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第9章人機(jī)交互設(shè)備接口技術(shù)人機(jī)交互技術(shù)(Human-ComputerInteractionTechniques)是指通過計算機(jī)輸入/輸出設(shè)備，以有效的方式實現(xiàn)人與計算機(jī)對話的技術(shù)。它包括機(jī)器通過輸出或顯示設(shè)備給人提供大量有關(guān)信息及提示請示等，人通過輸入設(shè)備給機(jī)器輸入有關(guān)信息及提示請示等，人通過輸入設(shè)備給機(jī)器輸入有關(guān)信息，回答問題等。隨著計算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的日益廣泛，人機(jī)交互設(shè)備有了很大的發(fā)展。不僅那些以計算機(jī)為中心的常規(guī)輸入/輸出設(shè)備在不斷發(fā)展與更新，而且逐步研制和生產(chǎn)了各種以人為中心的智能設(shè)備。本章主要介紹幾種常規(guī)人機(jī)交互設(shè)備的接口方法，借此讓我們了解他們的工作原理。,9.1鍵盤的分類鍵盤在計算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中是一個很關(guān)鍵的部件，它能實現(xiàn)向計算機(jī)輸入數(shù)據(jù)、傳達(dá)命令等功能，是人和計算機(jī)交互的主要輸入設(shè)備。常規(guī)的鍵盤有機(jī)械式按鍵和電容式按鍵兩種，在工控機(jī)鍵盤中還有一種輕觸薄膜按鍵的鍵盤。機(jī)械式鍵盤是最早被采用的結(jié)構(gòu)，一般類似金屬接觸式開關(guān)的原理使觸點導(dǎo)通或斷開，具有工藝簡單、維修方便、手感一般、噪聲大、易磨損的特性，大部分廉價的機(jī)械鍵盤采用銅片彈簧作為彈性材料，銅片易折易失去彈性，使用時間一長故障率升高，現(xiàn)在已基本被淘汰，取而代之的是電容式鍵盤。它是基于電容式開關(guān)的鍵盤，原理是通過按鍵改變電極間的距離產(chǎn)生電容量的變化，暫時形成震蕩脈沖允許通過的條件。理論上這種開關(guān)是無觸點非接觸式的，磨損率極小甚至可以忽略不計，也沒有接觸不良的隱患，具有噪音小，容易控制手感，可以制造出高質(zhì)量的鍵盤，但工藝較機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜。還有一種用于工控機(jī)的鍵盤為了完全密封采用輕觸薄膜按鍵，只適用于特殊場合。其按鍵結(jié)構(gòu)原理如圖9-1所示。,,按照鍵盤插口方式，鍵盤可分為串口（AT）鍵盤（大口）、并口（即PS/2）鍵盤（小口）兩類。其接口引腳及功能說明如圖9-2所示。按鍵盤編碼方式分類，分為編碼鍵盤和非編碼鍵盤。編碼鍵盤是鍵盤電路在某個鍵被按下后，能提供該鍵所代表的信息代碼，并以并行或串行信號輸給CPU。非編碼鍵盤是一種便宜而廣泛用于微機(jī)系統(tǒng)的輸入設(shè)備。這種鍵盤內(nèi)部有一個掃描電路，不斷地掃描鍵盤是否有鍵被按下。,,9.2鍵盤的工作原理鍵盤的一個鍵在結(jié)構(gòu)上相當(dāng)于一個按鍵開關(guān)，當(dāng)按下時接通，放開時斷開。如果一個鍵就需要I/O接口的一個位，那么這種鍵盤稱為單線鍵盤。這種鍵對于計算機(jī)識別來說很簡單，只要讀取鍵盤輸入端口的值查看按鍵對應(yīng)的各位狀態(tài)就行了；但是當(dāng)鍵盤上的鍵較多時就需要輸入端口的位也多，硬件開銷就比較大。因此，這種方式的鍵盤只適用于只有少數(shù)幾個鍵的鍵盤。當(dāng)鍵盤的鍵較多時，往往將鍵排列成矩陣的連接方法，通過行列的方式來識別各個按鍵，這種鍵盤叫做行列鍵。鍵盤只簡單地提供按鍵開關(guān)的行列矩陣。有關(guān)按鍵的識別、鍵碼的確定、去抖動、串鍵處理等功能均由軟件完成。目前在計算機(jī)系統(tǒng)中為了降低成本大多采用非編碼鍵盤。由于非編碼鍵盤的使用非常廣泛，因此下面我們主要介紹其工作原理。下面以34矩陣非編碼鍵盤為例來說明其工作原理。圖9-3顯示出了這種鍵盤的結(jié)構(gòu)，鍵盤通過并行接口芯片8255A與微機(jī)相連。8255A的A口定義為輸出口，與鍵盤行線相連；B口定義為輸入口，與鍵盤列線相連。設(shè)8255AA口地址為40H，B口地址為41H，控制寄存器地址為43H。,,9.3PC系列機(jī)的鍵盤9.3.1PC系列機(jī)鍵盤工作原理1．PC微機(jī)鍵盤的特點PC微機(jī)常用的鍵盤有101鍵的增強(qiáng)型鍵盤和102鍵的擴(kuò)展鍵盤以及104鍵的Windows鍵盤。不論鍵數(shù)的多少均具有如下特點：⑴鍵盤由單片機(jī)、譯碼器和16行8列的鍵開關(guān)矩陣三大部分組成。⑵按鍵采用電容開關(guān)，即按鍵時的上下動作使電容量發(fā)生變化，從而實現(xiàn)開關(guān)接通或斷開的目的。⑶它是一種由單片機(jī)掃描、編碼的智能化鍵盤。盡管它使用的單片機(jī)能夠自動地識別鍵的按下與釋放，自動生成相應(yīng)的掃描碼(即行列位置碼)，并以串行方式發(fā)往主機(jī)，具有編碼鍵盤的絕大部分功能。但是，它不能直接提供與鍵功能對應(yīng)的鍵值或鍵碼，必須由主機(jī)在鍵處理程序中將鍵盤提供的掃描碼轉(zhuǎn)換為反映鍵功能的ASCII碼。因此，屬于非編碼鍵盤。⑷它是一個與主機(jī)箱分開的獨立部件，通過一根五芯電纜與主機(jī)相連接。,9.3.2PC/XT機(jī)與鍵盤的接口PC/XT系列鍵盤主要由單片機(jī)、譯碼器和16行8列的鍵開關(guān)陣列三部分組成，如圖9-4所示。其中單片機(jī)采用了INTEL8048單片微處理器控制，其內(nèi)部集成了8位CPU、10248位的ROM、648位的RAM、8位的定時器/計數(shù)器等器件。8048單片機(jī)承擔(dān)了鍵盤掃描、消抖并生成鍵掃描碼、對掃描碼進(jìn)行并/串轉(zhuǎn)換，并將串行的鍵掃描碼和時鐘送到主機(jī)。單片機(jī)中的計數(shù)器用于定時工作方式，每96μs計數(shù)器增1。P20輸出一個選通信號時，則行、列譯碼電路開始工作。8位計數(shù)器的b6～b3位和b2～b0位，經(jīng)DB總線送至鍵盤陣列的行掃描、列掃描譯碼電路，進(jìn)行行列掃描。,,9.3.3PC/AT機(jī)與鍵盤的接口PC/AT機(jī)的鍵盤接口電路遠(yuǎn)比PC/XT的鍵盤接口電路復(fù)雜。PC/AT機(jī)采用8042（8741或8742）作為鍵盤接口控制電路，負(fù)責(zé)鍵盤接口的全部功能，實現(xiàn)了鍵盤與主機(jī)之間的雙向數(shù)據(jù)傳送。,,圖9-58042芯片的引腳信號,,圖9-7AT機(jī)鍵盤接口,9.4鼠標(biāo)接口由于現(xiàn)代操作系統(tǒng)以日趨圖形化，因此給用戶提供的作業(yè)控制操作以由命令行方式改為圖形方式，使用窗口菜單和按鈕組成的圖形界面。這種操作方式離不開鼠標(biāo)，鼠標(biāo)已成為現(xiàn)代操作系統(tǒng)人機(jī)交互的必不可少的輸入設(shè)備。9.4.1鼠標(biāo)器的分類9.4.2鼠標(biāo)器的工作原理鼠標(biāo)器的工作就是要將鼠標(biāo)在平面上的移動變成光標(biāo)在屏幕上的絕對位置，并在這個位置上按下按鍵或撥動滾輪完成相應(yīng)的操作。簡單地說就是定位下的作業(yè)或操作控制。當(dāng)鼠標(biāo)器相對桌面移動時，采樣機(jī)構(gòu)按X，Y相垂直的方向把位置和距離信息送往傳感器，由傳感器將它們轉(zhuǎn)換成脈沖信號，輸入給專用的微處理器，然后由微處理器按照異步串行口（或并行口）通訊協(xié)議，將動作位移以相應(yīng)的數(shù)據(jù)格式傳送到計算機(jī)主機(jī)。目前常用的鼠標(biāo)有機(jī)械式鼠標(biāo)和光電式鼠標(biāo)。,,圖9-8鼠標(biāo)器組成原理,光電鼠標(biāo)通常由以下部分組成：光學(xué)感應(yīng)器、光學(xué)透鏡、發(fā)光二極管、接口微處理器、輕觸式按鍵、滾輪、連線、PS/2或USB接口、外殼等。其結(jié)構(gòu)如圖9-9所示。,,9.4.3鼠標(biāo)器與主機(jī)的連接除總線式鼠標(biāo)器以外，當(dāng)前的鼠標(biāo)器中都有一個專用的微處理器。由該微處理器來處理鼠標(biāo)事件（移動鼠標(biāo)器、按下/放開按鍵以及撥動滾輪等），并將處理結(jié)果組織成串行數(shù)據(jù)發(fā)送給主機(jī)。,9.5顯示器接口技術(shù)顯示器是任何計算機(jī)系統(tǒng)不可缺少的設(shè)備，它是人機(jī)交互的最基本的輸出設(shè)備。當(dāng)前的微機(jī)系統(tǒng)一般配置CRT顯示器和液晶（LCD）顯示器。在一些專用系統(tǒng)中、一些嵌入式系統(tǒng)中，往往只需要簡單的字符顯示功能，這時候只要用LED數(shù)碼管或LCD顯示片就夠了，這樣還能降低整個系統(tǒng)的成本、縮小體積、減少功耗和提高可靠性。,9.5.1LED顯示器接口技術(shù)LED（LightEmittingDiode）是七段或八段數(shù)碼管的簡稱。它廣泛用于嵌入式系統(tǒng)與單板機(jī)系統(tǒng)等系統(tǒng)的顯示部件中。1．LED顯示器的原理LED顯示器的結(jié)構(gòu)LED顯示器的外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖9-12所示。,,2．LED顯示器的接口用多個數(shù)碼管組成LED顯示器的接口電路都比較簡單，一般的驅(qū)動顯示有兩種方法：靜態(tài)驅(qū)動法和動態(tài)驅(qū)動法。,9.5.2CRT顯示器接口技術(shù)CRT(CathodeRayTube，陰極射線管)顯示器是微機(jī)系統(tǒng)中一種最基本的人機(jī)交互輸出設(shè)備。由于它能將計算機(jī)中的數(shù)據(jù)以字符、圖形和圖像的形式在熒光屏上直觀地顯示出來，并且具有響應(yīng)速度快、無噪音、無機(jī)械磨損、使用方便等優(yōu)點，因而被作為一種理想的人機(jī)交互設(shè)備在微機(jī)系統(tǒng)中廣泛使用。1．顯示器的類型按顯示屏的結(jié)構(gòu)分為CRT陰極射線管式和LCD液晶式顯示器；按色彩形式分為單色顯示器和彩色顯示器；按視頻信號的輸入形式分為數(shù)字式和模擬式顯示器；按分辨率分為高分辨率和低分辨率顯示器；按顯示方式分為MDA、CGA、EGA、VGA、SVGA及XGA等幾種方式?，F(xiàn)在常見的使用類型是CRT和LCD。,2．CRT顯示原理CRT顯示器主要部分是陰極射線管。陰極射線管由陰極、柵極、加速極和聚焦極以及熒光屏組成。陰極用來發(fā)射電子，所以也叫電子槍。陰極發(fā)射的電子在柵極、加速極、高壓極和聚焦極產(chǎn)生的電磁場作用下，形成具有一定能量的電子束，射到熒光屏上使熒光粉發(fā)光產(chǎn)生亮點，從而達(dá)到顯示的目的。為了在整個屏幕上顯示出字符或圖形，必須采用光柵掃描方式。CRT顯示器中有水平和垂直偏轉(zhuǎn)線圈，電子槍產(chǎn)生的電子束通過水平偏轉(zhuǎn)線圈產(chǎn)生的磁場后從左到右做水平方向移動，到右端之后，又立刻回到左端；通過垂直偏轉(zhuǎn)線圈產(chǎn)生的磁場后從上到下做垂直方向移動，到底部之后，又立刻回到上面。,,3．CRT顯示器接口CRT顯示器原理如圖9-14所示，顯示接口卡從主機(jī)接受顯示輸出信號，經(jīng)過處理和變換然后輸出。顯示器從VGA顯示卡的輸出端口接收紅、藍(lán)、綠三色模擬信號及行同步信號和場同步信號，并對它們進(jìn)行不同的處理后送到CRT，這樣才可以在屏幕上顯示出字符和圖像。按顯示色彩劃分，CRT顯示器可分為單色和彩色兩類。對于單色顯示適配器來說，它由CRT控制器、顯示緩沖器、數(shù)據(jù)鎖存器、字符發(fā)生器、字符移位寄存器、圖形移位寄存器等組成。對于彩色顯示適配器，則需要在上述基礎(chǔ)上再增加色彩編碼器、選色和綜合掃描、工作方式控制、時序產(chǎn)生與控制、合成彩色產(chǎn)生器等。,,4．VGA工作原理介紹VGA的接口邏輯仍由顯示數(shù)據(jù)處理和掃描控制兩部分邏輯組成。掃描控制部分的主要作用是產(chǎn)生水平和垂直同步信號、回掃信號、消隱信號，并對數(shù)據(jù)在屏幕上的顯示格式進(jìn)行控制；顯示數(shù)據(jù)處理邏輯包含顯示存儲器、并串轉(zhuǎn)換器和屬性控制器等部分。一般顯示電路含有兩部分，即刷新緩存和顯示變換。,5．VGA顯示器與主機(jī)的連接口信號微機(jī)主機(jī)通過顯示適配器與顯示器連接，根據(jù)顯示驅(qū)動方式不同一般有兩種：直接驅(qū)動和復(fù)合驅(qū)動。復(fù)合驅(qū)動是將視頻信號和行、場同步信號合成一個信號驅(qū)動，其接口簡單，只需要信號線和地線就行了；直接驅(qū)動是將各信號分開驅(qū)動，使用9芯或15芯D型連接頭。其信號分配如表9-3所示。,9.5.3LCD顯示器接口技術(shù)LCD是LiquidCrystalDisplay（液晶顯示器）的縮寫。所謂液晶，是在常溫下呈液態(tài)，并且光學(xué)性質(zhì)近似于晶體的一大類物質(zhì)的統(tǒng)稱，于19世紀(jì)末被奧地利的一位植物學(xué)家發(fā)現(xiàn)。液晶的分子排列對外界的環(huán)境變化（如溫度、電磁場的彎化）十分敏感。當(dāng)液晶的分子排列發(fā)生變化時，其光學(xué)性質(zhì)也隨之改變。利用液晶的這一特點，20世紀(jì)60年代英國的科學(xué)家制造出了第一塊LCD。LCD分扭曲向列型（TN-LCD）、超扭曲向列型（STN-LCD）和薄膜晶體管（TFT-LCD）等幾種。其中，TFT-LCD已成為LCD發(fā)展的主要方向，它使LCD進(jìn)入高畫質(zhì)真彩圖像顯示的新階段。,