X+ Y+ ^∧■ 图12.工作时的导体层 表1.3.三种触摸屏技术的比较 触摸屏类型工作原理触摸方式安装方式透明度易用性 电阻式电压测量笔、手指点压显示屏前一般 电容式 电容耦合金属笔尖、手显示屏前比电阻式好 般 指接触 电感式电磁谐振笔尖接近感显示屏后 好 好 1.1.33.语音输入输出技术 用户不断地要求所用的嵌入式装置更小、更轻便同时又更易于使用,能解决这三方面问 题的一种可行技术就是语音识别。这种技术由于去掉了传统的输入器件,故具有更小和更轻 便的特点。语音识别输入的实现可以在嵌入式处理器功能足够强大时用相应的软件实现,也 可以使用专用芯片增加一个硬件功能模块。前者对嵌入式系统硬件配置的要求较高,如处理 器的速度和存储器的容量等。后者则通过专门的DSP芯片来完成语音识别输入过程中的所 有运算工作,不会加重系统主处理器的负担。这种专用的语音识别芯片现在已经有多种产品 出现了。如 sensory公司的语音识别芯片系列,内部采用神经网络技术来识别训练过的单词 或短语,准确度高于99%。并且芯片高度集成化,减少了所需外部元器件的数目。可以快 速和方便地嵌入到现存的和新设计的产品中,适用于多种需要语音控制的嵌入式产品。 语音识别技术以识别方法来分,有模板匹配法、随机模型法和概率语法分析法。这三种 方法都属于统计模式识别方法。它的识别过程大致如下:首先选定语音的特征作为识别参数 的模板,然后采用一可以衡量未知模式和参考模式(即模板)的似然度的测量函数,最后选 用一种最佳准则及专家知识作为识别策略,对识别候选者作最后判决,得到最好的识别结果 作为输出。以识别范围来分,分为语音从属( speaker-dependent)模式和语音独立 ( speaker-independent)模式。语音从属意味着必须有培训系统,而且通常它只可识别培训 系统的人所讲的词。语音独立系统则可识别几乎所有讲话人的词。从目前水平来看,语音从
- 10 - 图 1.2. 工作时的导体层 表 1.3. 三种触摸屏技术的比较 触摸屏类型 工作原理 触摸方式 安装方式 透明度 易用性 电阻式 电压测量 笔、手指点压 显示屏前 一般 好 电容式 电容耦合 金属笔尖、手 指接触 显示屏前 比电阻式好 一般 电感式 电磁谐振 笔尖接近感 应 显示屏后 好 好 1.1.3.3. 语音输入输出技术 用户不断地要求所用的嵌入式装置更小、更轻便同时又更易于使用，能解决这三方面问 题的一种可行技术就是语音识别。这种技术由于去掉了传统的输入器件，故具有更小和更轻 便的特点。语音识别输入的实现可以在嵌入式处理器功能足够强大时用相应的软件实现，也 可以使用专用芯片增加一个硬件功能模块。前者对嵌入式系统硬件配置的要求较高，如处理 器的速度和存储器的容量等。后者则通过专门的 DSP 芯片来完成语音识别输入过程中的所 有运算工作，不会加重系统主处理器的负担。这种专用的语音识别芯片现在已经有多种产品 出现了。如 sensory 公司的语音识别芯片系列，内部采用神经网络技术来识别训练过的单词 或短语，准确度高于 99％。并且芯片高度集成化，减少了所需外部元器件的数目。可以快 速和方便地嵌入到现存的和新设计的产品中，适用于多种需要语音控制的嵌入式产品。 语音识别技术以识别方法来分，有模板匹配法、随机模型法和概率语法分析法。这三种 方法都属于统计模式识别方法。它的识别过程大致如下：首先选定语音的特征作为识别参数 的模板，然后采用一可以衡量未知模式和参考模式（即模板）的似然度的测量函数，最后选 用一种最佳准则及专家知识作为识别策略，对识别候选者作最后判决，得到最好的识别结果 作为输出。以识别范围来分，分为语音从属（speaker-dependent）模式和语音独立 （speaker-independent）模式。语音从属意味着必须有培训系统，而且通常它只可识别培训 系统的人所讲的词。语音独立系统则可识别几乎所有讲话人的词。从目前水平来看，语音从
属模式下的模板匹配法用得比较广泛 语音识别技术在嵌入式系统上的使用,不仅可以通过声音命令来控制设备,还可将 输入的声音转换为文本,使得用户就能用声音口述需要输入的文本。如果再加上语音合成 输出功能,就可以在嵌入式系统中实现书面语言和口头语言的双向转换,从而构成完整的语 音输入输出功能。 1.1.3.4.键盘 键盘输入作为最常用的输入设备仍有其不可替代的作用 首先,对传统键盘作一个简单的介绍 传统键盘的介绍 键盘的结构通常有两种形式:线性键盘和矩阵键盘。在不同的场合下,这两种键盘均 得到了广泛的应用 线性键盘由若干个独立的按键组成,每个按键的一端与微机的一个ⅣO口相连。有多少 个键就要有多少根连线与微机的O口相连,因此,只适用于按键少的场合 矩阵键盘的按键按N行M列排列,每个按键占据行列的一个交点,需要的O口数目 是N+M,容许的最大按键数是N×M。显然,矩阵键盘可以减少与微机接口的连线数,简 化结构,是一般微机常用的键盘结构。根据矩阵键盘的识键和译键方法的不同,矩阵键盘又 可以分为非编码键盘和编码键盘两种。 ◇非编码键盘 非编码键盘主要用软件的方法识键和译键。根据扫描方法的不同,可以分为行扫描法 列扫描法和反转法三种 ◇编码键盘 编码键盘主要用硬件来实现键的扫描和识别,通常使用8279专用接口芯片,在硬件上 要求较高 新型键盘的硬件和软件实现原理 有些特殊情况下,在组成一个最小的单片机系统的过程中,由于通用的MO口有限,而 又需要大量的按键输入,这就要求一种新的键盘结构,即用尽量少的ⅣO口实现尽可能多的 键盘输入。经过分析,实际上用N+1个O口,辅以适当的接口电路,是可以实现N×N个 按键的。现以6个端口实现5×5的按键为例来叙述 1.硬件实现 图13所示为用6个MO口来实现25个按键的示意图 中断和接口电路 po6(中断) H port. 「3 port4MCU 臼回图回 A回回回 回国回回)|pan2 图四画国回 矩阵键盘 图13.6个O口实现的5×5按键矩阵的示意图 11
- 11 - 属模式下的模板匹配法用得比较广泛。 语音识别技术在嵌入式系统上的使用，不仅可以通过声音命令来控制设备，还可将 输入的声音转换为文本，使得用户就能用声音口述需要输入的文本。如果再加上语音合成 输出功能，就可以在嵌入式系统中实现书面语言和口头语言的双向转换，从而构成完整的语 音输入输出功能。 1.1.3.4. 键盘 键盘输入作为最常用的输入设备仍有其不可替代的作用。 首先，对传统键盘作一个简单的介绍。 z 传统键盘的介绍 键盘的结构通常有两种形式：线性键盘和矩阵键盘。在不同的场合下，这两种键盘均 得到了广泛的应用。 线性键盘由若干个独立的按键组成，每个按键的一端与微机的一个 I/O 口相连。有多少 个键就要有多少根连线与微机的 I/O 口相连，因此，只适用于按键少的场合。 矩阵键盘的按键按 N 行 M 列排列，每个按键占据行列的一个交点，需要的 I/O 口数目 是 N+M，容许的最大按键数是 N×M。显然，矩阵键盘可以减少与微机接口的连线数，简 化结构，是一般微机常用的键盘结构。根据矩阵键盘的识键和译键方法的不同，矩阵键盘又 可以分为非编码键盘和编码键盘两种。 ◇ 非编码键盘 非编码键盘主要用软件的方法识键和译键。根据扫描方法的不同，可以分为行扫描法、 列扫描法和反转法三种。 ◇ 编码键盘 编码键盘主要用硬件来实现键的扫描和识别，通常使用 8279 专用接口芯片，在硬件上 要求较高。 z 新型键盘的硬件和软件实现原理 有些特殊情况下，在组成一个最小的单片机系统的过程中，由于通用的 I/O 口有限，而 又需要大量的按键输入，这就要求一种新的键盘结构，即用尽量少的 I/O 口实现尽可能多的 键盘输入。经过分析，实际上用 N+1 个 I/O 口，辅以适当的接口电路，是可以实现 N×N 个 按键的。现以 6 个端口实现 5×5 的按键为例来叙述。 1. 硬件实现 图 1.3.所示为用 6 个 I/O 口来实现 25 个按键的示意图。 图 1.3. 6 个 I/O 口实现的 5×5 按键矩阵的示意图
PORT PROTI PORT2 PORT3 PORT4 PORT5 云 4s5 ■s10 S23$24 Q 图14.6个O口实现的5×5按键矩阵的原理图 具体的物理实现电路如图14所示。 由图1.3.和图1.4.可见,硬件部分分为两块:一块是普通键盘矩阵,另外一块 是中断和接口电路,主要由相应数目的二极管和电阻组成。具体对6个O口的情 况,实现5×5的按键矩阵的中断和接口电路(图14.)共需要10只二极管、12 只电阻和1只三极管。10只二极管按其在电路中所起的作用可分为两组:第一组 包括D6、D7、D8、D9和D10,用于保证按键信息的单一流向:第二组包括D1、 D2、D3、D4和D5,它们在电路上对NPN三极管的基极构成"或"的逻辑关系,对 单片机进行初始化。除了PORI6(其要求具有中断功能)以外,其余的O口均 被置成高电平,这样当有键按下时,三极管的基极由低变高,三极管导通;集电极 由高电平跳变成低电平,向单片机发出中断信号,从而启动键盘扫描程序 按键的识别主要靠软件来实现,需要编写键盘扫描程序。为了更好地说明键盘 扫描的过程,假设编号为S12的键(见图14)被按下,扫描程序已经启动,扫描 的具体过程如表14所列
- 12 - 图 1.4. 6 个 I/O 口实现的 5×5 按键矩阵的原理图 具体的物理实现电路如图 1.4.所示。 由图 1.3.和图 1.4.可见，硬件部分分为两块：一块是普通键盘矩阵，另外一块 是中断和接口电路，主要由相应数目的二极管和电阻组成。具体对 6 个 I/O 口的情 况，实现 5×5 的按键矩阵的中断和接口电路（图 1.4.）共需要 10 只二极管、12 只电阻和 1 只三极管。10 只二极管按其在电路中所起的作用可分为两组：第一组 包括 D6、D7、D8、D9 和 D10，用于保证按键信息的单一流向；第二组包括 D1、 D2、D3、D4 和 D5，它们在电路上对 NPN 三极管的基极构成"或"的逻辑关系，对 单片机进行初始化。除了 PORT6（其要求具有中断功能）以外，其余的 I/O 口均 被置成高电平，这样当有键按下时，三极管的基极由低变高，三极管导通；集电极 由高电平跳变成低电平，向单片机发出中断信号，从而启动键盘扫描程序。 按键的识别主要靠软件来实现，需要编写键盘扫描程序。为了更好地说明键盘 扫描的过程，假设编号为 S12 的键（见图 1.4.）被按下，扫描程序已经启动，扫描 的具体过程如表 1.4.所列
表14.键盘扫描过程 P3 P4 P5 P6 说明 OHI|I1 I IPOR1被置成高电平输出,其他端口作为输入 H LL H读入各端口的值,为100001,与编码表进行比较,京判断 没有键按下,继续下一步 I PORT2被置成高电平输出,其他端口作为输入 LHHLLL PORT2和PORT3与S12相连,此时均为高电平,读入各端 口的值为01100,与编码表比较,可以判断有键按下并且 键值唯 P一 PORT O一输出I一输入H一高电平L一低电平 1.1.4.电源转换与管理 电源是电子产品中一个组成部分,为了使电路性能稳定,往往还需要稳定电源。设计者 要根据产品的要求来选择合适的电源IC。为了合理地选择电源IC,首先要了解各种电源 及其特点 1.1.4.1.电源IC分类 根据不同的工作原理可将电源分成三类:线性稳压电源、开关稳压电源及电荷泵电源 它们各自都有一定的特点及适用范围,这里分别作一简介。 (1)线性稳压电源 线性稳压电源是因其内部调整管工作在线性范围而得名。一般认为线性稳压电源的输入 电压与输出电压之间的电压差(一般称为压差)大,调整管上的损耗大,效率低。但近年来 开发出各种低压差(LDO)的新型线性稳压器IC,一般可达到达输出100mA电流时,其压 差在100mV左右的水平(甚至于到70-8m的水平),某些小电流的低压差线性稳压器其 压差仅几十毫伏。这样,调整管的损耗较小,效率也有较大的提高,因此可减少功耗。另外, 线性稳压电源外围元件最少、输出噪声最小、静态电流最小,价格也便宜。 (2)开关稳压电源 在便携式电子产品中,开关稳压电源主要指DCDC变换器。由于器件中有一个工作在 开关状态的晶体管(一般是 MOSFET),故称为开关电源。开关管工作于饱和导通及截止两 种状态,所以开关管管耗小并且与输入电压大小无关,效率较高(一般可达80~95%)、可 以输出大电流、静态电流小。随著集成度的提高,许多新型DC-DC转换器仅需要几只外接 电感器和滤波电容器。但是,这类电源控制器的输出脉动和开关噪音较大、成本相对较高 DC/DC变换器IC包括升压式(VOUT>VIN)、降压式(VOUT<VIN)和反相式(也叫 电压反转式)等电路。降压式主要用于工作电流大于1A以上的场合,如笔记本式计算机等 反相式DC/DC变换器的特点是可以获得负电压,并且可获得大于输入电压的负压,即 VOUT>VIN,可输出较大的电流。但采用电荷泵电路来获得负压更为简单,并且有带线 性稳压输出的电荷泵IC,所以电压反转式DC/DC变换器也很少用。 (3)电荷泵电源 电荷泵的工作原理是利用高频振荡器控制电容的充、放电,将能量由输入传给负载(输 出)。其特点是体积小,电路结构简单,可产生输入的反相或倍压输出。基本的电荷泵电路
- 13 - 表 1.4. 键盘扫描过程 P1 P2 P3 P4 P5 P6 说明 OH I I I I I PORT1 被置成高电平输出，其他端口作为输入 H L L L L H 读入各端口的值，为 100001，与编码表进行比较，京判断 没有键按下，继续下一步 I OH I I I I PORT2 被置成高电平输出，其他端口作为输入 L H H L L L PORT2 和 PORT3 与 S12 相连，此时均为高电平，读入各端 口的值为 011000，与编码表比较，可以判断有键按下并且 键值唯一 P－PORT O－输出 I－输入 H－高电平 L－低电平 1.1.4. 电源转换与管理 电源是电子产品中一个组成部分，为了使电路性能稳定，往往还需要稳定电源。设计者 要根据产品的要求来选择合适的电源 IC。为了合理地选择电源 IC，首先要了解各种电源 IC 及其特点。 1.1.4.1. 电源 IC 分类 根据不同的工作原理可将电源分成三类：线性稳压电源、开关稳压电源及电荷泵电源。 它们各自都有一定的特点及适用范围，这里分别作一简介。 （1） 线性稳压电源 线性稳压电源是因其内部调整管工作在线性范围而得名。一般认为线性稳压电源的输入 电压与输出电压之间的电压差（一般称为压差）大，调整管上的损耗大，效率低。但近年来 开发出各种低压差（LDO）的新型线性稳压器 IC，一般可达到达输出 100mA 电流时，其压 差在 100mV 左右的水平（甚至于到 70-80mv 的水平），某些小电流的低压差线性稳压器其 压差仅几十毫伏。这样，调整管的损耗较小，效率也有较大的提高，因此可减少功耗。另外， 线性稳压电源外围元件最少、输出噪声最小、静态电流最小，价格也便宜。 （2）开关稳压电源 在便携式电子产品中，开关稳压电源主要指 DC/DC 变换器。由于器件中有一个工作在 开关状态的晶体管（一般是 MOSFET），故称为开关电源。开关管工作于饱和导通及截止两 种状态，所以开关管管耗小并且与输入电压大小无关，效率较高（一般可达 80～95%）、可 以输出大电流、静态电流小。随著集成度的提高，许多新型 DC-DC 转换器仅需要几只外接 电感器和滤波电容器。但是，这类电源控制器的输出脉动和开关噪音较大、成本相对较高。 DC/DC 变换器 IC 包括升压式（VOUT>VIN）、降压式（VOUT< VIN）和反相式（也叫 电压反转式）等电路。降压式主要用于工作电流大于 1A 以上的场合，如笔记本式计算机等。 反相式 DC/DC 变换器的特点是可以获得负电压，并且可获得大于输入电压的负压，即 |-VOUT| >VIN，可输出较大的电流。但采用电荷泵电路来获得负压更为简单，并且有带线 性稳压输出的电荷泵 IC，所以电压反转式 DC/DC 变换器也很少用。 （3）电荷泵电源 电荷泵的工作原理是利用高频振荡器控制电容的充、放电，将能量由输入传给负载（输 出）。其特点是体积小，电路结构简单，可产生输入的反相或倍压输出。基本的电荷泵电路
的成本较低,它的优点是无需电感,只需要几个外接电容器,体积较小,效率高达95% 由於开关不停地动作,产生的噪声比较大,静态电流也比较大。另外,这种电路的输出电压 只能取输入电压的倍数,例如,用四个内部开关和一个外接电容器就能够产生2ⅤIN、/2VN 或-ⅤIN的输出。使用几个这样的充电泵可以得到其它倍数的输出电压,然而成本和静态电 流也会增加。所以,在传统的设计中,电荷泵很少直接地接到电源上,而是把它接在稳压器 後面,用它产生辅助电源,为某一个器件供电。 1.142.电源IC的特点 由上节可见,电源IC种类繁多,它们的共同特点有 (1)工作电压低 般的工作电压为30~36V。有一些工作电压更低,如20、2.5、2.7V等;也有一些 工作电压为5V,还有少数12V或28V的特殊用途的电压源。 (2)工作电流不大 从几亳安到几安都有,但由于大多数嵌入式电子产品的工作电流小于300mA,所以30 300mA的电源IC在品种及数量上占较大的比例 (3)封装尺寸小 近年来发展的便携式产品都采用贴片式器件,电源IC也不例外,主要有SO封装、SC T-23封装,μMAX封装及封装尺寸最小的SC-70及最新的SMD封装等,使电源占的空间 越来越小 (4)完善的保护措施 新型电源IC有完善的保护措施,这包括:输出过流限制、过热保护、短路保护及电池 极性接反保护,使电源工作安全可靠,不易损坏。 (5)耗电小及关闭电源功能 新型电源IC的静态电流都较小,一般为几十μA到几百μA。个别微功耗的线性稳压 器其静态电流仅1.1μA。另外,不少电源lC有关闭电源控制端功能(用电平来控制),在 关闭电源状态时IC自身耗电在1uA左右。由于它可使一部分电路不工作,可大大节省电 能。例如,在无线通信设备上,在发送状态时可关闭接收电路;在未接收到信号时可关闭显 示电路等。 (5)有电源工作状态信号输出 不少便携式电子产品中有单片机,在电源因过热或电池低电压而使输出电压下降一定百 分数时,电源IC有一个电源工作状态信号输给单片机,使单片机复位。利用这个信号也可 以做成电源工作状态指示(当电池低电压时,有LED显示)。 (6)输出电压精度高 般的输出电压精度为±2~4%之间,有不少新型电源IC的精度可达±05~±1%;并 且输出电压温度系数较小,一般为±0.3~±0.5mV℃,而有一些可达到±0mv℃的水平 线性调整率一般为005%~0.1%V,有的可达001%V:负载调整率一般为0.3~0.5%/mA, 有的可达001%mA (7)新型组合式电源IC 升压式DC/DC变换器的效率高但纹波及噪声电压较大,低压差线性稳压器效率低但噪 声最小,这两者结合组成的双输出电源IC可较好地解决效率及噪声的问题。例如,数字电 路部分采用升压式DCDC变换器电源而对噪声敏感的电路采用LDO电源。这种电源IC有 MAX710/711,MAX1705/1706等。另一种例子是电荷泵+LDO组成,输出稳压的电荷泵电 源IC,例如MAX868,它可输出0~-2VIN可调的稳定电压,并可提供30mA电流;MAX1673 稳压型电荷泵电源IC输出与VN相同的负压,输出电流可达125mA。 1.143.电源IC选用指南 选择电源IC不仅仅要考虑满足电路性能的要求及可靠性,还要考虑它的体积、重量及
- 14 - 的成本较低，它的优点是无需电感，只需要几个外接电容器，体积较小，效率高达 95 %。 由於开关不停地动作，产生的噪声比较大，静态电流也比较大。另外，这种电路的输出电压 只能取输入电压的倍数，例如，用四个内部开关和一个外接电容器就能够产生 2 VIN、1/2 VIN 或-VIN 的输出。使用几个这样的充电泵可以得到其它倍数的输出电压，然而成本和静态电 流也会增加。所以，在传统的设计中，电荷泵很少直接地接到电源上，而是把它接在稳压器 後面，用它产生辅助电源，为某一个器件供电。 1.1.4.2. 电源 IC 的特点 由上节可见，电源 IC 种类繁多，它们的共同特点有： （1）工作电压低 一般的工作电压为 3.0～3.6V。有一些工作电压更低，如 2.0、2.5、2.7V 等；也有一些 工作电压为 5V，还有少数 12V 或 28V 的特殊用途的电压源。 （2）工作电流不大 从几毫安到几安都有，但由于大多数嵌入式电子产品的工作电流小于 300mA，所以 30～ 300mA 的电源 IC 在品种及数量上占较大的比例。 （3）封装尺寸小 近年来发展的便携式产品都采用贴片式器件，电源 IC 也不例外，主要有 SO 封装、SO T-23 封装，μMAX 封装及封装尺寸最小的 SC-70 及最新的 SMD 封装等，使电源占的空间 越来越小。 （4）完善的保护措施 新型电源 IC 有完善的保护措施，这包括：输出过流限制、过热保护、短路保护及电池 极性接反保护，使电源工作安全可靠，不易损坏。 （5）耗电小及关闭电源功能 新型电源 IC 的静态电流都较小，一般为几十μA 到几百μA。个别微功耗的线性稳压 器其静态电流仅 1.1μA。另外，不少电源 IC 有关闭电源控制端功能（用电平来控制），在 关闭电源状态时 IC 自身耗电在 1μA 左右。由于它可使一部分电路不工作，可大大节省电 能。例如，在无线通信设备上，在发送状态时可关闭接收电路；在未接收到信号时可关闭显 示电路等。 （5）有电源工作状态信号输出 不少便携式电子产品中有单片机，在电源因过热或电池低电压而使输出电压下降一定百 分数时，电源 IC 有一个电源工作状态信号输给单片机，使单片机复位。利用这个信号也可 以做成电源工作状态指示（当电池低电压时，有 LED 显示）。 （6）输出电压精度高 一般的输出电压精度为±2～4%之间，有不少新型电源 IC 的精度可达±0.5～±1%；并 且输出电压温度系数较小，一般为±0.3～±0.5mV/℃，而有一些可达到±0.1mV/℃的水平。 线性调整率一般为 0.05%～0.1%/V，有的可达 0.01%/V；负载调整率一般为 0.3～0.5%/mA， 有的可达 0.01%/mA。 （7）新型组合式电源 IC 升压式 DC/DC 变换器的效率高但纹波及噪声电压较大，低压差线性稳压器效率低但噪 声最小，这两者结合组成的双输出电源 IC 可较好地解决效率及噪声的问题。例如，数字电 路部分采用升压式 DC/DC 变换器电源而对噪声敏感的电路采用 LDO 电源。这种电源 IC 有 MAX710/711，MAX1705/1706 等。另一种例子是电荷泵+LDO 组成，输出稳压的电荷泵电 源 IC，例如 MAX868，它可输出 0～-2VIN 可调的稳定电压，并可提供 30mA 电流；MAX1673 稳压型电荷泵电源 IC 输出与 VIN 相同的负压，输出电流可达 125mA。 1.1.4.3. 电源 IC 选用指南 选择电源 IC 不仅仅要考虑满足电路性能的要求及可靠性，还要考虑它的体积、重量及