人機交互設備接口技術.ppt

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第9章人機交互設備接口技術人機交互技術(Human-ComputerInteractionTechniques)是指通過計算機輸入/輸出設備，以有效的方式實現人與計算機對話的技術。它包括機器通過輸出或顯示設備給人提供大量有關信息及提示請示等，人通過輸入設備給機器輸入有關信息及提示請示等，人通過輸入設備給機器輸入有關信息，回答問題等。隨著計算機應用領域的日益廣泛，人機交互設備有了很大的發(fā)展。不僅那些以計算機為中心的常規(guī)輸入/輸出設備在不斷發(fā)展與更新，而且逐步研制和生產了各種以人為中心的智能設備。本章主要介紹幾種常規(guī)人機交互設備的接口方法，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應用系統(tǒng)中是一個很關鍵的部件，它能實現向計算機輸入數據、傳達命令等功能，是人和計算機交互的主要輸入設備。常規(guī)的鍵盤有機械式按鍵和電容式按鍵兩種，在工控機鍵盤中還有一種輕觸薄膜按鍵的鍵盤。機械式鍵盤是最早被采用的結構，一般類似金屬接觸式開關的原理使觸點導通或斷開，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的鍵盤，原理是通過按鍵改變電極間的距離產生電容量的變化，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，可以制造出高質量的鍵盤，但工藝較機械結構復雜。還有一種用于工控機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。其按鍵結構原理如圖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系統(tǒng)的輸入設備。這種鍵盤內部有一個掃描電路，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構上相當于一個按鍵開關，當按下時接通，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的各位狀態(tài)就行了；但是當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幾個鍵的鍵盤。當鍵盤的鍵較多時，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的行列矩陣。有關按鍵的識別、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構，鍵盤通過并行接口芯片8255A與微機相連。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系列機的鍵盤9.3.1PC系列機鍵盤工作原理1．PC微機鍵盤的特點PC微機常用的鍵盤有101鍵的增強型鍵盤和102鍵的擴展鍵盤以及104鍵的Windows鍵盤。不論鍵數的多少均具有如下特點：⑴鍵盤由單片機、譯碼器和16行8列的鍵開關矩陣三大部分組成。⑵按鍵采用電容開關，即按鍵時的上下動作使電容量發(fā)生變化，從而實現開關接通或斷開的目的。⑶它是一種由單片機掃描、編碼的智能化鍵盤。盡管它使用的單片機能夠自動地識別鍵的按下與釋放，自動生成相應的掃描碼(即行列位置碼)，并以串行方式發(fā)往主機，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的鍵值或鍵碼，必須由主機在鍵處理程序中將鍵盤提供的掃描碼轉換為反映鍵功能的ASCII碼。因此，屬于非編碼鍵盤。⑷它是一個與主機箱分開的獨立部件，通過一根五芯電纜與主機相連接。,9.3.2PC/XT機與鍵盤的接口PC/XT系列鍵盤主要由單片機、譯碼器和16行8列的鍵開關陣列三部分組成，如圖9-4所示。其中單片機采用了INTEL8048單片微處理器控制，其內部集成了8位CPU、10248位的ROM、648位的RAM、8位的定時器/計數器等器件。8048單片機承擔了鍵盤掃描、消抖并生成鍵掃描碼、對掃描碼進行并/串轉換，并將串行的鍵掃描碼和時鐘送到主機。單片機中的計數器用于定時工作方式，每96μs計數器增1。P20輸出一個選通信號時，則行、列譯碼電路開始工作。8位計數器的b6～b3位和b2～b0位，經DB總線送至鍵盤陣列的行掃描、列掃描譯碼電路，進行行列掃描。,,9.3.3PC/AT機與鍵盤的接口PC/AT機的鍵盤接口電路遠比PC/XT的鍵盤接口電路復雜。PC/AT機采用8042（8741或8742）作為鍵盤接口控制電路，負責鍵盤接口的全部功能，實現了鍵盤與主機之間的雙向數據傳送。,,圖9-58042芯片的引腳信號,,圖9-7AT機鍵盤接口,9.4鼠標接口由于現代操作系統(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，鼠標已成為現代操作系統(tǒng)人機交互的必不可少的輸入設備。9.4.1鼠標器的分類9.4.2鼠標器的工作原理鼠標器的工作就是要將鼠標在平面上的移動變成光標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的操作。簡單地說就是定位下的作業(yè)或操作控制。當鼠標器相對桌面移動時，采樣機構按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）通訊協議，將動作位移以相應的數據格式傳送到計算機主機。目前常用的鼠標有機械式鼠標和光電式鼠標。,,圖9-8鼠標器組成原理,光電鼠標通常由以下部分組成：光學感應器、光學透鏡、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。其結構如圖9-9所示。,,9.4.3鼠標器與主機的連接除總線式鼠標器以外，當前的鼠標器中都有一個專用的微處理器。由該微處理器來處理鼠標事件（移動鼠標器、按下/放開按鍵以及撥動滾輪等），并將處理結果組織成串行數據發(fā)送給主機。,9.5顯示器接口技術顯示器是任何計算機系統(tǒng)不可缺少的設備，它是人機交互的最基本的輸出設備。當前的微機系統(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LED（LightEmittingDiode）是七段或八段數碼管的簡稱。它廣泛用于嵌入式系統(tǒng)與單板機系統(tǒng)等系統(tǒng)的顯示部件中。1．LED顯示器的原理LED顯示器的結構LED顯示器的外形和內部結構如圖9-12所示。,,2．LED顯示器的接口用多個數碼管組成LED顯示器的接口電路都比較簡單，一般的驅動顯示有兩種方法：靜態(tài)驅動法和動態(tài)驅動法。,9.5.2CRT顯示器接口技術CRT(CathodeRayTube，陰極射線管)顯示器是微機系統(tǒng)中一種最基本的人機交互輸出設備。由于它能將計算機中的數據以字符、圖形和圖像的形式在熒光屏上直觀地顯示出來，并且具有響應速度快、無噪音、無機械磨損、使用方便等優(yōu)點，因而被作為一種理想的人機交互設備在微機系統(tǒng)中廣泛使用。1．顯示器的類型按顯示屏的結構分為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。現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)光產生亮點，從而達到顯示的目的。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線圈，電子槍產生的電子束通過水平偏轉線圈產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；通過垂直偏轉線圈產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，顯示接口卡從主機接受顯示輸出信號，經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、綠三色模擬信號及行同步信號和場同步信號，并對它們進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、數據鎖存器、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、時序產生與控制、合成彩色產生器等。,,4．VGA工作原理介紹VGA的接口邏輯仍由顯示數據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生水平和垂直同步信號、回掃信號、消隱信號，并對數據在屏幕上的顯示格式進行控制；顯示數據處理邏輯包含顯示存儲器、并串轉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顯示器與主機的連接口信號微機主機通過顯示適配器與顯示器連接，根據顯示驅動方式不同一般有兩種：直接驅動和復合驅動。復合驅動是將視頻信號和行、場同步信號合成一個信號驅動，其接口簡單，只需要信號線和地線就行了；直接驅動是將各信號分開驅動，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)，并且光學性質近似于晶體的一大類物質的統(tǒng)稱，于19世紀末被奧地利的一位植物學家發(fā)現。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。當液晶的分子排列發(fā)生變化時，其光學性質也隨之改變。利用液晶的這一特點，20世紀60年代英國的科學家制造出了第一塊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進入高畫質真彩圖像顯示的新階段。,