Устройство ручного ввода знаковой информации

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 устройства 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 из набора {S₁, … S_N} подсое­диняется один провод, как показано на рис. 4.14. Количество клавиш N соответствует основанию кода алфавита плюс набор функций редактирования. Номер нажатой клавиши определяется путем организации сканирования, осуществляемого с помощью мультиплексора М,счетчика Сч,генератора тактовой частоты ТГ. Мультиплексор обеспечивает коммутацию N направлений в одно направле­ние в соответствии с кодом на адресных входах (A₁, … A_m).Разрядность адресных входов должна удовлетворять условию m ≥ [log₂N]. 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 в моменты замыкания и размыкания контактов и при вибрациях.

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, необходимой 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 необходимости в ПЗУ в схеме не возникает. Если одновременно с нажатием одной клавиши нажи­мают и другую, то изменение в состоянии схемы не произойдет до тех пор, пока выз­вавшая такую ситуацию клавиша не будет отпущена. Значит, эту схему можно считать и схемой кодирования приоритета.

Недостатком линейной адресации является большое количест­во проводов, необходимых для вывода информации с клавиатуры, и большое количество коммутируемых мультиплексором направлений.

Схема кодирования с двухкоординатной (матричной) адреса­цией клавиш показана на рис. 4.15. Каждая клавиша находится в узле матрицы проводников, состоящей из т_X столбцов и m_Y ря­дов, количество которых выбирают из условия

т_X m_Y = N . (4.47)

При квадратной матрице

. (4.48)

Общее количество выводов с матрицы клавиш, m_X + m_Y,на­много меньше, чем при линейной адресации. Действительно, при N = 256 линейная адресация требует 256 выводов, матричная в соответствии с (4.48) требует 32 вывода.

В схеме на рис. 4.15 к информационным входам мультиплексора подключены m_X выводов столбцов матрицы, а к его адресным входам - d младших разрядов счетчика СЧ(d = [log₂m_X]). Старшие q разрядов СЧ(q= [log₂m_Y]) подключены к 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 поставить в соответствие два знака, относящиеся к разным регистрам (напри­мер регистрам русского и латинского алфавитов). Клавиша реги­стра непосредственно воздействует на старший разряд ПЗУ.

В устройствах ввода информации может быть использован однокристальный контроллер кла­виатуры К536ИВ1, обеспечивающий коди­рование 90 клавиш (матрица 10×9). Здесь 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.

Обычно клавиатура имеет в своем составе контактные или бескон­тактные ключи S. Контактная клавиатураимеет малое переход­ное сопротивление в замкнутом и высокое - в разомкнутом со­стояниях. Основной недостаток контактной клавиатуры - 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 клавиатуравключает 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 перемещениемпре­образуют механическое перемещение в изменение светового или 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. Изменение соответствующего параметра цепи приводит к изменению частоты или срыву автоколебаний специального генератора, к задержке проходящего по цепи импульсного сигнала или изме­нению его уровня.

Рассмотрим в качестве примера сенсорный преобразователь с емкостной задержкой, схема которого приведена на рис. 4.16. Принцип действия иллюстрируется временными диаграммами, представленными на рис. 4.17.

В рассматриваемом устройстве на вход преобразователя поступают прямоугольные импульсы U_f с частотой следования f₀. Если не прикасаться к пластине сенсора S_n, то на вывод «б»ИМС DD₂поступают входные импульсы, инвертируемые ИМС DD₁(U₁).На выходе преобразо­вателя постоянно сохраняется логическая единица (U₀). Если при­коснуться к сенсору S_n,то к нему будет подключена емкость человека C_s. Из-за этой емкости импульсы на входе ИМС DD₂ ( )имеют некоторую задержку τ по отношению к импульсам на входе «а». В результате, когда на входы ИМС DD₂одновременно воздейст­вуют уровни логической единицы, на выходе сигнал имеет уровень логического нуля, т. е. формируется выходной импульс дли­тельностью τ, которая определяется постоянной времени C_sR:

τ = C_sR ln(U_OH - U_D1)/U_T , (4.49)

где U_OH - выходное напряжение логической единицы ИМС DD₁; U_D1- падение напряжения на диоде Д₁, U_T - пороговое напря­жение ИМС.

Выражение (4.49) не учитывает влияния времени задержки включения ИМС DD₁ t_D, что справедливо при условии τ >> t_D. Зна­чение R должно быть меньше или равно критическому значению (R_кр). В частности, для ИМС ТТЛ серии 155: U_T ≈1,4 В; I_IL ≤ 1,6 мА; U_OH ≥ 2,4В; R_кр ≈ 0,9 кОм. При этом вносимая емкость С_s обычно имеет порядок десятков пикофарад. Если принять C_s = 40 пФ и R =0,8кОм, то в соответствии с (4.49) τ = 40 нс. Такие короткие импульсы предъявляют жесткие требо­вания к монтажу клавиатуры - длине соединительных проводни­ков и расстоянию между ними.

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. Примером реализации бескон­тактной клавиатуры с использо­ванием емкостного эффекта мо­жет быть схема рис. 4.16. Здесь емкость C реализована в виде двух пластин, одна из которых непо­движна, а другая механически связана с клавишей. Нажатие клавиши приводит к перемеще­нию подвижной пластины и рез­кому изменению емкости C.

При конструировании бесконтактной клавиатуры широко ис­пользуется и эффект Холла. В частности, функцию магнитоуправляемого элект­ронного ключа может выполнять микросхема КБ116КП1. В ней в качестве магниточувствительного элемента используется интеграль­ный элемент Холла. Кроме того, в схему входят дифференциаль­ный усилитель, триггер Шмидта и выходной усилитель. Управляющее магнитное поле создается малогабаритным постоянным магнитом, расположенным на подвижней части клавиши. Время включения - порядка 0,25 мкс, а выключения - 0,5 мкс.