取数据命令

在应用命令编程时，要根据需要配置好相应的命令参数。

要注意区分CGRAM和DDRAM的区别。

4．字符型LCD显示模块接口技术：

液晶显示模块与8031单片机的接口方法很多，这里只给出一种接法。

可让学生

在设计出其它的接口电路作为练习。

根据该接口电路，再给出显示软件流程图。

3．2．3图形式LCD显示器

在有些智能仪器中需要显示信号的波形或显示大量汉字，这时应采用图形式液晶显示器。

下面以MGLS-19264为例

介绍图形式液晶显示组件及其应用。

1．图形式LCD模块的引出线：

其中HD61202液晶显示驱动器是一种点阵图形式液晶显示驱动器，它可直接与8位微

处理器相联，它与HD61203配合对液晶屏进行行、列驱动。

各引脚的功能为：

∙VCC：

模块+5V电源输入端。

∙GND：

地线输入端。

∙VO：

显示亮度调节。

∙CSA、CSB：

芯片选择控制。

其值为00时选通HD61202

（1），即选择左屏有效；值为01时选通HD61202

（2），即选择中屏有效；值为10时选通HD61202（3），对应的选择右屏有效。

∙D/I：

数据、指令选择。

D/I=1时进行数据操作；D/I=0时写指令或读状态。

∙R/W：

读写选择信号。

R/W=1为读选通；R/W=0为写选通。

∙E：

读写使能信号。

在E的下降沿，数据被写入HD61202；在E高电平期间，数据被读出。

∙DB0~DB7：

数据总线。

2．控制信号的时序：

3．HD61202显示RAM的地址结构：

整个显示屏的64行分成8页。

因HD61202模块中有三个列驱动器，因此该显示器

分成了左、中、右三个显示屏。

三个显示屏唯一的不同就是每屏的有效地址不同。

显示屏是按页显示的。

每次从

数据总线上送来的数据对应显示屏的8行、1列，这种显示方式与微机上显示汉字的格式相差90度，这需要特别注意。

4．图形式LCD模块的指令简介

（1）显示开关命令：

0011111I/O

（2）显示起始行（ROW）设置指令：

11显示起始行（0~63）

（3）页（PAGE）设置指令：

10111页号（0~7）

（4）列地址设置命令：

01显示列地址（0~63）

（5）读状态指令：

BUSY0ON/OFFRESET0000

（6）写数据指令：

数据

（7）读数据指令：

数据

5．模块接口设计

根据该电路确定的液晶显示模块的端口地址为：

写指令

写数据

读状态

读数据

左屏

FFE8H

FFEAH

FFECH

FFEEH

中屏

FFF0H

FFF2H

FFF4H

FFF6H

右屏

FFF8H

FFFAH

FFFCH

FFFEH

对整个液晶的操作共有12个端口地址。

整个屏幕分为三屏，每屏分为8页，64列，每屏可显示4行4列共16个汉字。

汉字的点阵可从微机的字库中取出，并固化到程序存储器中。

§3-3触摸屏技术

一、教学目的：

了解触摸屏技术的发展，掌握电阻式触摸屏、红外式触摸屏、电容式触摸屏、表面声波式触摸屏的工作原理及其

特点。

通过触摸屏控制器ADS7843的学习，了解微机对触摸屏的控制方法。

二、本节目录

1．触摸屏简介

2．触摸屏的种类

3．触摸屏控制器ADS7843

三、参考章节

3．3．1触摸屏简介

触摸屏是一种新型的电脑输入设备,使用者仅需以手指触摸计算机显示屏上的图符或文字就能实现对主机操作,方便、快捷地查询想要的信息或资料，简单、直观地实现人与复杂机器的交流。

1．触摸屏的发展：

触摸屏的发展经历了从低档向高档发展的历程。

从红外屏、四线电阻屏到电容屏，现在又发展到声波触摸屏、五线电阻触摸屏，性能越来越可靠，技术越来越先进。

触摸屏在国内的应用可以追述到二十世纪80年代末。

2．触摸屏的技术特性

（1）透明性能：

衡量触摸屏透明性能不仅要从它的视觉效果来衡量，还应该包括透明度、色彩失真度、反光性和清晰度这四个特性。

（2）绝对坐标系统：

绝对坐标系统的特点是每一次定位坐标与上一次定位坐标没有关系，每次触摸的数据通过校准转为屏幕上的坐标，不管在什么情况下，触摸屏这套坐标在同一点的输出数据是稳定的。

（3）检测与定位：

3．3．2触摸屏的种类

1．电阻式触摸屏

（1）电阻式触摸屏的工作原理：

电阻触摸屏的主要部分是一块与显示器表面紧密配合的电阻薄膜屏，这是一种多层的复合薄膜，在两层导电层之间有许多细小的透明隔离点把它们隔开绝缘。

当手指触摸屏幕时，两层导电层在触摸点位置就有了一个接触，控制器检测到这个接通点并计算出X、Y轴的位置，这就是所有电阻技术触摸屏共同的最基本原理。

（2）电阻式触摸屏的优缺点：

电阻式触摸屏的优点：

它最大的优点是不怕油污，灰尘，水。

电阻式触摸屏的经济性很好，供电要求简单，非常容易产业化，而且适应的应用领域多种多样。

例如现在常用的PDA等手持设备，基本上都是采用电阻式触摸屏。

电阻触摸屏的缺点：

因为复合薄膜的外层采用塑胶材料,太用力或使用锐器触摸可能划伤整个触摸屏而导致报废。

2．红外式触摸屏

（1）红外式触摸屏的原理：

红外触摸屏以光束阻断技术为基本原理，在屏幕四边排布红外发射管和红外接收管，一一对应形成横竖交叉的由红外线组成的栅格。

当有任何物体进入这个栅格的时候，就会挡住经过该位置的横竖两条红外线，在红外线探测器上会收到变化的信号，因而可以判断出触摸点在屏幕的位置。

（2）红外式触摸屏的优缺点：

红外线式触摸屏的主要优点是价格低廉、安装方便、不需要卡或其它任何控制器，可以用在各档次的计算机上。

完全透光，不影响显示器的清晰度。

发光二极管寿命比较短，影响了整个触摸屏的寿命；靠感应红外线运作，外界光线变化均会影响其准确度；

3．电容式触摸屏

（1）电容式触摸屏的原理：

电容屏在原理上把人体当作一个电容器元件的一个电极使用，是利用人体的电流感应进行工作的。

（2）电容式触摸屏的优缺点：

电容式触摸屏是众多触摸屏中最可靠、最精确的一种。

电容屏反光严重，而且电容技术的四层复合触摸屏对各波长光的透光率不均匀，存在色彩失真的问题，电容屏更主要的缺点是漂移。

4．表面声波式触摸屏

（1）表面声波式触摸屏的原理：

超声波触摸屏通过屏幕纵向和横向边缘的压电换能器发射超声波来实现，在各自对面的边缘上装有超声波传感器，这样就在屏幕表面形成一个纵横交错的超声波栅格。

当手指或者其他柔性触摸笔接近屏幕表面时，接收波形对应手指挡住部位信号衰减了一个缺口，计算缺口位置即得触摸坐标。

（2）表面声波式触摸屏的优缺点：

表面声波触摸屏是众多触摸屏中较可靠、较精确的一种。

它的抗刮伤性良好，不受温度、湿度等环境因素影响，寿命长；透光率高，能保持清晰透亮的图像质量；没有漂移，只需安装时一次校正；有第三轴（即压力轴）响应。

表面声波屏也有不足之处，它需要经常维护，因为灰尘等会阻塞触摸屏表面的导波槽，使波不能正常发射，或使波形改变而控制器无法正常识别， 从而影响触摸屏的正常使用。

通过各种触摸屏的介绍，可对它们做一性能比较，并列出比较表。

3．3．3触摸屏控制器ADS7843

1．ADS7843的引脚

2．接口电路：

利用89C51的P1口6根引脚控制触摸屏。

3．控制信号时序：

§3-4RS-232C、RS-422/485串行总线数据通讯

一、教学目的：

   智能仪器与其它仪器或微机之间的数据传输，可以用并行通信和串行通信两种方式，当传输距离较远时，通常采用串行通信方式。

本节在掌握各种总线标准的基础上，要能熟练应用各种总线驱动芯片，实现数据的串行通信，

二、本节目录

1．RS-232总线标准及应用；

2．RS422/485标准总线及应用

3．各种总线性能比较

三、参考章节

3．4．1RS-232总线标准及应用

1．RS-232总线标准接口：

RS-232C是美国电子工业协会EIA（ElectronicIndustryAssociation）制定的一种串行物理接口标准。

RS是英文“推荐标准”的缩写，232为标识号，C表示修改次数。

完整的RS-232C接口有25根线，采用25芯的插头插座。

RS-232C另一种常用的插头是9芯插座，它的引脚信号功能为：

引脚号

信号名称

方向

信号功能

1

DCD

PC机←仪器

PC机收到远程信号（载波检测）

2

RXD

PC机←仪器

PC机接收数据

3

TXD

PC机→仪器

PC机发送数据

4

DTR

PC机→仪器

PC机准备就绪

5

GND

-

信号地

6

DSR

PC机←仪器

仪器准备就绪

7

RTS

PC机→仪器

PC机请求发送数据

8

CTS

PC机←仪器

仪器已切换到接收状态（清除发送）

9

RI

PC机←仪器

通知PC机，线路正常（振铃指示）

2．RS-232的电器特性

特性

参数

不带负载时驱动器输出电平U0

-25V～+25V

负载电阻RL范围

3～7kΩ

驱动器输出电阻R0

<300Ω

负载电容（包括线间电容）CL

<2500pF

逻辑“0”时驱动器输出电平

5～15V

逻辑“0”时负载端接收电平

>+3V

逻辑“1”时驱动器输出电平

-15～-5V

逻辑“1”时负载端接收电平

<-3V

输出短路电流

<500mA

驱动器转换速率

30V/μs

3．电平转换芯片：

RS-232C使用的是负逻辑。

其逻辑电平与TTL电平显然是不匹配的，为了实现RS-232C电平与TTL电平的连接，必须进行信号电平转换。

实现RS-232C标准电平与TTL电平间相互转换的接口芯片，目前常用的一种是MAX232。

管脚说明如下：

①C0+、C0-、C1+、C1-是外接电容端；

②R1IN、R2IN是2路RS-232C电平信号接收输入端；

③RlOUT、R2OUT是2路转换后的TTL电平接收信号输出端，送8051的RXD接收端；

④TlIN、T2IN是2路TTL电平发送输入端，接8051的TxD发送端；

⑤TlOUT、T2OUT是2路转换后的发送RS-232C电平信号输出端，接传输线；

⑥V+经电容接电源+5V；

⑦V-经电容接地。

这种连接的传输介质一般采用双绞线，通信距离一般不超过15m，传输率小于20kB/s。

3．4．2RS-422/485标准总线及其应用

1．RS-422串行总线标准：

RS-422A标准是EIA公布的“平衡电压数字接口电路的电气特性”标准。

RS-422A与RS-232C的关键不同在于把单端输入改为双端差分输入，信号地不再公用，双方的信号地也不再接在一起。

2．RS-485串行总线标准：

RS-485是RS-422A的变形。

RS-422A为全双工，可同时发送和接收；RS-485则为半双工，在某一时刻，一个发送另一个接收。

3．驱动芯片介绍：

RS-485接口芯片较多，下面仅以MAXIM公司的芯片为例简要介绍。

MAX488/MAX490的管脚图及典型工作电路如图3-30。

该电路适用于全双工通信。

3．4．3三种总线性能比较

RS-232C、RS-422A、RS485的性能比较见表

接口

性能

RS-232C

RS-422A

RS-485

操作方式

单端

差动方式

差动方式

最大距离/m

15（24kb/s）

1200（100kb/s）

1200（100kb/s）

最大速率

200kb/s

10Mb/s

10Mb/s

最大驱动器数目

1

1

32

最大接收器数目

1

10

32

接收灵敏度

±3V

±200mV

±200mV

驱动器输出阻抗

300Ω

60kΩ

120kΩ

接收器负载阻抗

3～7kΩ

>4kΩ

>12kΩ

负载阻抗

3～7kΩ

100Ω

60Ω

对共用点电压范围/V

±25

-0.25～+6

-7～12

§3-5USB通用串行总线及应用

一、教学目的：

在USB已逐渐成为PC必需的接口之一时，各种PC的电子消费产品也逐渐配置这种标准的接口。

在理解USB协议的基础上，掌握USB的基本特性以及USBHost功能的实现。

二、本节目录

1．USB的特点及基本特性

2．USB传输主机和设备

3．主机如何通信

4．USB接口

三、参考章节

3．5．1USB的特点及基本特性

1．USB特点：

（1）USB接口统一了各种接口设备的连接头，如通信接口，打印机接口，显示器输出，存储设备等，都采用相同的USB接口规范。

（2）即插即用（plug-and-play），并能自动检测与配置系统的资源。

（3）具有“热插拨“（hotattach&detach）的特性。

在操作系统的已开机执行状态中，随时可以插入或拔离USB设备，而不需要再另外关闭电源。

（4）USB最多可以连接127个接口设备。

（5）USB1.1的接口设备采用两种不同的速度：

12Mbps（全速）和1.5Mbps（慢速）。

USB2.0的传输速度最高可达到480Mbps，也即是480Mbit/s（换算后等于60Mbytes/s）。

2．USB基本构架：

USB采用四线电缆，其中两根是用来传送数据的串行通道，另两根为下游设备提供电源。

一般USB系统的基本构架可以分为三个主要的部分：

·USB主机控制器/根集