3. Клавиатуры пэвм

3.1. Общие сведения

Клавиатура —- основное устройство ручного ввода данных в ПЭВМ, кодируемых путем нажатия расположенных на ней клавиш. К конструкциям клавиатур предъявляется ряд общих технических требований: эргономических, функциональных, эксплуатационных, надежностных, стоимостных и др.

В профессиональных ПЭВМ клавиатуры обычно реализуются в виде функционально и конструктивно законченного узла — электронного пульта, размещенного в отдельном плоском корпусе. Клавиатура, как правило, может свободно перемещаться на столе пользователя, соединяться с системным блоком гибким кабелем или шнуром. Для удобства пользователя наклон плоских клавиатур на столе может регулироваться в пределах нескольких градусов. С этой же целью при вводе информации для обратной связи пользователя с ПЭВМ предусматривается звуковая и световая сигнализация. При нажатии и отпускании клавиши подается краткий звуковой сигнал, а набираемый символ отображается на устройстве отображения информации. Современные клавиатуры ПЭВМ обычно позволяют работать с несколькими фонетическими системами (алфавитами и буквами). Поэтому состояние клавиатуры (например указание о виде используемого алфавита или букв) осуществляется с помощью световой индикации (обычно светодиодной).

Клавишные наборные поля и электронные схемы реализуют специальные функции, например функции кодирования и управления клавиатурой, и реализуются на ИМС и других ЭРЭ. Клавишные переключатели, преобразующие механическое движение руки человека в электрический сигнал, — одни из основных элементов конструкции клавиатуры. Они, как и элементы электронных схем (ИМС, ЭРЭ, светодиоды и т.д.), размещаются на поверхности печатной либо другой несущей платы. Современные клавиатуры содержат несколько десятков клавиш с нанесенными на них различными символами (буквами, цифрами, специальными знаками).

Для упрощения работы с клавиатурой используется принцип кодирования клавиш, не зависящий от кодирования символов. В системное устройство ПЭВМ посылается не код символа, которому соответствует данная клавиша, а код самой клавиши (позиционный код). Интерпретация сигнала нажатой клавиши осуществляется программным путем, что обеспечивает гибкость и мобильность при использовании различных фонетических и даже семиотических систем. Переход к коду символа осуществляется специальной системой управления клавиатурой, поэтому можно с помощью специальных прикладных программ перепрограммировать те или иные клавиши для других целей.

3.2. Расположение клавиш и символов

Клавиши по функциональному назначению подразделяются на несколько групп. Многорядная матрица клавиш, расположенных в центре клавиатуры и предназначенных для ввода алфавитно-цифровых символов (для текстов и чисел) и управления, составляет основное наборное поле клавиатуры. Помимо основного наборного поля, клавиатуры могут содержать также одно либо несколько вспомогательных полей, необходимых для ввода в ПЭВМ числовой информации, редактирования и т.д.

Относительное положение клавиши на клавиатуре характеризуется ее позицией. Позиции алфавитно-цифровых клавиш обозначаются указанием ряда и столбца, на пересечении которых расположена клавиша в условной координатной сетке. Такое расположение символов на клавишах алфавитно-цифрового наборного поля соответствует стандартному расположению символов (QWERTY) иа пишущих машинках, принятому в начале века. Это позволяет пользователю ПЭВМ, работавшему на пишущих машинках, достигать высокой производительности ввода. Возможны и другое варианты расположения символов клавиатуры (Дворака и Делея).

В большинстве клавиатур профессиональных ПЭВМ для ввода цифр предусматривается также дополнительное цифровое поле, где, кроме цифр, могут располагаться символы арифметических операций и некоторые другие.

Кроме алфавитно—цифровых клавиш, в клавиатурах ПЭВМ имеются управляющие клавиши, которые предназначены для переключения алфавитов, режимов ввода прописных или строчных букв, а также других действий по управлению клавиатурой. Управляющие клавиши располагаются обычно слева и справа от алфавитно—цифровых и входят в состав основного наборного поля. Срабатывание управляющих клавиш вызывает включение или переключение режимов работы клавиатуры или изменение кодов, посылаемых в системное устройство ПЭВМ другими клавишами. К управляющим клавишам относятся, например, клавиши управления курсором (маркером или меткой, указывающей положение текущей позиции ввода на экране дисплея), клавиши удаления символов, клавиши, определяющие вид используемых букв, алфавита. В некоторых моделях клавиатур клавиши управления курсором с целью обеспечения быстрого перемещения курсора по экрану дисплея размещаются в отдельной зоне.

К управляющим клавишам относятся и так называемые функциональные клавиши (Fl—F12), предназначенные для ввода в ПЭВМ часто задаваемых пользователем команд или функций.

Функции их могут быть заданы программно пользователем, хотя при использовании некоторых программных средств, например дисковой операционной системы, значение этих клавиш может быть определено уже заранее.

В настоящее время используется 101 -клавишный стандарт клавиатуры, применяемый сейчас во всех ПЭВМ фирмы IBM и в ПЭВМ большинства других изготовителей компьютеров

Клавишные переключатели

Технические и эргономические характеристики клавиатур ПЭВМ — удобство пользования, максимальная скорость набора, показатели надежности (например, количество переключений) и ряд других — во многом определяются техническими характеристиками клавишных переключателей. Важны форма и размер клавиш, шаг их расположения, величина хода, усилия нажатия, окраска, надписи и прочие характеристики.

В зависимости от требований, предъявляемых к клавиатурам, в них используются клавишные переключатели различных типов. По способу управления клавишные переключатели делятся на клавиши нажатия (тактильные) и прикосновения (сенсорные). Применяются как контактные (с электрическим контактом), так и бесконтактные переключатели.

Контактные переключатели, в которых электрическое замыкание и размыкание цепи электромеханического контакта происходит после нажатия клавиши, просты в конструкции, обеспечивают низкое омическое сопротивление контакта, дешевы. Однако такие переключатели не могут обеспечить в цепи четкого фронта сигнала замыкания (размыкания). В момент нажатия клавиши, стоящей в электрической цепи, происходит нерегулярное замыкание этой цепи («дребезг» контакта) до тех пор, пока не установится надежный сигнал. Влияние «дребезга» устраняют схемным либо программным путем. К недостаткам контактных переключателей можно отнести сравнительно малый срок службы (число переключений до отказа), непостоянство переходного сопротивления контакта вследствие окисления покрытий контактирующих поверхностей под воздействием окружающей среды или электроэрозии. Лучшие показатели по долговечности дают герконовые переключатели, в них коммутация герметизированных контактов осуществляется под воздействием миниатюрного постоянного магнита, приводимого в движение клавишным стержнем.

В последние годы при изготовлении клавиатур ПЭВМ широко используются контактные переключатели на основе токопроводящей резины, в которых ряд элементов клавиши изготавливается из силиконовой резины. На нижней поверхности колпачка клавиши из непроводящей резины помещается прокладка из токопроводящей резины. Клавиши закрепляются на плате, на которой печатным способом выполнены необходимые электрические контакты и схемы их соединения. В момент нажатия клавиши токопроводящая резиновая прокладка прижимается к плате и замыкает необходимые контакты. Конструкции переключателей на основе токопроводящей резины обеспечивают, как правило, малый ход клавиш.

Мембранные клавиатуры отличаются хорошей герметичностью, малыми размерами и массой, помехозащищенностью, малым «дребезгом», незначительным расходом драгоценных металлов. Они просты по конструкции, содержат минимальное число деталей, обладают высокой степенью автоматизации и возможностью крупносерийного производства. Мембранная клавиатура состоит из соединенных в пакет пластмассового корпуса и мембранной панели, состоящей из двух гибких лавсановых контактных пластин (печатных плат) с металлизированными токопроводящими головками, являющимися контактирующими и токоведущими частями переключателя. Гибкие печатные платы изолированы друг от друга диэлектрической пластиной и находятся на металлическом основании. При нажатии на клавишу усилие через демпфирующую пружину, расположенную в корпусе, передается на гибкие печатные платы, замыкая их контакты между собой. С помощью пружины клавиша возвращается в исходное положение. Несмотря на высокую технологичность и другие достоинства, мембранные клавиатуры до сих пор находят ограниченное применение в профессиональных ПЭВМ. Это связано прежде всего с трудностями размещения в корпусе клавиатуры электронной части, а также ее низкой ремонтопригодностью.

В случае, когда требуется обеспечить высокую надежность работы, бесшумную эксплуатацию, а также устойчивость против влаги, коррозии, пыли (стоимость не играет определяющей роли), в конструкциях клавиатур применяются бесконтактные клавишные переключатели.

В бесконтактных переключателях механическое воздействие (перемещение или прикосновение) вызывает изменение емкости, индуктивности или сопротивления, а затем это изменение преобразуется в электрический сигнал. К бесконтактным относятся также сенсорные и оптоэлектронные переключатели.

В клавишном переключателе, использующем изменение емкости при нажатии и включении его в схему, на печатной плате нанесены в виде прямоугольных пластинок обкладки конденсатора, сверху на обкладки нанесен слой изолятора, например лавсановая пленка. На одну из обкладок от генератора подается специальный сигнал, например частотой 200 кГц и амплитудой до 100 В. При нажатии на клавишу соединенная с ней металлическая пластина опускается на обкладки конденсатора, в результате его емкостное сопротивление уменьшается и на второй обкладке появляется сигнал, поступающий на электронную схему.

Клавишный переключатель индуктивного типа состоит из неподвижной части (направляющей) и подвижной (штока, на одном конце которого находится подвижная часть датчика — металлическая пластина, которая прижимается к нему за счет пружины).

На другом конце на шток насажена клавиша. Неподвижная часть датчика электрически представляет собой индуктивность и выполнена печатным способом. Для предотвращения механического износа эта часть защищается» склеивающей лентой. При нажатии на клавишу металлическая пластина приближается к индуктивности, вызывая уменьшение значения последней. При изменении индуктивности формируется сигнал о срабатывании датчика. Клавиша возвращается в исходное состояние за счет пружины, прижимающей металлическую пластину к штоку.

В бесконтактных переключателях, управляемых магнитным полем, эффект включения может достигаться изменением сопротивления магниторезистивного элемента под действием постоянного магнита, укрепляемого на подвижном стержне клавиши. Вместо магниторезистивных элементов могут быть применены также датчики Холла.

В оптоэлектронных клавишных переключателях нажатие клавиши приводит к вводу заслонки между источником излучения (обычно светодиодом) и приемником излучения (фотодиодом). Характеристики оптоэлектронных переключателей близки к характеристикам переключателей, управляемых магнитным полем.