7.1. Клавиатура

Наиболее распространенными устройствами ручного ввода знаковой информации являются клавишные устройства. Они состоят из двух основных частей: набора клавиш, соответствующих набору знаков алфавита и функций редактирования, и устройств кодирования для преобразования сигнала нажатой клавиши в параллельный код обмена информацией.

Для кодирования нажатой клавиши используются два способа адресации – линейный и двухкоординатный.

При линейной адресации к каждой клавише S1 – SNa подсоединяется один провод, как показано на рис. 7.1. Количество клавиш Na соответствует основанию кода алфавита плюс набор функциональных клавиш, необходимых для редактирования вводимой информации. Номер нажатой клавиши определяется путем организации сканирования, осуществляемого с помощью мультиплексора М, счетчика Сч, генератора тактовой частоты ТГ. Мультиплексор обеспечивает коммутацию из Na в одно направление в соответствии с кодом на адресных входах Al – Am. Разрядность адресных входов должна удовлетворять условию m ≥ [log2Na]. Такую же разрядность должен иметь счетчик Сч. Сигнал с выхода мультиплексора через схему подавления дребез­га (СПД) управляет логическим вентилем, через который посту­пают счетные импульсы тактового генератора на вход счетчика Сч. Схема подавления дребезга предназначена для устранения помех, возникающих при вибрации механических контактов при их замыкании. При кодовой комбинации на выходе счетчика, со­ответствующей номеру нажатой клавиши, на выходе мультиплек­сора появляется сигнал единицы, которым запирается вентиль и прекращается счет импульсов. Через некоторое время задержки, необходимое для установления информации на выходе Сч, код номера нажатой клавиши с помощью ПЗУ преобразуется в требуемый код обмена информацией. В частном случае код номера клавиши может соответствовать коду обмена. В этом случае в схеме отсутствует ПЗУ. Если при нажатии одной клавиши нажимают и другую, то изменений не произойдет до тех пор, пока вызвавшая остановку клавиша не будет отпущена. Значит, эту схему можно считать и схемой кодирования приоритета.

Недостатком линейной адресации является большое количест­во проводов, выводящих информацию с клавиатуры, и большое количество коммутируемых мультиплексором направлений, усложняющее его реализацию.

Схема кодирования с двухкоординатной (матричной) адресацией клавиш показана на рис. 7.2. Каждая клавиша находится в узле матрицы проводников, состоящей из mХ столбцов и mY ря­дов, количество которых выбирают из условия

mX ∙ mY = Na

При квадратной матрице

mX ∙ mY = .

Общее количество выводов с матрицы клавиш mX + mY намного меньше, чем при линейной адресации. Действительно, при Nа=256 линейная адресация требует 256 выводов, матричная – 32.

К информационным входам мультиплексора подключены mХ выводов столбцов матрицы, к его адресным входам – d младших разрядов счетчика Сч (d = [log2mX]), старшие q разрядов Сч (q = [log2mY]) – ко входам дешифратора, с помощью которого выбираются последовательно ряды матрицы клавиатуры.

Для предотвращения ошибочного занесения данных при одновременном нажатии трех клавиш, расположенных Г–образно, в цепь столбца каждого переключателя следует ввести диод.

Количество клавиш можно уменьшить вдвое, если каждой со­ответствуют два знака, относящиеся к разным регистрам, напри­мер регистрам русского и латинского алфавитов.



Клавиша реги­стра непосредственно воздействует на старший разряд ПЗУ.

Промышленность выпускает однокристальный контроллер кла­виатуры К536ИВ1 ручного ввода данных, обеспечивающий кодирование 90 клавиш (матрица 10×9). Подавление дребезга осу­ществляется регулируемой временной задержкой от 5 до 40 мс. Кодирование осуществляется в кодах КОИ-8 и КОИ-7 с контрольным разрядом в прямом или инверсном коде.

Клавиатура имеет в своем составе контактные или бесконтактные ключи S.

Контактная клавиатура имеет малое переход­ное сопротивление в замкнутом и высокое – в разомкнутом со­стояниях. Основной недостаток – малый срок службы, обуслов­ленный наличием большого количества механических движущихся частей, а также подгоранием контактов. Для увеличения срока службы часто применяют герметизированные контакты – герконы, представляющие собой пару упругих магнитных контактов, помещенных в герметизированную стеклянную колбу, заполнен­ную инертным газом. Под действием внешнего магнитного поля контакты деформируются и замыкаются. Очень часто внешнее магнитное поле создается постоянным магнитом, расположенным на оси клавиши и перемещающимся при нажатии на нее.

Бесконтактная клавиатура включает в себя бесконтактные преобразователи механических воздействий в электрические сиг­налы. Различают два вида бесконтактных преобразователей: с механическим перемещением и сенсорные, срабатывающие от при­косновения. Преобразователи с механическим перемещением пре­образуют механическое перемещение в изменение светового, маг­нитного потоков, индуктивности, взаимоиндукции, емкости, сопротивления и т. д. Затем это изменение преобразуется в элек­трический сигнал. Отсутствие контактов резко повышает надеж­ность клавиатуры.

Сенсорные клавиши обеспечивают формирование сигнала при­косновением оператора к пластинам-сенсорам. Их принцип дей­ствия основан на изменениях емкости электрической цепи или сопротивления высокоомных делителей при прикосновении опера­тора пальцем к сенсору, что приводит к изменению частоты или срыву автоколебаний, к задержке импульсного сигнала или изме­нению уровня сигнала.

Недостатком сенсорных переключателей является зависимость параметров (емкости или сопротивления) участков между сенсором и концами пальцев оператора от внешней среды и его индивидуальных свойств. Наличие ста­тического электрического заряда на пальцах может привести к пробою электронной схемы. Кроме того, отсутствие тактильных ощущений движения клавиши снижает скорость ввода информации и повышает вероятность ошибок.                      

Бесконтактная клавиатура с механическим перемещением свободна от указанных недостатков. При конструировании бесконтактной клавиатуры широко используется эффект Холла. Функцию магнитоуправляемого электронного ключа выполняет микросхема  КБ116КП1. В качестве магниточувствительного элемента в ней используется  интегральный элемент Холла. Кроме того, в схему входят дифференциальный усилитель, триггер Шмидта и выходной каскад. Управляющее магнитное поле создается малогабаритным постоянным магнитом, расположенным на подвижной части клавиши. Время включения »0,25 мкс, а выключения »0,5 мкс.