人机交互设备接口技术.ppt

第第9章章 人机交互设备接口技术人机交互设备接口技术 人机交互技术人机交互技术(Human-Computer Interaction Techniques)是指通过计算机输入是指通过计算机输入/输出设备，以有效的方式输出设备，以有效的方式实现人与计算机对话的技术。它包括机器通过输出或显示设实现人与计算机对话的技术。它包括机器通过输出或显示设备给人提供大量有关信息及提示请示等，人通过输入设备给备给人提供大量有关信息及提示请示等，人通过输入设备给机器输入有关信息及提示请示等，人通过输入设备给机器输机器输入有关信息及提示请示等，人通过输入设备给机器输入有关信息，回答问题等。随着计算机应用领域的日益广泛，入有关信息，回答问题等。随着计算机应用领域的日益广泛，人机交互设备有了很大的发展。不仅那些以计算机为中心的人机交互设备有了很大的发展。不仅那些以计算机为中心的常规输入常规输入/输出设备在不断发展与更新，而且逐步研制和生产输出设备在不断发展与更新，而且逐步研制和生产了各种以人为中心的智能设备。本章主要介绍几种常规人机了各种以人为中心的智能设备。本章主要介绍几种常规人机交互设备的接口方法，借此让我们了解他们的工作原理。交互设备的接口方法，借此让我们了解他们的工作原理。9.1 键盘的分类键盘的分类键盘在计算机应用系统中是一个很关键的部件，它能实现向计算键盘在计算机应用系统中是一个很关键的部件，它能实现向计算机输入数据、传达命令等功能，是人和计算机交互的主要输入设备。机输入数据、传达命令等功能，是人和计算机交互的主要输入设备。常规的键盘有机械式按键和电容式按键两种，在工控机键盘中还常规的键盘有机械式按键和电容式按键两种，在工控机键盘中还有一种轻触薄膜按键的键盘。机械式键盘是最早被采用的结构，一有一种轻触薄膜按键的键盘。机械式键盘是最早被采用的结构，一般类似金属接触式开关的原理使触点导通或断开，具有工艺简单、般类似金属接触式开关的原理使触点导通或断开，具有工艺简单、维修方便、手感一般、噪声大、易磨损的特性，大部分廉价的机械维修方便、手感一般、噪声大、易磨损的特性，大部分廉价的机械键盘采用铜片弹簧作为弹性材料，铜片易折易失去弹性，使用时间键盘采用铜片弹簧作为弹性材料，铜片易折易失去弹性，使用时间一长故障率升高，现在已基本被淘汰，取而代之的是电容式键盘。一长故障率升高，现在已基本被淘汰，取而代之的是电容式键盘。它是基于电容式开关的键盘，原理是通过按键改变电极间的距离产它是基于电容式开关的键盘，原理是通过按键改变电极间的距离产生电容量的变化，暂时形成震荡脉冲允许通过的条件。理论上这种生电容量的变化，暂时形成震荡脉冲允许通过的条件。理论上这种开关是无触点非接触式的，磨损率极小甚至可以忽略不计，也没有开关是无触点非接触式的，磨损率极小甚至可以忽略不计，也没有接触不良的隐患，具有噪音小，容易控制手感，可以制造出高质量接触不良的隐患，具有噪音小，容易控制手感，可以制造出高质量的键盘，但工艺较机械结构复杂。还有一种用于工控机的键盘为了的键盘，但工艺较机械结构复杂。还有一种用于工控机的键盘为了完全密封采用轻触薄膜按键，只适用于特殊场合。其按键结构原理完全密封采用轻触薄膜按键，只适用于特殊场合。其按键结构原理如图如图9-1所示。所示。按照键盘插口方式，键盘可分为串口（按照键盘插口方式，键盘可分为串口（AT）键盘）键盘（大口）、并口（即（大口）、并口（即PS/2）键盘（小口）两类。其接）键盘（小口）两类。其接口引脚及功能说明如图口引脚及功能说明如图9-2所示。所示。按键盘编码方式分类，分为编码键盘和非编码键按键盘编码方式分类，分为编码键盘和非编码键盘。编码键盘是键盘电路在某个键被按下后，能提供盘。编码键盘是键盘电路在某个键被按下后，能提供该键所代表的信息代码，并以并行或串行信号输给该键所代表的信息代码，并以并行或串行信号输给CPU。非编码键盘是一种便宜而广泛用于微机系统的。非编码键盘是一种便宜而广泛用于微机系统的输入设备。这种键盘内部有一个扫描电路，不断地扫输入设备。这种键盘内部有一个扫描电路，不断地扫描键盘是否有键被按下。描键盘是否有键被按下。9.2 键盘的工作原理键盘的工作原理键盘的一个键在结构上相当于一个按键开关，当按下时接通，键盘的一个键在结构上相当于一个按键开关，当按下时接通，放开时断开。如果一个键就需要放开时断开。如果一个键就需要I/O接口的一个位，那么这种键接口的一个位，那么这种键盘称为单线键盘。这种键对于计算机识别来说很简单，只要读盘称为单线键盘。这种键对于计算机识别来说很简单，只要读取键盘输入端口的值查看按键对应的各位状态就行了；但是当取键盘输入端口的值查看按键对应的各位状态就行了；但是当键盘上的键较多时就需要输入端口的位也多，硬件开销就比较键盘上的键较多时就需要输入端口的位也多，硬件开销就比较大。因此，这种方式的键盘只适用于只有少数几个键的键盘。大。因此，这种方式的键盘只适用于只有少数几个键的键盘。当键盘的键较多时，往往将键排列成矩阵的连接方法，通过行当键盘的键较多时，往往将键排列成矩阵的连接方法，通过行列的方式来识别各个按键，这种键盘叫做行列键。键盘只简单列的方式来识别各个按键，这种键盘叫做行列键。键盘只简单地提供按键开关的行列矩阵。有关按键的识别、键码的确定、地提供按键开关的行列矩阵。有关按键的识别、键码的确定、去抖动、串键处理等功能均由软件完成。目前在计算机系统中去抖动、串键处理等功能均由软件完成。目前在计算机系统中为了降低成本大多采用非编码键盘。由于非编码键盘的使用非为了降低成本大多采用非编码键盘。由于非编码键盘的使用非常广泛，因此下面我们主要介绍其工作原理。常广泛，因此下面我们主要介绍其工作原理。下面以下面以34矩阵非编码键盘为例来说明其工作原理。图矩阵非编码键盘为例来说明其工作原理。图9-3显显示出了这种键盘的结构，键盘通过并行接口芯片示出了这种键盘的结构，键盘通过并行接口芯片8255A与微机相与微机相连。连。8255A的的A口定义为输出口，与键盘行线相连；口定义为输出口，与键盘行线相连；B口定义为口定义为输入口，与键盘列线相连。设输入口，与键盘列线相连。设8255A A口地址为口地址为40H，B口地址口地址为为41H，控制寄存器地址为，控制寄存器地址为43H。9.3 PC 系列机的键盘系列机的键盘9.3.1 PC 系列机键盘工作原理系列机键盘工作原理1PC微机键盘的特点微机键盘的特点PC微机常用的键盘有微机常用的键盘有101键的增强型键盘和键的增强型键盘和102键的扩展键盘以键的扩展键盘以及及104键的键的Windows键盘。不论键数的多少均具有如下特点：键盘。不论键数的多少均具有如下特点：键盘由单片机、译码器和键盘由单片机、译码器和16行行8列的键开关矩阵三大部分组列的键开关矩阵三大部分组成。成。按键采用电容开关，即按键时的上下动作使电容量发生变化，按键采用电容开关，即按键时的上下动作使电容量发生变化，从而实现开关接通或断开的目的。从而实现开关接通或断开的目的。它是一种由单片机扫描、编码的智能化键盘。尽管它使用的它是一种由单片机扫描、编码的智能化键盘。尽管它使用的单片机能够自动地识别键的按下与释放，自动生成相应的扫描码单片机能够自动地识别键的按下与释放，自动生成相应的扫描码(即行列位置码即行列位置码)，并以串行方式发往主机，具有编码键盘的绝大部，并以串行方式发往主机，具有编码键盘的绝大部分功能。但是，它不能直接提供与键功能对应的键值或键码，必分功能。但是，它不能直接提供与键功能对应的键值或键码，必须由主机在键处理程序中将键盘提供的扫描码转换为反映键功能须由主机在键处理程序中将键盘提供的扫描码转换为反映键功能的的ASCII码。因此，属于非编码键盘。码。因此，属于非编码键盘。它是一个与主机箱分开的独立部件，通过一根五芯电缆与主它是一个与主机箱分开的独立部件，通过一根五芯电缆与主机相连接。机相连接。9.3.2 PC/XT机与键盘的接口机与键盘的接口 PC/XT系列键盘主要由单片机、译码器和系列键盘主要由单片机、译码器和16行行8列的键开关阵列三部分组成，如图列的键开关阵列三部分组成，如图9-4所示。其中单所示。其中单片机采用了片机采用了INTEL 8048单片微处理器控制，其内部单片微处理器控制，其内部集成了集成了8位位 CPU、10248位的位的ROM、648位的位的RAM、8位的定时器位的定时器/计数器等器件。计数器等器件。8048单片机承担了键盘单片机承担了键盘扫描、消抖并生成键扫描码、对扫描码进行并扫描、消抖并生成键扫描码、对扫描码进行并/串转换，串转换，并将串行的键扫描码和时钟送到主机。单片机中的计并将串行的键扫描码和时钟送到主机。单片机中的计数器用于定时工作方式，每数器用于定时工作方式，每96s计数器增计数器增1。P20输输出一个选通信号时，则行、列译码电路开始工作。出一个选通信号时，则行、列译码电路开始工作。8位计数器的位计数器的b6b3位和位和b2b0位，经位，经DB总线送至键总线送至键盘阵列的行扫描、列扫描译码电路，进行行列扫描。盘阵列的行扫描、列扫描译码电路，进行行列扫描。9.3.3 PC/AT机与键盘的接口机与键盘的接口 PC/AT机的键盘接口电路远比机的键盘接口电路远比PC/XT的键盘接口电路复杂。的键盘接口电路复杂。PC/AT机采用机采用8042（8741或或8742）作为键盘接口控制电路，）作为键盘接口控制电路，负责键盘接口的全部功能，实现了键盘与主机之间的双向数负责键盘接口的全部功能，实现了键盘与主机之间的双向数据传送。据传送。图图9-5 8042芯片的引脚信号芯片的引脚信号图图9-7 AT机键盘接口机键盘接口9.4 鼠标接口鼠标接口 由于现代操作系统以日趋图形化，因此给用户提供由于现代操作系统以日趋图形化，因此给用户提供的作业控制操作以由命令行方式改为图形方式，使用的作业控制操作以由命令行方式改为图形方式，使用窗口菜单和按钮组成的图形界面。这种操作方式离不窗口菜单和按钮组成的图形界面。这种操作方式离不开鼠标，鼠标已成为现代操作系统人机交互的必不可开鼠标，鼠标已成为现代操作系统人机交互的必不可少的输入设备。少的输入设备。9.4.1 鼠标器的分类鼠标器的分类9.4.2 鼠标器的工作原理鼠标器的工作原理 鼠标器的工作就是要将鼠标在平面上的移动变成光标在屏鼠标器的工作就是要将鼠标在平面上的移动变成光标在屏幕上的绝对位置，并在这个位置上按下按键或拨动滚轮完成相幕上的绝对位置，并在这个位置上按下按键或拨动滚轮完成相应的操作。简单地说就是定位下的作业或操作控制。当鼠标器应的操作。简单地说就是定位下的作业或操作控制。当鼠标器相对桌面移动时，采样机构按相对桌面移动时，采样机构按X，Y相垂直的方向把位置和距相垂直的方向把位置和距离信息送往传感器，由传感器将它们转换成脉冲信号，输入给离信息送往传感器，由传感器将它们转换成脉冲信号，输入给专用的微处理器，然后由微处理器按照异步串行口（或并行口）专用的微处理器，然后由微处理器按照异步串行口（或并行口）通讯协议，将动作位移以相应的数据格式传送到计算机主机。通讯协议，将动作位移以相应的数据格式传送到计算机主机。目前常用的鼠标有机械式鼠标和光电式鼠标。目前常用的鼠标有机械式鼠标和光电式鼠标。图图9-8 鼠标器组成原理鼠标器组成原理光电鼠标通常由以下部分组成：光学感应器、光学透光电鼠标通常由以下部分组成：光学感应器、光学透镜、发光二极管、接口微处理器、轻触式按键、滚轮、镜、发光二极管、接口微处理器、轻触式按键、滚轮、连线、连线、PS/2或或USB接口、外壳等。其结构如图接口、外壳等。其结构如图9-9所示。所示。9.4.3 鼠标器与主机的连接鼠标器与主机的连接 除总线式鼠标器以外，当前的鼠标器中都有一除总线式鼠标器以外，当前的鼠标器中都有一个专用的微处理器。由该微处理器来处理鼠标个专用的微处理器。由该微处理器来处理鼠标事件（移动鼠标器、按下事件（移动鼠标器、按下/放开按键以及拨动滚放开按键以及拨动滚轮等），并将处理结果组织成串行数据发送给轮等），并将处理结果组织成串行数据发送给主机。主机。9.5 显示器接口技术显示器接口技术 显示器是任何计算机系统不可缺少的设备，显示器是任何计算机系统不可缺少的设备，它是人机交互的最基本的输出设备。当前的它是人机交互的最基本的输出设备。当前的微机系统一般配置微机系统一般配置CRT显示器和液晶显示器和液晶（LCD）显示器。在一些专用系统中、一些）显示器。在一些专用系统中、一些嵌入式系统中，往往只需要简单的字符显示嵌入式系统中，往往只需要简单的字符显示功能，这时候只要用功能，这时候只要用LED数码管或数码管或LCD显示显示片就够了，这样还能降低整个系统的成本、片就够了，这样还能降低整个系统的成本、缩小体积、减少功耗和提高可靠性。缩小体积、减少功耗和提高可靠性。9.5.1 LED显示器接口技术显示器接口技术LED（Light Emitting Diode）是七段或八段）是七段或八段数数码码管的管的简简称。它广泛用于嵌入式系称。它广泛用于嵌入式系统统与与单单板板机系机系统统等系等系统统的的显显示部件中。示部件中。1LED显显示器的原理示器的原理(1)LED显显示器的示器的结结构构LED显显示器的外形和内部示器的外形和内部结结构如构如图图9-12所示。所示。2LED显示器的接口显示器的接口用多个数码管组成用多个数码管组成LED显示器的接口电路都比显示器的接口电路都比较简单，一般的驱动显示有两种方法：静态驱动较简单，一般的驱动显示有两种方法：静态驱动法和动态驱动法。法和动态驱动法。9.5.2 CRT显示器接口技术显示器接口技术CRT(Cathode Ray Tube，阴极射线管，阴极射线管)显示器是微机系统显示器是微机系统中一种最基本的人机交互输出设备。由于它能将计算机中的数中一种最基本的人机交互输出设备。由于它能将计算机中的数据以字符、图形和图像的形式在荧光屏上直观地显示出来，并据以字符、图形和图像的形式在荧光屏上直观地显示出来，并且具有响应速度快、无噪音、无机械磨损、使用方便等优点，且具有响应速度快、无噪音、无机械磨损、使用方便等优点，因而被作为一种理想的人机交互设备在微机系统中广泛使用。因而被作为一种理想的人机交互设备在微机系统中广泛使用。1显示器的类型显示器的类型按显示屏的结构分为按显示屏的结构分为CRT阴极射线管式和阴极射线管式和LCD液晶式显示器；液晶式显示器；按色彩形式分为单色显示器和彩色显示器；按视频信号的输入按色彩形式分为单色显示器和彩色显示器；按视频信号的输入形式分为数字式和模拟式显示器；按分辨率分为高分辨率和低形式分为数字式和模拟式显示器；按分辨率分为高分辨率和低分辨率显示器；按显示方式分为分辨率显示器；按显示方式分为MDA、CGA、EGA、VGA、SVGA及及XGA等几种方式。现在常见的使用类型是等几种方式。现在常见的使用类型是CRT和和LCD。2CRT显示原理显示原理 CRT显示器主要部分是阴极射线管。阴极射线管由阴极、显示器主要部分是阴极射线管。阴极射线管由阴极、栅极、栅极、加速极和聚焦极以及荧光屏组成。阴极用来发射电子，所以也加速极和聚焦极以及荧光屏组成。阴极用来发射电子，所以也叫电子枪。阴极发射的电子在栅极、加速极、高压极和聚焦极叫电子枪。阴极发射的电子在栅极、加速极、高压极和聚焦极产生的电磁场作用下，形成具有一定能量的电子束，产生的电磁场作用下，形成具有一定能量的电子束，射到荧光射到荧光屏上使荧光粉发光产生亮点，从而达到显示的目的。为了在整屏上使荧光粉发光产生亮点，从而达到显示的目的。为了在整个屏幕上显示出字符或图形，必须采用光栅扫描方式。个屏幕上显示出字符或图形，必须采用光栅扫描方式。CRT显显示器中有水平和垂直偏转线圈，电子枪产生的电子束通过水平示器中有水平和垂直偏转线圈，电子枪产生的电子束通过水平偏转线圈产生的磁场后从左到右做水平方向移动，到右端之后，偏转线圈产生的磁场后从左到右做水平方向移动，到右端之后，又立刻回到左端；通过垂直偏转线圈产生的磁场后从上到下做又立刻回到左端；通过垂直偏转线圈产生的磁场后从上到下做垂直方向移动，到底部之后，又立刻回到上面。垂直方向移动，到底部之后，又立刻回到上面。3CRT显显示器接口示器接口CRT显显示器原理如示器原理如图图9-14所示，所示，显显示接口卡从示接口卡从主机接受主机接受显显示示输输出信号，出信号，经过处经过处理和理和变换变换然后然后输输出。出。显显示器从示器从VGA显显示卡的示卡的输输出端口接收出端口接收红红、蓝蓝、绿绿三色模三色模拟拟信号及行同步信号和信号及行同步信号和场场同步信号，并同步信号，并对对它它们进们进行不同的行不同的处处理后送到理后送到CRT，这样这样才可以才可以在屏幕上在屏幕上显显示出字符和示出字符和图图像。按像。按显显示色彩划分，示色彩划分，CRT显显示器可分示器可分为单为单色和彩色两色和彩色两类类。对对于于单单色色显显示适配器来示适配器来说说，它由，它由CRT控制器、控制器、显显示示缓缓冲器、冲器、数据数据锁锁存器、字符存器、字符发发生器、字符移位寄存器、生器、字符移位寄存器、图图形移位寄存器等形移位寄存器等组组成。成。对对于彩色于彩色显显示适配器，示适配器，则则需要在上述基需要在上述基础础上再增加色彩上再增加色彩编码编码器、器、选选色和色和综综合合扫扫描、工作方式控制、描、工作方式控制、时时序序产产生与控制、合成生与控制、合成彩色彩色产产生器等。生器等。4VGA工作原理介绍工作原理介绍 VGA的接口逻辑仍由显示数据处理和扫描控制两部分的接口逻辑仍由显示数据处理和扫描控制两部分逻辑组成。扫描控制部分的主要作用是产生水平和垂逻辑组成。扫描控制部分的主要作用是产生水平和垂直同步信号、回扫信号、消隐信号，并对数据在屏幕直同步信号、回扫信号、消隐信号，并对数据在屏幕上的显示格式进行控制；显示数据处理逻辑包含显示上的显示格式进行控制；显示数据处理逻辑包含显示存储器、并串转换器和属性控制器等部分。一般显示存储器、并串转换器和属性控制器等部分。一般显示电路含有两部分，即刷新缓存和显示变换。电路含有两部分，即刷新缓存和显示变换。5VGA显示器与主机的连接口信号显示器与主机的连接口信号微机主机通过显示适配器与显示器连接，根据显示微机主机通过显示适配器与显示器连接，根据显示驱动方式不同一般有两种：直接驱动和复合驱动。驱动方式不同一般有两种：直接驱动和复合驱动。复合驱动是将视频信号和行、场同步信号合成一个复合驱动是将视频信号和行、场同步信号合成一个信号驱动，其接口简单，只需要信号线和地线就行信号驱动，其接口简单，只需要信号线和地线就行了；直接驱动是将各信号分开驱动，使用了；直接驱动是将各信号分开驱动，使用9芯或芯或15芯芯D型连接头。其信号分配如表型连接头。其信号分配如表9-3所示。所示。线线芯芯号号2345678910 11 12 13 14 15VGA及以及以上上(模模拟拟)红红 绿绿 蓝蓝标标志志号号红红回回送送绿绿回回送送蓝蓝回回送送地地标标志志号号标标志志号号行行同同步步场场同同步步9.5.3 LCD显示器接口技术显示器接口技术LCD是是Liquid Crystal Display（液晶显示器）的缩写。所（液晶显示器）的缩写。所谓液晶，是在常温下呈液态，并且光学性质近似于晶体的一大谓液晶，是在常温下呈液态，并且光学性质近似于晶体的一大类物质的统称，于类物质的统称，于19世纪末被奥地利的一位植物学家发现。液世纪末被奥地利的一位植物学家发现。液晶的分子排列对外界的环境变化（如温度、电磁场的弯化）十晶的分子排列对外界的环境变化（如温度、电磁场的弯化）十分敏感。当液晶的分子排列发生变化时，其光学性质也随之改分敏感。当液晶的分子排列发生变化时，其光学性质也随之改变。利用液晶的这一特点，变。利用液晶的这一特点，20世纪世纪60年代英国的科学家制造出年代英国的科学家制造出了第一块了第一块LCD。LCD分扭曲向列型（分扭曲向列型（TN-LCD）、超扭曲向列型（）、超扭曲向列型（STN-LCD）和薄膜晶体管（）和薄膜晶体管（TFT-LCD）等几种。其中，）等几种。其中，TFT-LCD已成为已成为LCD发展的主要方向，它使发展的主要方向，它使LCD进入高画质真彩图像显进入高画质真彩图像显示的新阶段。示的新阶段。