人机交换接口1

第八章 人机交互设备接口一、连接在计算机上的 I/O 设备大致有以下三种类型：1供用户进行输入/输出的设备：键盘、鼠标、显示器等，它们也称为“人机交互设备 ”；2外存储设备：软盘、硬盘、光盘驱动器是典型的外存储设备；3专用的其他设备：数据采集设备、视频采集设备等。二、键盘接口PC XT/AT 时代的键盘主要以 83 键为主，并且延续了相当长的一段时间，但随着视窗系统近几年的流行已经淘汰。取而代之的是 101 键和 104 键键盘，并占据市场的主流地位，当然其间也曾出现过 102 键、103 键的键盘，但由于推广不善，都只是昙花一现。104 键键盘出现的是新兴多媒体键盘，它在传统的键盘基础上又增加了不少常用快捷键或音量调节装置，使 PC 操作进一步简化，对于收发电子邮件、打开浏览器软件、启动多媒体播放器等都只需要按一个特殊按键即可，同时在外形上也做了重大改善，着重体现了键盘的个性化。起初这类键盘多用于品牌机，如 HP、联想等品牌机都率先采用了这类键盘，受到广泛的好评，并曾一度被视为品牌机的特色。随着时间的推移，渐渐的市场上也出现独立的具有各种快捷功能的产品单独出售，并带有专用的驱动和设定软件，在兼容机上也能实现个性化的操作。1键盘的分类微型的计算机上使用的键盘有机械触点式和电容式二类：1）触点式按键：早期的键盘几乎全部是机械式键盘，每个按键的下部有两个触点，平时两个触点没有接触，相当于断路，该键被按下后两触点导通。这种键盘手感差，易磨损，故障率较高。2）电容式按键：这种按键通过改变电容器电极之间的距离，产生电容的变化。每个按键内活动极、驱动极与检测极组成两个串联的电容器。键按下时，上下两极片靠近，极板间距离缩短，来自振荡器的脉冲信号被电容耦合后输出。反之，则无信号输出。这种键使用中不存在磨损、接触不良等问题，耐久性、灵敏度和稳定性都比较好。为了避免电极间进入灰尘，电容式按键开关采用密封组装。电容式键盘手感好，寿命长，目前使用的计算机键盘多为电容式无触点键盘。按照控制形态，有非编码键盘和编码键盘二类：1）非编码键盘：这种键盘的编码需要由 CPU 扫描后获得，CPU 效率低，主要用于小型应用系统。2）编码键盘：由专用控制器对键盘进行扫描，产生对应的编码。这种键盘结构稍复杂，但使用方便。按照键盘的外形可分为标准键盘和人体工程学键盘，人体工程学键盘是在标准键盘上将指法规定的左手键区和右手键区这两大板块左右分开，并形成一定角度，使操作者不必有意识的夹紧双臂，保持一种比较自然的形态，这种设计的键盘被微软公司命名为自然键盘(Natural Keyboard),对于习惯盲打的用户可以有效的减少左右手键区的误击率，如字母“G”和“H” 。有的人体工程学键盘还有意加大常用键如空格键和回车键的面积，在键盘的下部增加护手托板，给以前悬空手腕以支持点，减少由于手腕长期悬空导致的疲劳。这些都可以视为人性化的设计。2键盘的特点对于通用 PC 系列微机采用的键盘来讲，它具有两个基本特点：一是按键开关为无触点的电容开关，通过按键的动作，使电容量发生变化，来检测按键的断开与接通；二是键盘属于非编码键盘，由单片机扫描程序并识别按键的当前位置，然后再向键盘接口输出该键的扫描码。 3PC 机键盘结构PC 系列微机使用编码式键盘，它的内部由专门的单片机（8048）完成键盘开关矩阵的扫描、键盘扫描码的读取和发送。1）增强型扩展键盘的结构增强型 101 键扩展键盘被广泛应用于各种微机系统中，它的内部结构如图所示。 键盘开关矩阵为 l 6 行8 列，来自 8048 内部计数器的 7 位计数信号通过数据线的DB0 DB6，它们的内容随计数频率有规律地改变。这些信号送到键盘矩阵的行列译码器，实现对键盘开关矩阵的行列扫描。有键按下时，通过 KETDEP 信号通知单片机。8048 扫描程序根据当前计数值，分析确定按键的行、列位置，形成键盘扫描码。按下键时的编码称为接通扫描码（通码） ，松开键时的编码称为断开扫描码（断码） 。2）键盘扫描码的发送8048 单片机从 DATA OUT 端输出扫描码，送到五芯插头的 2 脚，并由 CLOCK OUT 输出时钟定时信号，送到五芯插头的 1 脚。主板上的键盘接口电路按照这两个脚的信号同步串行接收数据。值得注意是，主机也可以通过接口（1，2 引脚）向键盘发送信息，包括复位、重新发送、启动、设置速率等。此时，8048 单片机把键盘扫描码暂时存入内部 20 个字节的缓冲区。4PC 机键盘接口目前 PC 机常用的键盘接口有 3 种：（1）标准接口：一般用于早期的 AT 主板上，所以也叫做 AT 接口。标准接口为圆形，比 PS/2 接口要大，习惯上称之为大口。（2）PS/2 接口：PS/2 接口为具有 6 针的圆形插座，目前 PC 机上一般都具有连接键盘的 PS/2 接口。（3）USB 接口：由于 USB 设备具有即插即用，支持热插拔等优点，很多设备都采用了 USB 接口，键盘也不例外。选择 USB 接口的键盘先要考虑主机上是否具有空余的 USB 接口。发送端相当于 D/A 转换器，而在接收端则相当于 A/D 转换器。键盘接口的功能主要有：接收键盘送来的扫描码；输出缓冲区满，产生键盘中断；接收并执行系统命令，对键盘进行初始化、测试、复位等操作。 5IBM-PC 机键盘中断服务主板上的键盘接口收到一个字节数据后，通过 8259的 IRQ1 向 CPU 请求中断。键盘中断类型码为 09H，中断服务程序主要功能如下：（1）从键盘接口（8255 的 PA 端口，地址 60H）读取键盘扫描码。（2）将扫描码转换成 ASCII 码或扩展码，存入键盘缓冲区。（3）如果是换档键（如 CapsLock，Ins 等） ，将状态存入BIOS 数据区的键盘标志单元。（4）如果是组合键（如 Ctrl+A1t+Del）则直接执行，完成其对应的功能。（5）对于中止组合键（如 Ctrl+C 或 Ctrl+BreaK） ，强行中止程序的执行，返回系统。读取键盘缓冲区中的内容可通过 BIOS 软中断 INT 16H 或操作系统功能调用实现。6键的识别在键盘中通常用硬件或软硬件结合的方法来识别键盘中的闭合键，常用的按键识别方法有：行扫描法、行反转法和行、列扫描法。（1）行扫描法我们把 PC 系列键盘视为二维矩阵的行列结构，键盘的识别采用行扫描法，如图所示，为 16 行8 列的矩阵结构。键盘扫描程序周期性地对行列结构的按键进行扫描，然后根据回收的信息来确定当前的行、列位置码。行扫描法的工作原理为：7 位计数器处于定时工作方式，计数器输出分别送至两个译码器（行译码和列译码） ，高 4 位译码形成 Y0Y15 共 16 行扫描驱动线；低 3 位译码形成 X0X7 共 8 列扫描驱动线。由于计数器的特点，列扫描驱动线随着时钟而步进 1 列，行扫描驱动线经过 8个时钟而步进 1 行。 （2）行反转法行反转法是利用可编程并行接口（如 8255A）来实现的，在硬件上要求键盘的行、列线分别连接到两个双向并行接口，如图所示。行反转法的工作原理为：将行线接一个并行口，先工作在输出方式，将列线接到另一个并行口，先工作在输入方式。经初始化编程使 CPU 通过输出端口往各行线全部送低电平，然后读入列线的值。如果有某个键被按下，则必有一条列线为低电平。然后进行线反转，通过编程对两个并行端口进行方式设置，使连接行线的端口工作在输入方式，并将刚才读到的列线值通过所连接的并行口再输出到列线，然后读取行线的值，那么闭合键所对应的行线必为低电平，这样当一个键被按下时，就可以读到一对唯一的列值和行值。 在键盘设计时除了对键码的识别外，还需要解决抖动和重键问题。按键开关在开闭过程中不可避免地会出现瞬态抖动，其时间长短约为 510ms。在抖动时检测键盘状态是不可靠的，因此要进行去抖动处理，去抖动可用硬件或软件实现。硬件去抖动电路通常由一个 R-S 触发器或单稳态电路构成。软件去抖动的方法是在检测到有键按下时，先延迟10ms 再检测键是否仍保持闭合状态。重键是指在同一时刻有两个或多个键同时按下的情况，此时存在着是否给予识别或识别哪一个键的问题。对重键的处理，一般可以不予理睬，认为重键是一次错误的按键。通常情况下则是只承认先识别出来的键，对同时按下的其它键不作识别，直到所有键都释放以后，才读入下一个键。这种方法称为“连锁法 ”。此外，还可采用 “巡回法”，其基本思想是等被识别的键释放以后，才对其它闭合键作识别，该方法比较适合于快速键入操作。 多媒体音响键盘型号为 K30V00P 的晶悦多媒体键盘，这款键盘的生产商是苹果新概念数码科技（深圳）有限公司，英文名New Apple Concept digital technology (Shenzhen) co.， Ltd。键盘实物如上图。这款键盘并没有采用标准的 101 键盘设计，采用长回车长退格的设计，将方向键集成到回车键的下方，只是这款晶悦多媒体键盘重新设计了Home、Delete 等按键的位置。键盘整体黑色与上方银白色功能键区给人以十分强烈的对比，应该说这款键盘在外观的设计上是相当出众的，脱离了一般键盘死板呆滞的外观，给人更多时尚的感受。键盘键冒表面的经过了精致的磨砂处理，字母的印刷也十分清晰精致。键冒本身具有一定的弧度，使手指的触感相当舒适。键盘采用超薄短键程设计，按键反应灵敏，但明显偏硬，也具有相当的弹性，这款键盘的按键静音效果却十分到位，按键声音要比一般的超薄键盘小，总体而言，这款键盘适合长期打字的办公人士使用。键盘中部偏上集成了 9 个多媒体按键，只是各个按键的键程有些微差别，Play/Pause 键稍长，不过按键的灵敏度反应还是十分到位的。超薄设计使键盘本身最厚的地方也不足 1cm，背板支架的高度设计也恰到好处，使键盘本身相对水平面倾斜 6度，只是送测样品的支架，较市场一般产品的支架略薄一些，也相对更松。在多媒体按键区的两侧各有两个如上的扬声器，音量较大，但实际效果一般，适合一些桌面空间狭小的办公人士。在右 Alt 键的正下方，晶悦多媒体音响键盘还配备了一个 MIC 孔，其实际表现与市场中主流的麦克风产品区别不大，话音清晰，只是略有底背景噪音。在键盘右侧上方，晶悦多媒体键盘还单独设计了耳机和独立麦克风的插孔，方便有需求的用户自行更换。键盘本身采用 PS/2 接口，为实现音响功能，音频/麦克插头必不可少，插头本身也进行了颜色区分。综上所述，晶悦多媒体键盘十分适合进行长期打字的用户使用，其良好的按键反应和静音效果令人满意，同时，这款键盘还适合桌面空间紧凑的用户用以欣赏音乐，其市场参考价为 170 元左右。 微软人体工学键盘 4000 豪华大气的包装散发着浓郁的艺术气息，键盘以黑色作为主色、银灰作为辅色。外观可谓无与伦比，个性十足。微软人体工学键盘 4000 的出色绝不仅限于外观，更多的亮点体现在设计层面带来的极致舒适的应用体验。 “鸥翼”造型的微软人体工学键盘 4000 既有动感活力又富曲线魅力，它首次引入了自然的弓形仿生学曲线，完全贴合五指自然弯曲下垂时的曲线，使得手指在按键时移动距离更小，减少了手指的疲劳度。 “自定义键”向来是微软键盘的“保留项目”，只须安装相应的驱动程序，用户便可自行定义某些键位的“快捷方式指向”微软人体工学键盘 4000 提供了 5 个自定义键，用户可将之设定为访问频度较高的文件夹、播放、应用程序或是网站。 键盘设计了宽大的坡度手托，彻底解放了玩家的手腕。而且手托是可以随意拆卸的，看看自己键盘又短又窄的托盘，不禁叹服微软工程师的设计之人性化。 这款微软人体工学键盘 4000 的手托部分采用了仿皮革材质，手感非常好，柔软舒适，能够缓解长期使用键盘的疲劳感。 对于一款顶级键盘来说，微软人体工程学键盘 4000具备了所有顶级键盘应该具备的因素，如果你是最求完美感受的高端用户，那么微软人体工程学键盘 4000 将是你理想的选择二、 鼠标接口鼠标是一种快速定位器，其功能与键盘的光标键相似。通过移动鼠标可以快速定位屏幕上的对象，是计算机图形界面人机交互必备的外部设备。 “鼠标”的标准称呼应该是“鼠标器” ，英文名 “Mouse”，它从出现到现在已经有近 40年的历史了。鼠标的使用是为了使计算机的操作更加简便，来代替键盘那繁琐的指令。1. 鼠标的结构和工作原理。1）鼠标按其结构可分为为光电机械式、光电式、轨迹球等。（1）光电机械式是目前最为常见的鼠标。鼠标内置了 3 个滚轴：X 方向滚轴和 Y 方向滚轴，另 1 个是空轴。这 3 个滚轴都与一个可以滚动的橡胶球接触，并随着橡胶球滚动一起转动。X ，Y 滚轴上装有带孔的译码轮，它的转动会阻断或导通 LED 发出的光线，在光敏晶体管上产生表示位移的脉冲。（2）光电鼠标用发光二极管向底部发射光线，光敏三极管接收经反射的光线，将位移信号转换为电脉冲。由于没有橡胶滚球，日常维护方便。3）鼠标的工作原理利用鼠标可方便地定位光标在显示屏幕上的位置。鼠标器通常通过微机中的串行口与主机连接。当在平面上移动鼠标器时，把鼠标器移动的距离和方向转换成两个脉冲信号传送给计算机，计算机鼠标驱动程序将脉冲个数转换为鼠标器的水平方向、垂直方向的位移量，从而达到移动鼠标箭头的目的。当鼠标在平面上移动时，随着移动方向和快慢的变化，会产生两个在高低电平之间不断变化的脉冲信号，CPU 接收这两个脉冲信号并对其计数。根据接收到的两个脉冲信号的个数，CPU 控制屏幕上的鼠标指针在横（X）轴、纵（Y ）轴两个方向上移动距离的大小。脉冲信号是由鼠标内的半导体光敏器件产生的。 2鼠标的种类1）根据结构和鼠标测量位移部件的类型的不同，鼠标一般分为以下 2 类：（1）机械式鼠标这是目前大家使用最多的鼠标，其最大特点是构造简单，成本低廉，易于维修。将此类鼠标翻过来看时，都会发现其底部有一个橡胶球。紧靠着橡胶球有两个相互垂直的转轴，在转轴上装有旋转编码器和相应的电路。（2）光电式鼠标光电式鼠标是利用发光二极管（LED）与光敏三极管的组合来测量位移的，二者之间的夹角使 LED 发出的光照到光电板后，正好反射给光敏三极管，鼠标中的电路将检测到的光的强弱转变成表示位移的脉冲，因此，光电式鼠标的底部没有橡胶球。2）鼠标还可按外形分为两键鼠标、三键鼠标、滚轴鼠标和感应鼠标，两键鼠标和三键鼠标的左右按键功能完全一致，一般情况下，我们用不着三键鼠标的中间按键，但在使用某些特殊软件时(如 AutoCAD 等 )，这个键也会起一些作用；滚轴鼠标和感应鼠标在笔记本电脑上用得很普遍，往不同方向转动鼠标中间的小圆球，或在感应板上移动手指，光标就会向相应方向移动，当光标到达预定位置时，按一下鼠标或感应板，就可执行相应功能。3）无线鼠标和 3D 鼠标：新出现无线鼠标和 3D 振动鼠标都是比较新颖的鼠标。无线鼠标器是为了适应大屏幕显示器而生产的。所谓“无线”，即没有电线连接，而是采用二节七号电池无线摇控，鼠标器有自动休眠功能，电池可用上一年，接收范围在 1.8 米以内。3D 振动鼠标是一种新型的鼠标器，它不仅可以当作普通的鼠标器使用，而且具有以下几个特点：(1) 具有全方位立体控制能力。它具有前、后、左、右、上、下六个移动方向，而且可以组合出前右，左下等等的移动方向。(2) 外形和普通鼠标不同。一般由一个扇形的底座和一个能够活动的控制器构成。(3) 具有振动功能，即触觉回馈功能。玩某些游戏时，当你被敌人击中时，你会感觉到你的鼠标也振动了。(4) 是真正的三键式鼠标。无论 DOS 或 Windows 环境下，鼠标的中间键和右键都大派用场。 3. 鼠标接口标准鼠标接口有传统的 COM、PS/2 和新型的 USB 三种。1）串行通信口鼠标串口鼠标使用 9 针 D 型接口，采用 RS-232C 标准进行通信。这种鼠标的电源由串口的 RTS 信号提供，GND作为地线，使用 TXD 发送数据，DTR 作为联络信号线。大多数鼠标采用 7 位数据位、1 位停止位，无奇偶校验方式、以 1200-2400 b/s 的速率发送数据。2）PS2