《現(xiàn)代微機原理與接口》課件(研究生)第5章

第5章

人機交互接口

鍵盤接口

LED顯示器接口CRT顯示器接口其他人機交互接口（鼠標(biāo)器、光筆、觸摸屏、操縱桿、圖形板等）5.1鍵盤接口

⑴編碼鍵盤。這種鍵盤內(nèi)部能自動檢測被按下的鍵，并提供與被按鍵對應(yīng)的鍵碼，如ASCII碼、EBCDIC碼等，以并行或串行方式送給CPU。它使用方便，接口簡單。

⑵非編碼鍵盤。這種鍵盤只簡單地提供鍵盤的行列矩陣，而按鍵的識別和鍵值的確定、輸入等工作通過軟件完成。這是目前可得到的最便宜的微機輸入設(shè)備。

1．去抖動去抖動的方法通常有兩種:（1）軟件延時法：當(dāng)發(fā)現(xiàn)有鍵按下或釋放時，軟件延時一段時間再檢測。（2）硬件消抖動：在鍵開關(guān)與計算機接口之間加一個消抖動電路，如雙穩(wěn)電路、單穩(wěn)電路（輸出脈寬要大于抖動時間）、RC濾波電路等。由于硬件去抖動增加了電路的復(fù)雜性，每個按鍵都要一個去抖動電路，所以這種方法只適用于鍵數(shù)目較少的場合。在鍵數(shù)目較多時，大多采用軟件延時法去抖動。2．防串鍵串鍵是指兩個或兩個以上按鍵同時按下，或一個鍵按下后沒釋放又按下另一個鍵時產(chǎn)生的問題。

⑴雙鍵鎖定。⑵N鍵連鎖。3．按鍵識別和鍵碼產(chǎn)生

⑴行掃描法。⑵行列交換法。5.1.1鍵盤接口基本功能

常用的非編碼鍵盤有線性鍵盤和矩陣鍵盤兩種。

線性鍵盤是指其中每一個按鍵均有一條輸入線送到計算機的接口。若有N個鍵盤，則需要N條輸入線。

矩陣鍵盤是指按鍵按行（i）和列（j）排列，這種方式可排列i×j個按鍵，但送往計算機的輸入線僅為n=i+j條。5.1.2非編碼鍵盤接口（1）掃描法掃描法通過依次查詢鍵盤矩陣的枚一行線，然后讀取列數(shù)據(jù)確定按鍵是否在本行，具體方法如下：首先使PA0=0然后讀取PB端口，若PB=0FFH則表示行0沒有按鍵按下，再使PA1=0再讀取PB判斷行2有無按鍵按下，依次掃描全部的行線。當(dāng)PB讀取的數(shù)據(jù)不為0FFH，則表示該掃描行有按鍵按下，則再確定相應(yīng)的按鍵序號。

（2）行列交換法行列交換法也稱行列行反轉(zhuǎn)法，在識別閉合按鍵時，要將行線接一個并口，工作于輸出方式，將列線也接一個并口，工作于輸入方式，程序使CPU通過輸出端口向各行線上全部送低電平，然后讀入列線的值。如果某按鍵按下，則必定會使某一列線值為0。然后，程序再對兩個并行端口進行方式設(shè)置，使行線工作在輸入方式，列線工作在輸出方式，并將剛才讀到的列線值從列線所接的并口輸出，再讀取行線上的輸入值，在閉合鍵所在的行線上的值必定為0。這樣，當(dāng)一個按鍵被按下時，必定可以讀取一對唯一的行值和列值。

5.1.3PC機鍵盤接口

1．鍵盤的工作原理

①組合鍵：當(dāng)按下Ctrl、Shift、Alt等控制鍵時，INT09H中斷將其掃描碼送入DOS參數(shù)區(qū)40:17H單元，在用戶按下其他鍵時與40:17H單元內(nèi)容組合為一個組合鍵。如處理Ctrl+C鍵時，INT09H中斷首先將Ctrl鍵(掃描碼為1DH)存入40:17H單元，隨后再讀取后續(xù)按鍵，若按鍵為C，則解釋為Ctrl+C組合鍵。

②乒乓鍵：PC機設(shè)置有乒乓鍵(如NumLock、CapsLock等)計數(shù)位，通過計數(shù)位的0、1來區(qū)分按鍵狀態(tài)。若開機加電后未按過NumLock鍵或按偶數(shù)次，作為小鍵盤的光標(biāo)控制/編輯方式。在這種方式下若按下“7/Home”鍵時將解釋為“Home”編輯鍵，送入鍵盤緩沖區(qū)的鍵代碼為00，47H兩字節(jié)；若開機加電后按過奇數(shù)次NumLock鍵，則小鍵盤為數(shù)字方式，在這種方式下若按下“7/Home”鍵時將解釋為“7”數(shù)字，送入鍵盤緩沖區(qū)的鍵代碼為37H，47H兩字節(jié)。

③

換檔鍵：若DOS參數(shù)區(qū)40:17H單元的數(shù)據(jù)為02(ShiftL按下)或01(ShiftR按下)，BIOS程序?qū)⑤斎腈I解釋為對應(yīng)換檔鍵。

2．掃描碼和ASCII碼當(dāng)在鍵盤上“按下”或“放開”一個鍵時，如鍵盤中斷允許，就會在計算機上產(chǎn)生類型為09H的硬件中斷，CPU將控制轉(zhuǎn)入BIOS鍵盤中斷處理程序，以處理用戶鍵盤操作情況。鍵盤處理程序從8255并行接口芯片的

PA(I/O端口地址60H)讀取一個字節(jié)的數(shù)據(jù)，如所讀取數(shù)據(jù)D7=1，表示按鍵已放開(稱為斷碼)，如D7=0，表示鍵按下(通碼)，而數(shù)據(jù)的D6~D0則為按鍵的掃描碼。

3．鍵盤接口電路PC鍵盤接口電路如圖5.2所示，它由串并轉(zhuǎn)換芯片74LS322和一些觸發(fā)器、門電路構(gòu)成，數(shù)據(jù)通過8255的PA讀入計算機。

LED連接的線路不同，其編碼也不同，如圖5.4所示電路的LED編碼如表5-2所示。

2.點陣式LED顯示器LED點陣管可以代替數(shù)碼管、符號管和米字管。不僅可以顯示數(shù)字，也可顯示所有西文字母和符號。如果將多塊組合，可以構(gòu)成大屏幕顯示屏，用于漢字、圖形、圖表等等的顯示。被廣泛用于機場、車站、碼頭、銀行及許多公共場所的指示、說明、廣告等場合。圖5.6所示為8×8點陣LED外觀及引腳圖，其中0～7用于控制點陣LED的行，A～H用于控制點陣LED的列，其等效電路如圖5.7所示，只要其對應(yīng)的X、Y軸順向偏壓，即可使LED發(fā)光。如果使左上角LED點亮，則Y0=1，X0=0即可。實際應(yīng)用時限流電阻可以放在X軸或Y軸。5.3CRT顯示器接口

1．字符顯示原理顯示器顯示字符的方法以點陣為基礎(chǔ)。這種方法將字符分解成m×n個點陣組成的陣列，將點陣存入由ROM構(gòu)成的字符發(fā)生器中，在CRT進行光柵掃描的過程中，從字符發(fā)生器中依次讀出點陣，按照點陣的0和1控制掃描電子束開關(guān)，在屏幕上形成字符。字符點陣的多少取決于字符顯示質(zhì)量和字符塊大小，在PC機中字符窗口為9×14點陣，字符為7×9點陣。

5.3.1顯示器文本接口

PC機字符顯示原理如圖5.8所示。顯示的字符被存放在視頻存儲器(VRAM)中，字符發(fā)生器ROM的高位地址來自VRAM的ASCII碼，低位地址來自光柵地址計數(shù)器的輸出RA3～RA0，它具體指向這個字符點陣的某個字節(jié)。在顯示過程中，按照VRAM中的ASCII碼和光柵地址計數(shù)器訪問ROM，依次取出字符點陣，就可以完成一行字符的顯示輸出。2．字符顯示屬性顯示器上的每一個字符在視頻緩沖區(qū)(VRAM)由2個字節(jié)表示，第一個字節(jié)是顯示字符的ASCII碼，而第二個字節(jié)是該顯示字符的屬性。字符的屬性確定了該顯示字符的特性，如顯示字符的顏色、背景顏色、閃爍等，在彩色文本方式下，字符的屬性定義如圖5.9所示。

①BI=1：表示該顯示的字符閃爍，在MS-DOS下的漢字系統(tǒng)中，該位被用作其他用途，并且字符不能閃爍；

②D6~D4：表示該顯示字符的背景顏色RGB，在彩色文本方式中，顯示的字符共有8種背景顏色；

③D3~D0：表示該顯示字符的前景顏色RGB，在彩色文本方式中，顯示的字符共有16種前景顏色，I是加亮位，如I=1則表示RGB所對應(yīng)的顏色作加亮顯示。5.3.2顯示器圖形接口

VGA顯示卡結(jié)構(gòu)如圖5.10所示。1．VGA圖形顯示原理VGA(VideoGraphicsArray)顯示適配器是采用RGB模擬顯示的顯示接口卡。(1)彩色位面法

在VGA顯示適配器中，彩色位面法用于16色模式。圖形16色顯示時把VRAM劃分為4個彩色位面，屏幕上的像點特征由4個位面的值共同確定。

由0~3位面合成的值是一個顏色索引值，而不是真正顯示器所顯示的顏色值，真正顯示的顏色必須通過索引寄存器查到，再通過DAC表產(chǎn)生，如圖5.12所示。由此可見，如果更改顏色索引寄存器的數(shù)值，就可以達到換色的作用或改變顏色的作用。

(2)壓縮像素法在VGA或SuperVGA顯示適配器中，壓縮像素法主要用于256色以上的圖像顯示模式，在壓縮像素法中，VRAM中的一個字節(jié)對應(yīng)屏幕上的一個像點，由于一個字節(jié)的取值為0～255，所以屏幕上的點就有256種顏色的變化(256色)。VRAM與屏幕的映射關(guān)系如圖5.13所示。

2．DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換器數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)是VGA和SuperVGA圖形適配器所特有的寄存器組。DAC能將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，以驅(qū)動VGA或SuperVGA的RGB模擬顯示器。由于模擬信號可以連續(xù)變化，因此顯示器顯示的色彩變化可以非常平滑，適合人的視覺感受。DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換器由3個視頻數(shù)模轉(zhuǎn)換寄存器(RGB)和DAC電路組成，它們分別控制紅(R)、綠(G)、藍(B)原色亮度值(RGB)。每個寄存器為6位，其亮度值(色飽和度)范圍為0~63，3個寄存器一共可以產(chǎn)生64×64×64=266144種顏色。同時DAC還必須從查色表(顏色索引寄存器)中取得顏色編碼，以決定屏幕上應(yīng)顯示何種顏色。查色表為8位，所以DAC一次只能從查色表中轉(zhuǎn)換28=256種顏色。對于假彩色顯示適配器(顯卡)如VGA、SuperVGA等，雖然DAC能產(chǎn)生266144種顏色，但同一時刻同一屏上只能顯示256種顏色。5.3.3VESA圖形標(biāo)準(zhǔn)接口

工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化組織——視頻電子學(xué)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(VideoElectronicsStandardsAssociation，VESA)提出一組附加的BIOS功能調(diào)用圖形接口標(biāo)準(zhǔn)，從而解決了SuperVGA軟件開發(fā)、應(yīng)用的不兼容問題。但VESA也有它的先天不足，它是一個從軟件層解決SuperVGA適配器之間的兼容問題，并且只能在實地址模式中使用(不支持Windows)。但采用VESA標(biāo)準(zhǔn)圖形接口可以解決DOS下的應(yīng)用軟件的兼容，用VESA圖形接口開發(fā)的DOS應(yīng)用程序可以在不同的SuperVGA適配器上的DOS環(huán)境中運行。

5.3.4真彩色圖形顯示

真彩色指用戶程序?qū)懭腼@示緩存的圖形信息，不需要通過顏色索引轉(zhuǎn)換和調(diào)色板的轉(zhuǎn)換而直接通過DAC轉(zhuǎn)換為模擬量顯示，即寫入的顏色與顯示的顯示相同。真彩色顯示卡的結(jié)構(gòu)如圖5.14所示。

5.4其他人機交互接口

鼠標(biāo)器從工作原理上可分為機械式、光電式兩種。

MS鼠標(biāo)的串行通信參數(shù)為：1200bps，7位數(shù)據(jù)位，無奇偶校驗，1位停止位。MS鼠標(biāo)采用3字節(jié)數(shù)據(jù)格式(1B=X1LBRBY7Y6X7X6，2B=X0X5X4X3X2X1X0，3B=X0Y5Y4Y3Y2Y1Y0，其中LB=1表示鼠標(biāo)左鍵按下，RB=0右鍵按下)，通信使用TXD、RXD、RTS、DTR等控制線。

5.4其他人機交互接口

5.4.2觸摸屏原理及接口

觸摸屏從原理上可分為：電阻式觸摸屏、紅外線觸摸屏、電容式觸摸屏、表面聲波觸摸屏和近場成像觸摸屏等。觸摸屏都是用手指或其他物體觸摸安裝在顯示器前端的觸摸屏?xí)r，所觸摸的位置（以坐標(biāo)形式）由觸摸屏控制器檢測，并通過接口（通常是RS-232C）送到CPU，計算機從而確定用戶當(dāng)前所指位置（坐標(biāo)）。

5.4.3光筆接口

光筆是用于交互式繪圖、測量的部件，從外形看它像一支普通的筆，在頂部裝有光學(xué)鏡頭調(diào)節(jié)光圈的大小以控制視場。視場內(nèi)的光通量(亮度的強弱)經(jīng)過光纖送到脈沖檢測電路去檢測。顯示器上的每一亮點并不是恒亮的，而是隨著光柵掃描的到來由暗到亮，掃描后又由亮到暗變化著，這種動態(tài)的變化是人眼所不能觀察的(視覺暫留效應(yīng))，但卻會使光電檢測電路產(chǎn)生一連串的脈沖，如圖5.16所示。

當(dāng)用戶在光筆上按動按鈕開關(guān)時，光電脈沖輸出允許，光柵掃描到光筆所處像點時，光筆就向接口電路送出一個負(fù)脈沖。CPU用IN命令讀出狀態(tài)寄存器，狀態(tài)寄存器為4位，其中b3、b0位表示接口掃描狀態(tài)，b2、b1表示光筆狀態(tài)，