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I/O 界面原理與實習

I/O 界面原理與實習. 發光二極體 (LED) 顯示器. 單顆 LED 七段顯示器 點矩陣 LED 鍵盤輸入. 單顆 LED. LED 是二極體的一種，具有正負極性 使用時將其長腳接正電源，短腳接地時即可讓 LED 發亮 順向電壓降的範圍值由 1.2 ~ 3.0 伏特不等 為了延長其使用壽命，通常會利用一限流電阻串接 LED ，將其工作電流限制在 10 mA ~ 20 mA 之間. = 250 ( 歐姆 ). 如何讓 LED 閃爍. 為要讓 LED 點亮與熄滅交替進行，所輸入的「 1 」、「 0 」信號圖形

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Presentation Transcript

  1. I/O界面原理與實習

  2. 發光二極體(LED)顯示器 • 單顆LED • 七段顯示器 • 點矩陣LED • 鍵盤輸入

  3. 單顆LED • LED是二極體的一種，具有正負極性 • 使用時將其長腳接正電源，短腳接地時即可讓LED發亮 • 順向電壓降的範圍值由1.2 ~ 3.0伏特不等 • 為了延長其使用壽命，通常會利用一限流電阻串接LED，將其工作電流限制在10 mA ~ 20 mA之間 = 250 (歐姆)

  4. 如何讓LED閃爍 • 為要讓LED點亮與熄滅交替進行，所輸入的「1」、「0」信號圖形 • 這信號就是方波訊號，但其工作週期則不限定是50%的duty cycle。 • 若要讓LED產生閃爍感，則輸入之方波控制信號須為極低頻，其頻率要小於16Hz，否則人眼將就看不到閃爍現象，主要是因人的眼睛視覺暫留現象，一般而言，視覺暫留約在1/16秒到1/24秒之間，所以方波信的週期必須大於1/16秒，實際上最好取0.25秒以上，閃爍的感覺才會更真實

  5. 微控制器之計時方式 • 使用軟體延遲迴圈：利用微控制器執行一軟體延遲迴圈，利用執行此迴圈所需的指令週期數，配合供給之工作產率，即可產生所要的時間延遲。 • 使用硬體計時器：借助外部硬體計時器(Timer)，將欲延遲的時間設定給硬體計時器，當延遲時間到達時，硬體計時器會對微控制器產生硬體中斷，以告知延遲時間已到達。

  6. 使用軟體延遲迴圈 呼叫一次軟體延遲副程式所需之時間延遲為：T × [(Z˙Y + L)˙X + C]秒。

  7. 使用硬體計時器延遲 • 若供給外部硬體計時器之頻率f = 1kHz (週期為1 ms) • 若外部之硬體計時器為8-bit counter(最大的計數時間為256 ms)。 • EX: 系統要產生一個100 ms的時間延遲 • 可設定外部硬體計時器的初始值為156 • 即讓計時器是由156開始計數，當到達overflow時(即計時器由2550)即表示已經過了100 ms。

  8. 七段顯示器 • 段顯示器可分為 • 共陽(common anode) • 共陰(common cathode)

  9. 七段顯示器的驅動方式 • 靜態方式驅動七段顯示器

  10. 多工掃描驅動七段顯示器 • 利用人類眼睛視覺暫留現象 • 讓多顆七段顯示器輪流顯示，若輪流顯示的速度夠快的話，快到讓人眼睛不會感覺到閃爍現象(通常以50Hz以上的輪流顯示速度來驅動)，則感覺上即是每一顆七段顯示器皆同時在顯示 • 為了讓整個顯示之亮度與單獨顯示時差不多，若有N個七段顯示器，則每個七段顯示器在顯示時的亮度(即電流強度)可為單獨顯示時的N倍，這是因為每個七段顯示器的顯示時間僅為單獨使用時的1/N倍。

  11. 多工掃瞄七段顯示器 原理

  12. 由於人類之視覺暫留約為1/16秒 ~ 1/24秒，依經驗值將其取為1/50秒，即掃描頻率為50次/秒，故每隔1/50秒 = 20 ms即要掃描一次，因圖4.9之應用為6顆七段顯示器，故每一顆七段顯示器之顯示時間約為20/6 = 3.3 ms，可以取2 ms為七段顯示器之on時間。請注意：在掃描過程中，每個七段顯示器間必須有數十微秒的關閉時間(off time)以防止七段顯示器顯示時產生殘影。

  13. LAB二、 七段顯示器

  14. 七段顯示器之掃描時序 • 先將SegA要顯示之內容輸出至DB[7:0]； • 輸出控制信號SEG_SEL，將DB[7:0]的內容Latch在74573； • 輸出掃描信號SCAN2~SCAN0使PS0#為Lo，致能SegA，使其將74573之內容顯示出來； • 將步驟1~3重複，將要顯示之內容依序改為SegB、SegC、SegD • 重複1~4步驟。

  15. 四位元掃描顯示之行程示意圖

  16. 點矩陣LED • LED點矩陣結構 • 列陽行陰 • 列陰行陽

  17. 點矩陣LED驅動電路 • 驅動電路提供LED顯示所需之電流 • 其利用R0~R7之列信號輸出準位「0」或「1」來控制功率電晶體導通或截止，以決定是否供應該顯示列之LED顯示所需之電流，所謂顯示列即為輸出為「0」之Ri列。而該列之顯示內容則由行驅動電路C1~C5決定，其主要是作汲入電流用，當第i行之Ci值為「0」時，表顯示列之第i顆LED會亮，一般而言，行驅動電路大都採用能汲入(Sink)較大電流的IC。

  18. 驅動順序 • 將R1 ~ R7禁能(輸出為高電位) • 將R1所要顯示的資料放置於C1~C5上，然後將R1致能(輸出為低電位) • 延遲一段時間，再將R1禁能(輸出為高電位) • 將R2顯示器所要顯示的資料放置C1~C5上，然後將R2致能(輸出為低電位) • 延遲一段時間，再將R2禁能(輸出為低電位) • 與多工掃描七段顯示器同，因視覺暫留時間最短為1/16秒，所以掃描週期不能大於1/16秒，否則會感覺到跳動現象。一般掃描頻率越高，顯示之視覺效果越好。在此例中，若掃描頻率取40Hz，則掃描之週期為25 ms。 • 因LED共有7列，所以每列之顯示時間為 (ms)。

  19. LAB3、 點矩陣LED顯示控制

  20. 8×16點矩陣LED之驅動電路

  21. 依據移位(DM_GCLK)與更改資料匯流排(R0~R7)的順序，可以分為三種情況依據移位(DM_GCLK)與更改資料匯流排(R0~R7)的順序，可以分為三種情況 • Case 1 先移位再更改資料： • Case 2 先更改資料再移位： • Case 3先清除資料、移位、再更新資料：

  22. 點矩陣LED顯示控制流程 每條掃描線(C0~C15)維持為「0」的時間約 ，此處我們取用 為單一行所顯示之時間

  23. 鍵盤輸入控制 • 4×3矩陣鍵盤之連接

  24. 微控制器如何得知有按鍵被按 • 中斷(Interrupt)方式： • 當有按鍵被按時，有一外部硬體電路去偵測得知，並對微控制器產生硬體中斷信號 • 以鍵盤主動通知微控制器，平常無按鍵時，微控制器可處理其它部份之程式。 • 詢問(Polling)方式： • 微控制器以軟體方式，定期去詢問外部鍵盤是否有按鍵被按。 • 以微控制器為主動，需一段時間即去詢問外部之鍵盤以得知其狀況，所以較耗微控制器之處理時間。

  25. 軟體掃描方式 • 4×3矩陣鍵盤與微控制器連接圖

  26. 開關接點彈跳(contact bounce) • 決按鍵彈跳現象的方法有二： • 硬體濾波：利用硬體濾波器產生較平滑的電壓變化。 • 軟體延遲：當軟體偵測到有鍵盤被按時，利用程式等待一段時間，讓按鍵之接點開關穩定後，再去讀取按鍵值。

  27. 避免短路之矩陣鍵盤與微控制器之接法 • 當所按下的兩鍵為同一行時，由於R1~R4之掃描輸出同時只有一列為「0」，其餘為「1」輸出，所以此時會讓此兩鍵所連接的兩列的掃描輸出短路，造成微控制器的相對輸出埠可能因此而受損

  28. 鍵盤掃描與七段顯示器掃描的結合

  29. LAB4、 鍵盤輸入控制

  30. 鍵盤掃描之時序

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