微机原理基本人机交互设备接口

1、第十章 基本人机交互设备接口10.0 概 述10.1 键盘及其接口10.2 显示器及其接口 10.3 打印机及其接口 10.4 鼠标器及其接口 微机原理基本人机交互设备接口10.0 概 述 人机交互接口是指人和计算机之间建立联系、交流信息的有关输入/输出设备(人机交互设备)的接口。 以计算机为中心，I/O 信息以计算机易于接受、处理的数码形式传送。 以人为中心，I/O信息以人的感觉器官易于接受、识别的语音、图像、文字的形式出现。 基本人机交互设备及接口智能人机交互设备及接口微机原理基本人机交互设备接口10.1 键盘及其接口10.1.1 编码键盘与非编码键盘10.1.2 非编码键盘的接口功能10

2、.1.3 行/列扫描式键盘接口10.1.4 PC系列机键盘及接口微机原理基本人机交互设备接口10.1.1 编码键盘与非编码键盘键盘: 由排列成矩阵形式的按键开关阵列组成。有触点开关：无触点开关：白金触点开关舌簧式开关电容式开关霍尔元件开关触摸式开关微机原理基本人机交互设备接口 根据键盘功能的不同，通常把键盘分成两种基本类型：编码键盘：能自动检测按键,并以串/并方式将对应功能键码送给CPU。非编码键盘：只提供键盘的行列矩阵，按键的识别和键值的确定、输入等均由主机软件完成。10.1.1 键盘与键盘接口原理微机原理基本人机交互设备接口10.1.2 非编码键盘的接口功能 为不失一般性，以机械式有触点按

3、键组成的非编码键盘为例。 通常键盘接口必须具有以下4个基本功能： 去抖动 防串键 识别被按键(和释放键) 产生与之对应的键码微机原理基本人机交互设备接口1.去抖动10.1.2 非编码键盘的接口功能 每个按键在按下和松开时，都会经历短时间的抖动才达到稳定。抖动时间通常为5 20ms，识别时应避开它。软件延时法：识别到键按下/释放时,延迟一段时间再检验。硬件消抖法：在键开关和微机接口间加消抖动电路。适合键数目较少采用。 去抖动 防串键 识别被按键 与键码产生微机原理基本人机交互设备接口2.防串键 多个键同时按下，或前面键没释放又按下新的键时的处理策略。一般有三种方法：双键锁定：只将最后释放的键看作

4、正确按键，两个以上键按下时不予考虑。N键连锁：N键串行循环法：循环扫描各个键，将一个或多个同时按下的键顺序检测出。只记下最先按下的键。 去抖动 防串键 识别被按键 与键码产生10.1.2 非编码键盘的接口功能微机原理基本人机交互设备接口3.识别被按键与键码的产生 这两项功能往往合在一起完成。它们是键盘接口要解决的主要问题。常用方法有： 行/列扫描法： 由程序逐行(列)对键盘进行扫描，通过检测列(行)状态来确定闭合键。此法需输入、输出端口各一个。 线反转法： 通过行、列颠倒两次扫描来识别闭合键。此法需两个可编程双向I/O端口。 去抖动 防串键 识别被按键 与键码产生10.1.2 非编码键盘的接口

5、功能微机原理基本人机交互设备接口10.1.3 行/列扫描式键盘接口方法 实际微型计算机系统中以行/ 列扫描法应用最广。下面举例说明按行扫描法对被按键进行识别并产生键码的原理。 例10.1 某PC单板机键盘接口设计举例 键盘组成：由28个键构成，包括16个数字键0F和12个命令键，排成6行5列的矩阵结构,是一种典型的非编码键盘。 微机原理基本人机交互设备接口 硬件电路789A456B102F3ECDR4R3R2R1R0U1174LS273输出端口(锁存器)1 EN1 EN1 EN1 EN1 EN111111RESETD5D4D3D2D1D0L1L2L3L4L6L5+5V(8CH)DTGLH(90

6、H)KBSEL74LS244输入端口(三态缓存器)75492PPROMLOLDCASSBREAKMEMPORTREGMONNEXTEXECSINGLESTEPREG10.1.3 行/列扫描式键盘接口方法微机原理基本人机交互设备接口确定有无键按下输出扫描码，使所有行线均为0识别何键按下输入列线状态延时20ms去抖动行号 = 1使行号规定的行线为0,其余行线为1有列线为0?对应行号、列号形成键编码行检查完？返回显示程序行数加1YNYYNN有列线为0?A输入列线状态 键的扫描、识别、处理程序流程图10.1.3 行/列扫描式键盘接口方法微机原理基本人机交互设备接口 键的扫描、识别、处理程序流程图(续)

7、 查表键编码 键序号(键值)数字键处理(如存入显示缓冲区以显示)命令键处理延时 20 ms 去抖动根据键值判定键种类NY 10 H 10 H键处理（找出键值，完成键功能）A键释放了吗?键释放了吗?NY10.1.3 行/列扫描式键盘接口方法微机原理基本人机交互设备接口10.1.4 PC系列机键盘及接口1.键盘与接口概述 PC系列机采用的是由单片机(8048，8035或8044等)扫描、编码的智能化键盘,它是一个与主机箱分开的独立装置，通过一根5芯或6芯(PS/2键盘)电缆与主机箱相连。 PC系列机使用的键盘有83键、84键、101键、102键和104键等。目前的高档PC键多采用104键电容式无触

8、点开关键盘。微机原理基本人机交互设备接口168键开关矩阵译码器串行接口CPU键盘缓冲区键盘主机箱Intel8048Intel8042PC机键盘及其与主机箱连接示意图10.1.4 PC系列机键盘及接口微机原理基本人机交互设备接口 PC系列机的键盘接口以单片机为控制核心。完成的主要功能是：(1) 接收来自键盘的按键扫描码数据。(2) 对接收的数据进行奇偶校验。(3) 控制和检测传送数据的时间。(4) 对接收的数据进行串并转换。(5) 将按键的行列位置扫描码转换为系统扫描码 （即功能键值）。(6) 接收、执行并向键盘转发系统命令。(7) 向系统发键盘中断(IRQ1)，请求主机进行键盘 代码处理。2.

9、PC系列机的键盘接口10.1.4 PC系列机键盘及接口微机原理基本人机交互设备接口INT 9H功能： 读取来自键盘的系统扫描码/命令。 处理命令代码。 将扫描码转换为双字节的ASCII码或扩展码， 存入BIOS数据区的32字节键盘缓冲区。3. 键盘中断(IRQ1)处理10.1.4 PC系列机键盘及接口系统调用INT 9H软中断进行键盘代码处理。微机原理基本人机交互设备接口10.2 显示器及其接口10.2.1 LED显示器及接口10.2.2 CRT显示器及接口10.2.3 LCD显示器及接口微机原理基本人机交互设备接口10.2.1 LED显示器及接口 LED显示器及显示原理 一位LED显示器接口

10、 多位LED显示器接口微机原理基本人机交互设备接口1. LED显示器与显示原理+5V/地R8R8+5V10.2.1 LED显示器及接口微机原理基本人机交互设备接口2. 一位LED显示器接口10.2.1 LED显示器及接口DB07IOW40HD0D78位锁存器Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7abcdefgdpabcdefgdp+5V3008一位8段LED显示器与MPU的接口& 只需在8段LED显示器与微处理器之间加一个8位锁存器微机原理基本人机交互设备接口10.2.1 LED显示器及接口 假定要依次显示0F这16个字符，则显示驱动程序如下: MOV CX, 0010H ;显示字符循环次数（为16

11、） LEA DI, SEGTAB ;DI指向段码表首址DISP: MOV AL, DI ;将显示段码送AL MOV DX, 0040H ;将端口地址送DX OUT DX, AL ;输出段码至锁存器 INC DI ;指向下一个要显示字符的段码 CALL DELAY ;调显示延时子程序 LOOP DISP ;0F未显示完，转DISP HLTSEGTAB：DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H, 99H,92H,82H,0F8H DB 80H,90H,88H,83H,0C6H,0A1H,86H,8EH微机原理基本人机交互设备接口3. 多位LED显示器接口多位静态显示：多位动态显示：各位动态扫描

12、，分时循环显示。可简化硬件，降低成本，减小功耗。各位独立驱动的显示方式，每位用一个并行输出口驱动。占用资源多。10.2.1 LED显示器及接口微机原理基本人机交互设备接口多位LED显示器接口原理D7D0端口B端口A驱动器驱动器锁存器锁存器阴极阳极10.2.1 LED显示器及接口微机原理基本人机交互设备接口 假定要从左至右显示:1998.10.，设计该接口的驱动程序设计。 分析： 该接口采用软件译码，可在ROM区建立一个显示字符段码表； 在RAM区，应开辟一个显示数据缓冲区，将要显示的内容预先存放到该缓冲区。ROMSEGPTC0H1F9HA4H28EH7FH1516012F段码表RAMDISME

13、M01H09H09H08H10H01H00H10H显示缓冲区多位动态显示存储区数据安排.驱动程序：10.2.1 LED显示器及接口微机原理基本人机交互设备接口关显示修改显示位指针修改缓冲区指针入口指向显示缓冲区首址取显示位指针从缓冲区取显示字符从段码表取段码输出至段码寄存器位指针送位寄存器延时到最右端位？NY转出口DISEND 程序流程图：10.2.1 LED显示器及接口微机原理基本人机交互设备接口 PUSH CX MOV CX, 30HDELAY: LOOP DELAY ;延时 POP CX CMP CL, 01 ;最右端? JZ DISEND INC DI SHR CL,1 JMP DIS

14、PDISEND: RETSEGPT: DB C0H，F9H，A4H DB B0H，99H，92H DB 82H，F8H，80H DB 90H，88H，83H DB C6H，A1H，86H DB 8EH，7FH LEA DI, DISMEM MOV CL, 80H MOV AL, 00H ; 关显示 OUT PortB, AL DISP: MOV AL, DI ;取显示字符 LEA BX, SEGPT XLAT ;段码转换 OUT PortA, AL ;输出段码 MOV AL, CL OUT PortB, AL ;输出位码 显示驱动程序：10.2.1 LED显示器及接口微机原理基本人机交互设备接

15、口 CRT显示器及显示原理 CRT显示器接口10.2.2 CRT显示器及接口微机原理基本人机交互设备接口 CRT显示器分类 一般CD 彩色显示器 ECD 增强彩色显示器 VCD 视频阵列彩色显示器10.2.2 CRT显示器及接口 CRT显示器是一种可用来显示字符、图形和图像的最基本最常用的人机交互设备。它与键盘一起，常总称为计算机终端。 按显示色彩分，CRT显示器有单色（MD）和彩色(CD)两种。CD又分:1.CRT显示器与显示原理微机原理基本人机交互设备接口 彩色CRT显示器的基本结构 三个组成部分：阴极射线管、视频信号放大电路和同步扫描电路。10.2.2 CRT显示器及接口高压15芯D型插

16、座123RGBRGB678101314HSYNCVSYNC开关电源信号处理放大驱动视频信号 模式识别与同步信号处理帧扫描电路行扫描电路阴极G1G2G3阳极汇聚板垂直水平荧光屏电子束荫罩板偏转线圈阳极微机原理基本人机交互设备接口 CRT扫描过程（采用光栅扫描技术）10.2.2 CRT显示器及接口:水平扫描正程(显示):水平扫描逆程(消隐)第1条扫描线第2条扫描线第3条扫描线第4条扫描线第n条扫描线O 全帧开始全帧结束垂直回归(消隐)微机原理基本人机交互设备接口CRT显示器接口 也称显示适配器或显示卡系统总线 (PCI或AGP总线) 视频BIOS控制寄存器模式寄存器时序控制电路系统总线接口及FIF

17、O位、块传送画线填域颜色扩充颜色空间转换等专门功能显示存储器接口点时钟和存储器时钟发生器VFC端口硬件光标 调色板 CLUT（256X24）R、G、BDAC显示存储器(SRAM) (464MB)HSYNCVSYNCRGB与视频卡连接14.318 MHZ至CRT显示器CRT控制器10.2.2 CRT显示器及接口三大部分： CRT控制器 显示存储器 视频BIOS视频BIOS是一个只读存储器(ROM)，里面除固化了视频控制程序外，还固化有不同字符集的字符点阵 显示存储器用于存放将要显示的字符/图形的点阵/像素数据。 是适配器的心脏，主要功能是依据设定的显示工作方式,自主地、反复不断地读取显示存储器中

18、的图像点阵(包括图形、字符文本)数据，将它们转换成R、G、B三色信号并配以同步信号送至显示器。 主板显示适配器微机原理基本人机交互设备接口 文本显示模式BL R G B I R G B C7 C6 C5 C4 C3 C2 C1 C0闪烁字符底色字符颜色字符的属性 (高字节)字符的ASCII码 (低字节)10.2.2 CRT显示器及接口 字符格式 在文本(字符)显示模式下，显示存储器VRAM中存放一帧或几帧要显示的字符的信息。每个字符占字节。微机原理基本人机交互设备接口247724782479. . . . . . 4DH属性属性.属性属性属性79H45H4EH44H字符 ASCII 码A10A

19、3A2A1A0点阵行地址字符发生器0 显示屏幕 80列024行My END行 列 VRAM点阵信息 VRAM中字符与屏幕上显示位置的关系10.2.2 CRT显示器及接口微机原理基本人机交互设备接口字符发生器高位地址字符发生器低位地址字符发生器内容（行码）（）（的码）A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0(点阵行地址)00000101001110010111011110H28H44H82HFEH82H82H00H7 6 5 4 3 2 1 0 字符发生器控制字符显示的过程10.2.2 CRT显示器及接口微机原理基本人机交互设备接口 图形显示模式10.2.2 CRT显示器及接口以像素为单位

20、在屏幕上显示 VRAM以位的形式为每个像素保存信息。每个像素仅具有独立的颜色属性，无背景颜色和形状、闪烁等其他属性。因此，只需用描述像素颜色属性的二进制位数来决定可同时显示的颜色数。 当二进制位数为1时，只能显示两种颜色，这时为黑白显示。要显示彩色，必须为每个像素在VRAM中提供2个以上的二进制位作为颜色属性信息。例如：用4位二进制数表示一个像素，可显示16种颜色；用8位数表示时，可显示256种颜色。 显然，颜色数越多，需要的VRAM容量也就越大。当屏幕的分辨率(mn)和颜色数(C)已知时，可用下式来确定所需的VRAM容量： VRAM容量=(mnlog2C)/8 (B)微机原理基本人机交互设备

21、接口 LCD显示器与显示原理 LCD显示器接口10.2.3 LCD显示器及接口微机原理基本人机交互设备接口 LCD显示器 是一种以液晶材料为基本组件的新型平板显示器。 液晶显示器分类 根据驱动方式可分为静态驱动、无源矩阵驱动、有源矩阵驱动三种。目前计算机中用的液晶显示器主要是由薄膜式晶体管组成的有源矩阵驱动式LCD(即TFT-LCD)。1. LCD显示器与显示原理10.2.3 LCD显示器及接口微机原理基本人机交互设备接口 LCD显示器显示原理 液晶的显示是利用其在一定的电场或热的作用下会发生变化的特性来实现的。10.2.3 LCD显示器及接口微机原理基本人机交互设备接口2. LCD显示器接口

22、接口控制器显示存储器 字符发生器一行信息 存储器 扫描振荡器 图形发生器X驱动照明装置 液晶显示板Y驱动LCD接口基本结构主机10.2.3 LCD显示器及接口微机原理基本人机交互设备接口10.3 打印机及其接口10.3.1 打印机及打印控制原理10.3.2 Centronics并行接口标准10.3.3 并行打印机接口方法微机原理基本人机交互设备接口10.3.1 打印机及其打印控制原理 打印机是微机系统中主要的硬拷贝输出设备，当前流行的主要有： 针式打印机 喷墨打印机 激光打印机 它们的结构和打印及控制原理各不相同。微机原理基本人机交互设备接口10.3.1 打印机及其打印控制原理 针 式 打印机

23、 喷 墨 打印机 激 光 打印机 针式打印机主要由以下几部分组成： 打印头 字车行走机构 走纸机构 色带机构 与主计算机的接口及内部控制逻辑微机原理基本人机交互设备接口 字符/图形都按点阵式结构打印, 且是将字符点阵按列纵向打印，若干列后，一个字符被打印完毕，等一行字符先后都打印完后再走纸。 针 式 打印机 喷 墨 打印机 激 光 打印机打印机的打印控制原理框图字符的列信息数据选通信号回答信号忙ASCII输入控制逻辑地址计数器打印时序控制逻辑打印ASCII至打印头接口电路字符发生器驱动器至走纸机构打印字车列计数器打印行缓冲器 打印控制原理：10.3.1 打印机及其打印控制原理微机原理基本人机交

24、互设备接口10.3.1 打印机及其打印控制原理 喷墨打印机是靠喷出的微小墨点在纸上组成字符和图形的。与针式打印机相比，两者在内部结构上有很大不同，喷墨打印机用墨盒及喷头代替了针式打印机的色带机构及钢针打印头。 但两者在打印控制原理方面，除打印时序控制逻辑有明显差别外，其他地方相似。 针 式 打印机 喷 墨 打印机 激 光 打印机微机原理基本人机交互设备接口10.3.1 打印机及其打印控制原理 激光打印机是激光技术与电子技术相结合的高科技产品，主要由激光扫描系统和电子照相转印系统两部分组成，其打印控制原理如下图所示。 针 式 打印机 喷 墨 打印机 激 光 打印机激光产生与调制高频驱动电路纸输入

25、激光扫描系统电子照相转印系统纸输出激光束电子照相扫描偏转装置静电潜像感光鼓红外线热辐射定影微机原理基本人机交互设备接口10.3.2 Centronics并行接口标准打印机从外部接口特性看，可分为两类：串行打印机并行打印机采用Centronics并行接口标准采用RS-232-C串行接口标准,USB接口标准微机原理基本人机交互设备接口 Centronics标准定义了36芯插头及其连接电缆。其中最主要的是8位并行数据线，两根握手联络信号线STROBE、ACK和一根忙线BUSY。工作时序如下：有效不忙0.5s0.5s0.5s0.5std接口打印机DATASTROBEBUSYACKCentronics标

26、准握手联络信号定时时序10.3.2 Centronics并行接口标准微机原理基本人机交互设备接口10.3.3 并行打印机接口方法典型并行打印机接口原理程序查询式接口中断驱动式接口微机原理基本人机交互设备接口1.典型并行打印机接口原理 按Centronics标准和工作时序设计的典型并行打印机接口逻辑框图如下： 10.3.3 并行打印机接口方法8D7D0DIRAENA9A0IOR复位IRQ数据收发器命令译码器写数据写控制读状态读数据状态寄存器（1）状态寄存器（2）输入数据缓冲器输出数据寄存器控制寄存器驱动器集电极EN1数据线状态信号控制信号打 印 机88855554读控制IOW微机原理基本人机交互

27、设备接口 具体接口的设计取决于接口工作采用程序查询式还是中断驱动式。 实际上，对于多数打印机接口，只要在硬件上能提供一个8位数据输出端口和2根握手联络信号线（STROBE和ACK 或 STROBE和BUSY），软件上设计相应的控制程序，使各信号间满足规定的时序，即可控制打印机正常工作。10.3.3 并行打印机接口方法微机原理基本人机交互设备接口2.程序查询式接口D07PA07PC6PC2MPUBUSYSTB 既可用不可编程并行接口，也可用可编程并行接口。假定以8255A作为接口器件，查询式打印机接口如下：10.3.3 并行打印机接口方法A口用于输出要打印的数据接收来自打印机的忙信号BUSY提供对打印机的选通信号Strobe微机原理基本人机交互设备接口数据送8255A口数据缓冲区指针加18255初始化:A口方式0