学会阅读硬件的原理图、数据手册大全

参考： 郭天祥：https://www.bilibili.com/video/BV1DW411a7mz?p=8
韦东山：https://www.bilibili.com/video/BV1ga4y1Y7PL?p=4
洋桃电子：https://www.bilibili.com/video/BV1eW411J7cf?p=2&spm_id_from=pageDriver

硬件接口的四大类

参考书籍：

• 《微机原理》：侧重于计算机结构
• 《数字电子技术基础 》：侧重于门电路

1. GPIO和门电路

GPIO：general peripheral input/ouput，通用的外设输入、输出接口。

这类电路通常只使用一个引脚：

• 可以设置为输出
  • 可以输出高、低电平
  • 比如用来控制LED
• 也可以设置为输入
  • 可以读取引脚电平，判断当前是高电平还是低电平
  • 比如用来判断按键是否被按下
• 可以接上各类晶体管(二极管、三极管等)实现逻辑运算

2. 协议类

比如：UART、I2C、SPI、Nand、TFT LCD。

如果两个设备之间要传输的数据比较复杂，可以约定一些规则。这类接口被称为"协议类"接口。

当然可以只使用一条GPIO引脚来传输复杂的数据，比如红外遥控器、温度传感器等。也可使用多条线路来传输数据，比如UART、I2C、SPI等。比如TFT LCD的接口线将近30条。

例子：

• I2C接口

  • 硬件连接

• I2C协议
  

3. 类似内存的接口(ram-like)

比如：Nor Flash、SDRAM、DDR、网卡DM9000等。

• 内存：可以读写某个地址上的数据，所以必定有这些信号
  • 地址总线
  • 数据总线
  • 读/写信号
  • 片选（cs）：ram-like接口上可以接多个设备，互相之间不能干扰，选中哪个设备哪个设备才能响应
• 很多设备也采用类似内存的接口，比如Nor Flash、8080接口的LCD
• 例子
  

4. 模拟电路

数字电路上传输的电压值只有2类取值，比如

• 2.xV到3.3V，抽象为逻辑值1
• 0V到1.xV，抽象为逻辑值0

模拟电路上传输的电压可以是各种各样的，比如以下两个电路：

• ADC电路中：可以读取滑动电阻器上的触点电压值
• DAC电路中：可以输出不同的电压值，用来控制LED的亮度(数字电路里LED只有亮、灭两个状态)

读取滑动电阻器上的触点电压值

• DAC电路中：可以输出不同的电压值，用来控制LED的亮度(数字电路里LED只有亮、灭两个状态)

GPIO与门电路

1. GPIO的应用

GPIO可以设置为输出、输入：

• 输出功能

  • LED

  • 发射红外信号

  • 控制电机

  • 蜂鸣器

  • 数码管

• 输入功能

  • 按键
  • 接收红外信号
  • 人体感应

• 实现各类协议

  • 读取温湿度传感器数据
  • 其实UART等也是使用GPIO来实现的

2. GPIO引脚操作

怎么用一个GPIO来控制LED？换句话说，怎么让一个GPIO输出高、低电平？

2.1 设置引脚为GPIO功能

芯片内部有很多模块，比如GPIO、UART(串口)。
一个引脚，可以接到模块A，也可以接到模块B，比如上图中的引脚gpio0_0，可以接到GPIO group 0，也可以接到UART。
可以设置某些寄存器(比如io_mux)，选择引脚的功能。

2.2 设置引脚方向

假设一个引脚被设置成了GPIO功能，那么它是用作输出，还是输入？
在GPIO模块内部，一般都有一个方向选择寄存器，里面每一位用来控制一个引脚的方向。
比如GPIO group 0中有一个gpio0_dir_reg寄存器，

• 它的bit 0写入1，表示gpio0_0被设置为输出
• 它的bit 0写入0，表示gpio0_0被设置为输入

2.3 设置/读取引脚数值

一个GPIO引脚被设置成输出，那么怎样设置它的输出电平？
一个GPIO引脚被设置成输入，那么怎样读取它的输入电平？
在GPIO模块内部，一般都有一个数据寄存器，里面每一位用来控制一个引脚的输出电平。
比如GPIO group 0中有一个gpio0_data_reg寄存器，

• 写数据
  • 它的bit 0写入1，表示gpio0_0输出高电平
  • 它的bit 0写入0，表示gpio0_0输出低电平
• 读数据
  • 如果bit 0等于1，表示gpio0_0为高电平
  • 如果bit 0等于0，表示gpio0_0为低 电平

3. 二极管

参考资料：图文详解二极管原理

• 二极管的箭头表示正向电流的方向

• 二极管的电流具有单向性

• 假设正极、负极之间的电压为V

  • 当V大于某个阈值(比如0.7V)，二极管就导通，导通时电阻约等于0
  • 当V<0，二极管不会导通，电阻无穷大

• 内部结构：由PN节组成，P代表正极(positive)，N代表负极(negative)

• 二极管中流动的是电子，电流方向是从正极到负极，电子流动的方向是从负极到正极

• 使用二极管

  • 比如：使用二极管防止电源接反是烧坏电路

  

4. 三极管

参考资料：三极管工作原理分析精辟透彻看后你就懂

可以使用二极管的特性制作成三极管，组成开关电路。

三极管实物图：

三极管可以分为：NPN三极管、PNP三极管。

4.1 NPN三极管

• 扩散
  • 物质会从浓度大的地方扩散到浓度低的地方
  • 比如墨水滴入水中，墨水会四处散开
  • 比如臭味会四处散开
  • 电子也会有扩散作用
• 三极管原理
  • 当be之间的PN节加上正向电压，电子从e极的’N’大量往‘P’移动(所以e被称为发射极)
  • 电子在’P’大量聚集，一部分通过b极流走，另一部分通过c极扩散出去(c起收集作用，所以被称为集电极)
    • 电子流动方向如图中红色箭头所示
    • 电流方向与电子流动方向相反：be之间电流从b到e，ce之间电流从c到e
• 三极管的使用
  • 当Vcon等于0.7V左右，be之间的PN节打通，c极相当于直接连接e，V2=0
  • 当Vcon等于0V，be之间的PN节没打通，c极相当于断开，V2=V
  • 所以，可以用Vcon来控制V2

4.2 PNP三极管

• 扩散
  • 物质会从浓度大的地方扩散到浓度低的地方
  • 比如墨水滴入水中，墨水会四处散开
  • 比如臭味会四处散开
  • 电子也会有扩散作用
• 三极管原理
  • 当eb之间的PN节加上正向电压，空穴从e极的’N’大量往‘P’移动(所以e被称为发射极)
  • 空穴在’P’大量聚集，一部分通过b极流走，另一部分通过c极扩散出去(c起收集作用，所以被称为集电极)
    • 空穴流动方向如图中红色箭头所示
    • 电流方向与空穴流动方向相同：eb之间电流从e到b，ec之间电流从e到c
• 三极管的使用
  • 当Vcon为高电压(比如3.3V)，eb之间的PN节打通，c极相当于直接连接e，V2=Vcon
  • 当Vcon等于0V，eb之间的PN节没打通，c极相当于断开，V2=0
  • 所以，可以用Vcon来控制V2

流从e到b，ec之间电流从e到c

• 三极管的使用
  • 当Vcon为高电压(比如3.3V)，eb之间的PN节打通，c极相当于直接连接e，V2=Vcon
  • 当Vcon等于0V，eb之间的PN节没打通，c极相当于断开，V2=0
  • 所以，可以用Vcon来控制V2

LED电路与操作

1. LED实物

2. LED电路

• 方式1
  • 芯片引脚输出高电平，LED被点亮
  • 芯片引脚输出低电平，LED被熄灭
  • 缺点：芯片引脚的驱动能力可能不够，LED亮度低
• 方式2
  • 芯片引脚输出低电平，LED被点亮
  • 芯片引脚输出高电平，LED被熄灭
  • 缺点：电流进入芯片过大时，可能烧毁芯片
• 方式3
  • 芯片引脚输出高电平，三极管导通，LED被点亮
  • 芯片引脚输出低电平，三极管不导通，LED被熄灭
• 方式4
  • 芯片引脚输出低电平，第一个三极管不导通，第二个三极管导通，LED被点亮
  • 芯片引脚输出高电平，第一个三极管导通，第二个三极管不导通，LED被熄灭

三极管导通，第二个三极管不导通，LED被熄灭

同步与异步

1. 概念

同步(synchronous)、异步(asynchronous)，使用生活例子来说就是：

• 同步：朋友打电话说到我家吃饭，我在家里等他们
• 异步：朋友没有提前打招呼，突然就到我家来了

1.1 同步信号示例

在电子产品中，使用同步信号进行传输时，一般涉及两个信号：

• 时钟信号：用来通知对方要读取数据了
• 数据信号：用来传输数据

比如：

• 时钟信号：打电话，起约定作用
• 数据信号：传输数据

1.2 异步信号示例

使用异步信号传输数据时，双方遵守相同的约定：

• 起始信号：发送方可以通知接收方"注意了，我要开始传输数据了"

• 数据的表示

  • 怎么表示逻辑1
  • 怎么表示逻辑0

以红外遥控器解码器为例，它向单片机发出的数据格式如下：

• 起始信号：解码器发出一个9ms的低电平、4.5ms的高电平，用来同时对方说"开始了"
  

• 表示一位数据

  • 逻辑1：0.56ms的低电平+1.69ms的高电平
  • 逻辑0：0.56ms的低电平+0.56ms的高电平

  

• 接收方、发送方都遵守这样的约定，就可以使用一条线传输数据

2. 差别

	同步传输	异步传输
信号线	多：时钟信号、数据信号	少：只需要数据信号
速率	可变，提高时钟信号频率即可	双方提前约定
抗干扰能力	强	弱

使用一线传输双向数据

1. 面临的问题

两个设备之间，只使用一条数据线，能否传输双向的数据？

• A发出高电平，B发出低电平
  • 电路可能被损坏
  • 电路上到底是高电平还是低电平？不能确定
• 问题在于：有两个设备试图同时驱动电路

2. 解决方法

不让双方同时驱动电路，或者即使同时驱动也没关系：

• 不让双方同时驱动电路：双方无法约定时间，此方法不可行
• 即使同时驱动也没关系：可行，电路如下：

真值表如下：

A	B	DATA
0	0	1(由上拉电阻决定)
0	1	0
1	0	0
1	1	0

从真值表和电路图我们可以知道：

• 当某一个芯片不想影响SDA线时，那就不驱动这个三极管
• 想让DATA输出高电平，双方都不驱动三极管(SDA通过上拉电阻变为高电平)
• 想让DATA输出低电平，就驱动三极管

芯片内部的三极管，被称为open collector，开集，也就是在芯片内部三极管的集电极是开放的。
芯片内部不驱动三极管是，集电极的电平由外面的上拉电阻决定。

这种电路实现了：

• 双方设备即使同时想输出不同的电平：
  • 电路也不会被损坏
  • 电平也是确定的

3. 双向传输示例

• 初始状态：一开始，双方都不驱动三极管，DATA为高

• 起始信号和回应：A想传输数据给B，发出开始信号、得到回应信号

  • A检测DATA线，高表示对方没有占用数据线
  • A驱动三极管，使得DATA为低，用来通知B：我就要传输数据了
  • A释放三极管，DATA变为高
  • B驱动三极管，使得DATA为低，用来通知A：好的，我准备好了(这是一个回应信号)
  • B释放三极管，DATA变为高

• 传输：A发送数据给B，比如传输2位数据0、1

  • 双方都使用同一套数据表示方法，比如使用60US来传输一位数据，数值由DATA电平决定
  • 在第1个60us，A设置DATA为低；在同一时间，B读取DATA电平得到数据0
  • 在第2个60us，A设置DATA为高；在同一时间，B读取DATA电平得到数据1

• 结束：A释放三极管，DATA变为高电平

  • 在第2个60us，A设置DATA为高；在同一时间，B读取DATA电平得到数据1

• 结束：A释放三极管，DATA变为高电平

• 这时候，B也可以使用一样的方法给A传输数据

1602液晶驱动

阅读手册

1602代表：显示16个字符，可以显示两行。如下图所示：

发现使用上表中的数值芯片不能正常驱动，查看原厂家芯片英文资料，实践可以正常使用，具体数值如下图所示：

LCD1602.h

#ifndef __LCD1602_H__
#define __LCD1602_H__

//用户调用函数：
void LCD_Init();
void LCD_ShowChar(unsigned char Line,unsigned char Column,char Char);
void LCD_ShowString(unsigned char Line,unsigned char Column,char *String);
void LCD_ShowNum(unsigned char Line,unsigned char Column,unsigned int Number,unsigned char Length);
void LCD_ShowSignedNum(unsigned char Line,unsigned char Column,int Number,unsigned char Length);
void LCD_ShowHexNum(unsigned char Line,unsigned char Column,unsigned int Number,unsigned char Length);
void LCD_ShowBinNum(unsigned char Line,unsigned char Column,unsigned int Number,unsigned char Length);

#endif

LCD1602.c

#include 

//引脚配置：
sbit LCD_RS=P2^6;
sbit LCD_RW=P2^5;
sbit LCD_EN=P2^7;
#define LCD_DataPort P0

//main函数入口
void main()
{
     
	LCD_Init();
	while(1);

}



//函数定义：
/**
  * @brief  LCD1602延时函数，12MHz调用可延时1ms
  * @param  无
  * @retval 无
  */
void LCD_Delay()
{
     
	unsigned char i, j;

	i = 2;
	j = 239;
	do
	{
     
		while (--j);
	} while (--i);
}

/**
  * @brief  LCD1602写命令
  * @param  Command 要写入的命令
  * @retval 无
  */
void LCD_WriteCommand(unsigned char Command)
{
     
	LCD_RS=0;
	LCD_RW=0;
	LCD_DataPort=Command;
	LCD_EN=1;
	LCD_Delay();
	LCD_EN=0;
	LCD_Delay();
}

/**
  * @brief  LCD1602写数据
  * @param  Data 要写入的数据
  * @retval 无
  */
void LCD_WriteData(unsigned char Data)
{
     
	LCD_RS=1;
	LCD_RW=0;
	LCD_DataPort=Data;
	LCD_EN=1;
	LCD_Delay();
	LCD_EN=0;
	LCD_Delay();
}

/**
  * @brief  LCD1602设置光标位置
  * @param  Line 行位置，范围：1~2
  * @param  Column 列位置，范围：1~16
  * @retval 无
  */
void LCD_SetCursor(unsigned char Line,unsigned char Column)
{
     
	if(Line==1)
	{
     
		LCD_WriteCommand(0x80|(Column-1));
	}
	else if(Line==2)
	{
     
		LCD_WriteCommand(0x80|(Column-1+0x40));
	}
}

/**
  * @brief  LCD1602初始化函数
  * @param  无
  * @retval 无
  */
void LCD_Init()
{
     
	LCD_WriteCommand(0x38);//八位数据接口，两行显示，5*7点阵
	LCD_WriteCommand(0x0c);//显示开，光标关，闪烁关
	LCD_WriteCommand(0x06);//数据读写操作后，光标自动加一，画面不动
	LCD_WriteCommand(0x01);//光标复位，清屏
}

/**
  * @brief  在LCD1602指定位置上显示一个字符
  * @param  Line 行位置，范围：1~2
  * @param  Column 列位置，范围：1~16
  * @param  Char 要显示的字符
  * @retval 无
  */
void LCD_ShowChar(unsigned char Line,unsigned char Column,char Char)
{
     
	LCD_SetCursor(Line,Column);
	LCD_WriteData(Char);
}

/**
  * @brief  在LCD1602指定位置开始显示所给字符串
  * @param  Line 起始行位置，范围：1~2
  * @param  Column 起始列位置，范围：1~16
  * @param  String 要显示的字符串
  * @retval 无
  */
void LCD_ShowString(unsigned char Line,unsigned char Column,char *String)
{
     
	unsigned char i;
	LCD_SetCursor(Line,Column);
	for(i=0;String[i]!='\0';i++)
	{
     
		LCD_WriteData(String[i]);
	}
}

/**
  * @brief  返回值=X的Y次方
  */
int LCD_Pow(int X,int Y)
{
     
	unsigned char i;
	int Result=1;
	for(i=0;i<Y;i++)
	{
     
		Result*=X;
	}
	return Result;
}

/**
  * @brief  在LCD1602指定位置开始显示所给数字
  * @param  Line 起始行位置，范围：1~2
  * @param  Column 起始列位置，范围：1~16
  * @param  Number 要显示的数字，范围：0~65535
  * @param  Length 要显示数字的长度，范围：1~5
  * @retval 无
  */
void LCD_ShowNum(unsigned char Line,unsigned char Column,unsigned int Number,unsigned char Length)
{
     
	unsigned char i;
	LCD_SetCursor(Line,Column);
	for(i=Length;i>0;i--)
	{
     
		LCD_WriteData(Number/LCD_Pow(10,i-1)%10+'0');
	}
}

/**
  * @brief  在LCD1602指定位置开始以有符号十进制显示所给数字
  * @param  Line 起始行位置，范围：1~2
  * @param  Column 起始列位置，范围：1~16
  * @param  Number 要显示的数字，范围：-32768~32767
  * @param  Length 要显示数字的长度，范围：1~5
  * @retval 无
  */
void LCD_ShowSignedNum(unsigned char Line,unsigned char Column,int Number,unsigned char Length)
{
     
	unsigned char i;
	unsigned int Number1;
	LCD_SetCursor(Line,Column);
	if(Number>=0)
	{
     
		LCD_WriteData('+');
		Number1=Number;
	}
	else
	{
     
		LCD_WriteData('-');
		Number1=-Number;
	}
	for(i=Length;i>0;i--)
	{
     
		LCD_WriteData(Number1/LCD_Pow(10,i-1)%10+'0');
	}
}

/**
  * @brief  在LCD1602指定位置开始以十六进制显示所给数字
  * @param  Line 起始行位置，范围：1~2
  * @param  Column 起始列位置，范围：1~16
  * @param  Number 要显示的数字，范围：0~0xFFFF
  * @param  Length 要显示数字的长度，范围：1~4
  * @retval 无
  */
void LCD_ShowHexNum(unsigned char Line,unsigned char Column,unsigned int Number,unsigned char Length)
{
     
	unsigned char i,SingleNumber;
	LCD_SetCursor(Line,Column);
	for(i=Length;i>0;i--)
	{
     
		SingleNumber=Number/LCD_Pow(16,i-1)%16;
		if(SingleNumber<10)
		{
     
			LCD_WriteData(SingleNumber+'0');
		}
		else
		{
     
			LCD_WriteData(SingleNumber-10+'A');
		}
	}
}

/**
  * @brief  在LCD1602指定位置开始以二进制显示所给数字
  * @param  Line 起始行位置，范围：1~2
  * @param  Column 起始列位置，范围：1~16
  * @param  Number 要显示的数字，范围：0~1111 1111 1111 1111
  * @param  Length 要显示数字的长度，范围：1~16
  * @retval 无
  */
void LCD_ShowBinNum(unsigned char Line,unsigned char Column,unsigned int Number,unsigned char Length)
{
     
	unsigned char i;
	LCD_SetCursor(Line,Column);
	for(i=Length;i>0;i--)
	{
     
		LCD_WriteData(Number/LCD_Pow(2,i-1)%2+'0');
	}
}