Міністерство освіти і науки, МОЛОДІ ТА СПОРТУ України

ВІННИЦЬКИЙ ТЕХНІЧНИЙ КОЛЕДЖ

Периферійні пристрої

ЛАБОРАТОРНИЙ ПРАКТИКУМ

Лабораторна робота №1. «Клавіатура.

Схемотехніка, будова, інтерфейси, протоколи обміну інформації»

галузь знань: 0501 “інформатика та обчислювальна техніка“;

напрямок: 6.050102 “Комп’ютерна інженерія”;

спеціальність 5.05010201 “Обслуговування комп’ютерних систем і мереж”

Виконав:

студент групи 3ОК1

Хаулін А.Г.

Перевірив: Захарченко М. Г.

Вінниця 2013 рік

1. Ціль роботи:

• Закріплення теоретичних знань з питань пристроїв введення дискретної інформації за допомогою клавішних пристроїв кодуючих і некодуючих клавіатур.

• Опрацювання схемотехніки функціональних блоків клавіатур.

• Моделювання функціональних блоків клавіатур.

• Вивчення та аналіз інтерфейсів клавіатур.

• Вивчення протоколів обміну інформації клавіатур з системними блоками ПК чи ЕОМ.

• Виконання налаштувань клавіатур.

• Виконання діагностики несправностей клавіатур та ремонту.

2. Апаратура, прилади, матеріально-технічне оснащення:

- Персональний комп’ютер, кодуючі стандартні клавіатури, периферійні пристрої : мінімальні ресурси-операційна система Windows XP.

- Програмні середовища: Proteus VSM (Proteus 7.7 SP2 Professional), Electronic Work Banch (MultiSim), Micro Caр.

3. Теоретичні відомості.

3.1 Структура клавіатури

Клавіатура на сучасному етапі розвитку обчислювальної техніки є найбільш універсальним пристроєм введення інформації. Для введення будь якої інформації (в даному разі інформації про символ) необхідно створити адекватний фізичному електричний сигнал. Такий сигнал можливо створювати за допомогою клавішного пристрою, який є складовою частиною клавіатури. Клавішні пристрої введення інформації призначені для ручного введення алфавітно-цифрових символів з метою їх подальшого перетворення в електричні сигнали. Клавішні пристрої можуть виконуватись як автономні, конструктивно завершені одиниці, так і у вигляді вбудованих блоків. В загальному вигляді клавішний пристрій має одну або декілька клавіатур, шифратори, мультиплексори, інтерфейсні регістри, пристрої пам'яті, схему керування, індикатори контролю за станом клавіатури та ряд інших вузлів.

Рисунок 1.1 – Структура клавіатури

В структурі використано наступні абревіатури: ДШ - дешифратор, МПС - мультиплексор сигналів вибору клавіші; G - генератор тактових імпульсів, ЛЧ - лічильник імпульсів, ПД – протидребезгова схема, RG – регістр, МП - мікропроцесор, П - пам'ять, ІНТ – інтерфейс.

Схема працює в наступному порядку: лічильник ЛЧ, молодші розряди якого підключені до дешифратора ДШ, а старші до цифрового мультиплексора М, під впливом генератора Г за допомогою дешифратора вибирає сигнал логічного “О” на стовпцях матриці К. В цей час мультиплексор МПС під управлінням старших розрядів лічильника ЛЧ вибирає для опитування рядки матриці К. Якщо один з комутаційних елементів матриці К знаходиться в замкненому положенні, то при виборі відповідного стовпця, логічний “О” з виходу дешифратора ДШ з’являється на виході мультиплексора МПС та видає запис коду відповідного замкненого елемента в регістр RG. Після перетворення коду в стандартну форму послідовний інтерфейс передає його в процесор. Протидребезгова схема ПД частіше всього є одно вібратором з повторним запуском.

Клавіатура має модульну конструкцію і є частиною робочого місця оператора, яке повинно відповідати ряду ергономічних вимог. Клавіатура повинна розташовуватись під кутом біля 15 градусів до горизонтальної площини в доступній для оператора зоні та мати клавіші з вільним ходом 4 - 7мм, зусиллям натиску 0,9Н.

Клавіші, що використовуються в клавіатурах, поділяються на дві групи: контактні та безконтактні. Контактні клавіші знайшли широке застосування у якості елементів клавіатур. Вони поділяються за видом перемикачів на електромеханічні, герконові, мембранні, гумові, ємнісні.

Ємнісні клавіатури, що забезпечують найвищі показники надійності при порівняно низькій вартості та високій технологічності займають провідне положення на ринку клавіатур. Структура ємнісної клавіатури відображена на рисунку 1.2. При натисканні на клавішу зв'язок між пластинами ємнісної клавіатури різко збільшується, що легко визначити, пропускаючи по ланцюгу імпульсний сигнал. Проблема перешкодостійкості одна з найсуттєвіших для ємнісних клавіатур. Ця проблема вирішується в трьох напрямках: збільшення відношення сигнал/перешкода; введення адаптивного порогу спрацьовування; використання алгоритмічних методів відсіву перешкод.

Рисунок 1.2 – Структурна схема ємнісної клавіатури

Позначення на рисунку: М – матриця ємнісних перемикачів, АК –аналоговий комутатор, ДШ – дешифратор, Г – генератор прямокутних імпульсів, Ф – формувач імпульсу опитування, ЛЧ – двійковий лічильник, ПВЗ – пристрій вибірки та зберігання, К – компаратор, О1,О2 – одновібратори, РГ – регістр, ПІ – послідовний інтерфейс.

Сканування матриці перемикача здійснюється аналогічно клавіатурі з електромеханічними перемикачами. Для кожної з вибраних ємнісних клавіш формувач генерує імпульс опитування, що призводить до появи позитивного та негативного сплеску напруги. Для натисненої клавіші такий сплеск буде в декілька раз вищий, ніж для ненатисненої. Для формування адаптивного порогу (під кожний ємнісний перемикач) рівень напруги безпосередньо перед сплеском запам'ятовується на ПВЗ. Перевищення сплеску над порогом свідчить про те, що клавішу натиснуто. Реєстрація натискання фіксується, як по позитивному перемиканню схеми фіксації (ПВЗ1, К1, О1), так і по негативному (ПВЗ2, К2, О2), що дає можливість ігнорувати імпульсну перешкоду. Збіг сигналів О1 та О2 формує сигнал запису коду вибраної клавіші в регістр. Принцип дії клавіші ілюструє рисунок 1.3.

Рисунок 1.3 – Принцип дії ємнісного перемикача.

Оптоелектронні клавіатури, не маючи електричного контакту, за своєю надійністю не поступаються ємнісним, але за стійкістю до дії перешкод значно їх перевищують. Завдяки цьому вони незамінні там, де існує високий рівень перешкод, наприклад, електромагнітне поле, радіаційне випромінювання та інше.

Звичайно, оптоелектронні клавіатури містять в собі лінійки світловипромінювачів та фотоприймачів, отже промені, які їх з'єднують, утворюють матрицю. У вузлах матриць розміщені елементи перемикання так, що при натисканні клавіші вони перекривають випромінювання по рядках та стовпчиках матриці. Контролер клавіатури реєструє перекриття світлових променів та виробляє код відповідно знакомісцю клавіші. Оскільки швидкодія не є першочерговим фактором в людинно-машиннім інтерфейсі, то з метою зменшення апаратних витрат використовують послідовне сканування оптоелектронних каналів. В останній час починають поширюватись модульні оптронні клавішні перемикачі та клавіатури з світловим кодуванням.

На рисунку 1.4 зображена конструкція фотоелектричного клавішного перемикача. Кодування за допомогою клавіатури, побудованої на базі цих перемикачів, здійснюється шляхом переривання світлового потоку при натисканні клавіші. Пристрій складається з матричної панелі (МП), кодуючої маски (KM), зв'язаної з клавішами, джерела світла та фотоприймачів. Джерело світла та фотоприймач встановлені на протилежних стінках корпусу. МП та KM розмішують між ними таким чином, щоб забезпечувалась співосність відповідних отворів в МП та KM. Отвори в МП модулюють промені світла, що падають на фотоприймачі. При натисканні на клавішу між МП вводиться кодуюча маска, яка пропускає світловий потік, необхідний для одержання відповідної кодової комбінації.

Рисунок 1.4 – Конструкція фотоелектричної клавіатури.

Можна вважати, що при досягненні більш високої якості світлодіодів (мінімальний розкид по яскравості) оптронні клавіатури та модульні оптрони і перемикачі зможуть успішно конкурувати з перемикачами, що використовують ефект Холла.

Сенсорні перемикачі не мають рухомих механічних елементів. Процес вмикання (перемикання) викликається лише дотиком пальців оператора до клавіатури. Робота на сенсорній клавіатурі вимагає певних навиків, оскільки клавіші нерухомі або малорухомі, а "зворотний зв'язок" з оператором замикається через фіксатор інформації, що вводиться.

Перетворення електричного сигналу від тієї чи іншої клавіші в двійковий код (відповідно кодовій таблиці) здійснює шифратор. Шифратори можуть виконуватись на контактній або безконтактній основі, отже останні - на інтегральних елементах - отримали переважний розвиток.

Для узгодження клавіатури з мікропроцесором зазвичай використовуються БІС програмованих мікроконтролерів або мікропроцесорів клавіатури.