Общее представление о работе клавиатуры

В состав клавиатуры входит контроллер, состоящий из буферной памяти и схемы управления. Контроллер клавиатуры подключается к системному блоку компьютера с помощью 4-проводной линии для передачи данных, тактовых импульсов, напряжения.

Рис. 13.6. Индикаторы питания. Можно выделить три уровня представления и обработки сигналов, поступающих с клавиатуры.

На физическом уровне происходит кодирование сигналов при нажатии и отпускании клавиши. В основе кодирования лежит нумерация клавиш. При нажатии клавиши в системный блок посылается код, называемый скэн-кодом, который соответствует номеру клавиши. При отпускании клавиши генерируется дополнительный скэн-код, представляющий собой номер клавиши, увеличенный на 128. При постоянно нажатой клавише вырабатывается последовательность основных скэн-кодов с частотой 10 Гц, что имитирует серию очень быстрых нажатий этой клавиши.

На логическом уровне с помощью прерывания IRQ9 базовой системы ввода-вывода происходит преобразование скэн-кода в 2-байтный код. Младший байт для клавиш буквенно-цифровой клавиатуры — Esc, Tab, Enter, Backspace — содержит ASCI l-код (American Standard Code for Information Interchange — Американский стандартный код для обмена информацией), соответствующий изображенному на клавише знаку. Этот байт называют главным. Вспомогательный старший байт содержит исходный скэн-код нажатой клавиши. Сочетание главного (со всеми нулями) и вспомогательного байтов называют расширенным ASCII-кодом. Еенерируемый код определяется назначением клавиши и их комбинацией.

На функциональном уровне отдельным клавишам программным путем назначаются определенные функции (последовательности символов, команды), которые реализуются при их нажатии. Программное переопределение клавиш может быть реализовано, например, с помощью драйвера ANSI. SYS операционной системы MS DOS.

Воспользовавшись рис. 13.7, рассмотрим процессы, протекающие при вводе с клавиатуры с им вола, А на монитор:

• • при нажатии клавиши контроллер клавиатуры КК определяет координаты замкнутого переключателя в матрице и формирует сигнал в виде скэн-кода, отражающий идентификационный номер клавиши. Для клавиши с символом, А скэн-кодом является шестнадцатеричное число 1 Eh. Отметим, что скэн-коды передаются от клавиатуры в компьютер по фактам нажатия и отпускания клавиш. Современные клавиатуры могут работать в одном из 2−3 наборов (таблиц) скэн-кодов, отличающихся назначением кодов и способами сообщения об отпускании клавиш;
• • скэн-код передается в контроллер системной платы КСП, в качестве которого обычно применяется микросхема 8042 универсального периферийного интерфейса (Universal Peripheral Interface —

Рис. 13.7. Иллюстрация работы клавиатуры при выводе символа «А» на монитор.

UPI). Специальный контроллер 8042 преобразует текущий скэнкод в один из предусмотренных в системе скэн-кодов и направляет его в главный процессор компьютера;

• • после поступления скэн-кода в КСП (8042) инициализируется аппаратное прерывание IRQl, которое обслуживается специальной программой, входящей в состав ROM BIOS;
• • программа анализирует поступивший скэн-код. Скэн-коды клавиш, или, записываются в память RAM, остальные скэн-коды трансформируются в код символа (ASCII коды, или расширенные коды). При этом обрабатывающая процедура (программа) сначала определяет установку клавиш и переключателей, чтобы правильно получить вводимый код (символы, а или А). Затем введенный код помещается в буфер клавиатуры БК, организованный по принципу FIFO (первый вошел — первый вышел). Буфер способен запомнить до 20 вводимых символов и хранить их до тех пор, пока прикладная программа сможет их обработать;
• • код программы, используя прерывания вывода на экран ПВЭ, через видеобуфер ВБ посылает символ на монитор.

Автоматическое повторение. Если удерживать какуюлибо клавишу нажатой, возникает эффект автоматического повторения, т. е. клавиатура начинает непрерывно посылать на системную плату код нажатой клавиши. В клавиатуре можно регулировать частоту автоматического повторения, подавая соответствующие команды на ее процессор.

В процессе ввода важную роль играют контроллеры клавиатуры и системной платы, которые выполняют:

• • периодический опрос клавиш со стороны микропроцессора;
• • размещение в буфере до 20 отдельных кодов на время между двумя последовательными опросами;
• • преобразование скэн-кодов в коды ASCII с помощью хранящихся в ПЗУ программируемых системных таблиц драйвера клавиатуры;
• • тестирование клавиатуры при включении компьютера, позволяющее выявить неисправность клавиатуры уже на стадии загрузки. Функции самоконтроля и проверки нажатых клавиш в процессе загрузки системы выполняет внутренний контроллер. Процесс самоконтроля отображается однократным миганием трех индикаторов клавиатуры во время выполнения программы POST;
• • контроллер на системной плате может не только принимать, но и передавать данные клавиатуре, например частоту повтора нажатой клавиши и др.

Основные типы клавиш. В современных клавиатурах используются контактные и бесконтактные датчики, фиксирующие нажатое и отжатое состояние клавиши. Датчик состояния клавиши конструктивно совмещен с самой клавишей. Рассмотрим наиболее известные типы клавиш.

Клавиши с механическими переключателями. Для фиксации состояния клавиши в механических переключателях используется замыкание/размыкание металлических контактов. Для создания тактильной (от лат. tactilis — осязаемый) обратной связи в клавише дополнительно устанавливается пружина и смягчающая пластинка. Это позволяет при замыкании клавиши ощущать ее сопротивление и слышать щелчок в крайнем положении. Механические переключатели выдерживают до 20 млн срабатываний и по долговечности уступают только емкостным датчикам. Они обеспечивают надежные контакты и хорошую тактильную обратную связь. Многие компании (Alps Electric, Adesso, Chicony и др.), занимающиеся производством клавиатур, используют механические переключатели в более дорогостоящих моделях.

Клавиши с замыкающими накладками. Конструкция такой клавиши показана на рис. 13.8,а в исходном состоянии. Ее основными компонентами являются: кнопка, шток с возвратной пружиной, пористая прокладка и выполненная из фольги накладка.

При нажатии клавиши (рис. 13.8,6) фольга замыкает контакты на печатной тюте. При этом пористая.

Рис. 13.8. Клавиша с резиновыми колпачками прокладка смягчает удар, но клавиатура становится слишком «мягкой». Когда клавиша отпускается, пружина возвращает ее в исходное положение.

Недостатки клавиши с замыкающими накладками:

• • отсутствие щелчка при нажатии, или тактильной обратной связи;
• • высокая чувствительность к коррозии фольги и загрязнению контактов на печатной плате.

Из-за отмеченных недостатков клавиатуры этого типа сейчас практически не используются, им на смену пришли конструкции с резиновыми колпачками.

Клавиши с резиновыми колпачками. Клавиша с резиновыми колпачками конструктивно отличается от клавиши на рис. 13.8 тем, что вместо пружины в ней используется резиновый колпачок. Замыкающая вставка (накладка) выполнена из той же резины с угольным наполнителем. При нажатии клавиши резиновый колпачок деформируется. Деформация колпачка сначала происходит упруго, а затем он как бы «проваливается». При этом угольный наполнитель замыкает контакты на печатной плате. При отпускании резиновый колпачок принимает первоначальную форму и возвращает клавишу в исходное состояние.

Замыкающие вставки, выполненные из очищенного угля, не подвержены коррозии и очищают металлические контакты, к которым прижимаются. Колпачки обычно прессуются все вместе и представляют собой лист резины, который покрывает печатную плату целиком и защищает ее от пыли, грязи и влаги. Такая конструкция клавиши обеспечивает минимальное количество деталей, высокую надежность клавиатуры и ее широкое распространение.

Клавиши с мембранным переключателем. Эта клавиатура является разновидностью клавиатуры с резиновыми колпачками. В ней используется мембранная печатная плата. Мембранные переключатели со стандартными колпачками клавиш полностью заменили переключатели с резиновыми колпачками, получив при этом широкое распространение на рынке клавиатур низшего и среднего классов благодаря низкой стоимости. Срок жизни дешевых мембранных переключателей ограничен 5…10 млн нажатий, однако лучшие модели выдерживают до 20 млн нажатий, что свидетельствует о надежности переключателей такого типа.

Мембранные клавиатуры обеспечивают более надежный и жесткий контакт, чем клавиатуры с резиновыми колпачками, однако по чувствительности уступают механическим или емкостным переключателям. Единственное исключение составляют клавиатуры, разработанные компанией Key Tronic. Их особенностью является использование при нажатии той или иной клавиши пяти уровней удельной силы (от 35 до 85 г), которые зависят от относительной силы пальцев. Так, например, чтобы нажать клавиши (, или) мизинцем левой руки, требуется усилие, равное 35 г. Для тех клавиш, которые используются другими пальцами, сила нажатия будет больше. Максимальное усилие приходится на клавишу пробела — 85 г.

Клавиши с емкостными датчиками. Это единственные бесконтактные переключатели, получившие широкое распространение. В емкостных датчиках (рис. 13.9) отсутствуют замыкающие контакты. Их функции выполняют:

• • две смещающиеся относительно друг друга пластины., образующие конденсатор переменной емкости. В исходном состоянии (рис. 13.9//) пластины раздвинуты и значение емкости минимально (Смин). При нажатии клавиши шток смещает верхнюю пластину к неподвижной нижней пластине (рис. 13.9,6). При минимальном расстоянии между пластинами емкость имеет максимальное значение, равное Смакс. Клавиши сконструированы так, что смещение верхней пластины происходит скачкообразно и при этом слышен щелчок. Тактильная обратная связь обеспечивается благодаря использованию цилиндрической (винтовой) пружины;
• • специальная схема, реагирующая на изменение емкости между ними. В состав схемы входят генератор Г, детектор Д и компаратор К. При увеличении емкости от Смин до Смакс частота колебаний генератора уменьшается на ?F. Детектор Д фиксирует уменьшения частоты изменением напряжения на выходе. Выходное напряжение детектора сравнивается с опорным напряжением на входе компаратора К, в результате на его выходе формируется напряжение ступенчатой формы, которое фиксирует нажатие клавиши. Аналогичным образом фиксируется отжатие клавиши.

Достоинства клавиатуры. Клавиатура устойчива к коррозии и загрязнению из-за отсутствия электрических контактов. В ней практически отсутствует дребезжание, которым сопровождается введение нескольких символов подряд при одном нажатии на клавишу. Имеется хорошая тактильная обратная связь.

Рис. 13.9. Клавиша с емкостными датчиками Долговечность клавиатуры составляет до 25 млн нажатий (в отличие от 10… 12 млн для клавиатур других типов).

Недостаток клавиатуры — высокая стоимость.

В настоящее время клавиатуры с емкостными переключателями изготавливаются и реализуются компанией Unicomp.