计算机接口与通信第八章课件

第八章

人机接口技术§8．1键盘接口控制键盘由一组按规则排列的按键开关组成，每个按键开关的动作，由键盘控制电路转换成相应的代码（比如键盘位置码），通过键盘接口电路传送给计算机系统，由计算机系统按用户意图作相应的处理。键盘的种类很多。按键盘的构造原理，可以分为机械式键盘、电容式键盘、薄膜式键盘和电阻式键盘。§8．1．1键盘工作的基本原理按键的结构特点键盘上的按键，其实是仅仅供检测的电路开关，只提供电路逻辑上的通与断。按键的识别要处理好去抖动和重键两个问题。机械式按键在按下和释放时，通常伴随着一定时间的触点机械抖动，然后其触点才能稳定下来。在触点抖动期间，或着由于外界的干扰在电路中产生毛刺期间，检测按键的通与断状态，可能就会导致判别出错。即一次按下或释放被错误的检测为用户多次的键盘操作，或者，干扰毛刺也被检测为用户有效的键盘操作。计算机中必须做键盘去抖动处理。重键是指两个或两个以上的按键同时按下闭合，或者一个按键按下后还未弹开，另外一个按键已按下。对重键处理的常用方法有两种：一是最终检测法：连续不断的对键盘进行扫描，当有多个闭合键时不予识别，仅以最后检查到的一个闭合键为确认键。二是初检法，它是确认一个闭合键后处于保持状态，只有当该键被释放以后再去处理，并开始识别其他键。键码识别编码式键盘是通过数字电路直接产生对应于按键的ASCII码，目前很少使用。非编码式键盘将按键排列成矩阵的形式，由硬件或软件随时对矩阵扫描，一旦某一键被按下，该键的行列信息即被转换为位置码并送入主机，再由键盘驱动程序查表，从而得到按键的ASCII码，最后送入内存中的键盘缓冲区供主机分析执行。非编码式键盘由于其结构简单、按键重定义方便而成为目前最常采用的键盘类型。计算机中使用的主要是非编码键盘。常用的计算机键盘结构为矩阵键盘，它所需要的接口线数目是行数加列数，而所能够管理的键盘数目则是行数×列数。

MOVAL，0H MOVDX，200HOUTDX，AL ；设各行线为0INCDXLOP1：IN AL，DX；读列数据ANDAL，0FH ；屏蔽无关位 CMPAL，0FH ；查各列有无为0 JZ LOP1；无按，继续等待按键（或转出）CALL DELAY；有按，延时10~20毫秒，消除抖动IN AL，DX；读列数据ANDAL，0FH ；屏蔽无关位 CMPAL，0FH；查各列有无为0JZ LOP1 ；无按，继续等待按键（或转出）MOVBX，0404H；有，行数送BL，列数送BHMOVCL，0FFH；设起始键号（CL=-1）MOVAL，11111110B ；起始扫描码，0行=0LOP2：MOVDX，200H ；扫描一行 OUTDX，AL RCLAL，1 ；准备下一行数据 MOVAH，AL ；保存到AH INCDX ；设PB口地址 IN AL，DX ；读列数据 ANDAL，0FH ；屏蔽无关位 CMPAL，0FH；查本扫描行有无列为0 JNZLOP3 ；有，出LOP3查本行键号 ADDCL，4 ；无，键号+4，准备查下一行 MOVAL，AH ；重取下一行扫描码 DECBL ；行数－1JMPLOP2 ；返回，扫描下一行LOP3： INC CL ；键号＋1(预置时比实际小1) RCR AL，1 ；循环右移一位 JC LOP3 ；最低位=1，返回再找LOP4：;等待按键松开IN AL，DX；读列数据ANDAL，0FH ；屏蔽无关位 CMPAL，0FH ；查各列有无为0 JNZ LOP4；按，继续等待按键松开 MOVAL，CL ；键号送AL CMP AL，0 ；查是否0号键 JZ KEY0；是，转0号键处理 CMP AL，1 ；查是否1号键 JZ KEY0；是，转1号键处理······PC机键盘是一个典型的非编码键盘，由专用的智能电路（8048单片机）做键盘控制器完成键盘扫描，键码的识别，最后送出键盘扫描码。PC机则用一个8042或者8742键盘控制器接受和发送有关键盘信息。键盘上的8048单片机通过5芯插座与主机板上的键盘接口联结。PC机的键盘接口电路的8042通过TEST0(CLK)和TEST1(DATA)端口接受来自键盘的时钟和串行的键盘数据，检查键盘数据的奇偶性，并把它变换成扫描码，以便作为它的输出缓冲器中的一个数据字节，向系统传送。当把这个数据字节送到键盘控制器的输出缓冲器中时，键盘控制器8042使其输出口P24变高，向主机送出中断请求信号IRQ1，请求主机系统进行读取，PC机键盘接口电路安装在主机系统板上，通过5芯接口电缆与键盘连接。在PC机的ROMBIOS中，对键盘初始化和键盘中断的程序（PC机内8255地址是60H～63H，见书P81图2-14）为： MOV AL，99H OUT 63H，AL ……… MOV AL，0C8H OUT 61H，AL MOV AL，48H OUT 61H，ALPC机采用硬中断IRQ1（INT09H）来实现键盘扫描码的读取、ASCII码转换以及组合键等的识别。在IRQ1键盘中断服务程序中，对扫描码进行读取和对键盘接口进行控制的程序为：KEY_IN: IN AL，60H ；读入键盘数据端口 TEST AL，80H；按键是否松开 JNZ KEY_IN ；未松开，返回等待（防止重键） PUSHAX IN AL，61H；读键盘状态端口（8255PB口）

§8．2鼠标接口8．2．1概述由于图形用户界面的发展，鼠标已经成为微机的标准硬件输入设备。功能是将用户在使用鼠标作平面运动过程中产生的x方向和y方向的位移量，通过鼠标接口传送给计算机，在计算机中再转换成显示屏幕上的坐标数据。按结构分，常用的鼠标有机械式鼠标和光电式鼠标两种。机械式鼠标结构简单，价格便宜，而光电式鼠标精度高、可靠性高。按接口分，常用的鼠标有串行通信接口鼠标和USB接口鼠标。图8-7为鼠标的基本结构框图串行通信鼠标一般采用RS-232标准接口进行通信。这种鼠标不需要专门的电源线，由标准的RS-232串行通信接口电路里中的RTS提供驱动，SGND作为地线，使用TxD作为数据发送线，DTR作为联络信号线，进行鼠标器的控制。在串行通信鼠标的接口板上有微处理器，其作用是判断鼠标是否启动，在鼠标工作时，控制输出在x、y方向的串行位移数据。大多数鼠标采用7位数据位、1位停止位、无奇偶校验方式，以1200/2400bps的速率发送数据。鼠标的精度与图形显示器有关，其坐标的纵横向取值范围与显示器的最大分辨率一致。如表8-1所示。8.2.2鼠标驱动鼠标驱动程序在计算机中，鼠标已经是标准输入设备，所以在系统中都配有鼠标的标准驱动程序。并在系统建立时加载。一旦系统中加载了鼠标驱动程序，则用户每当移动一下鼠标或按动一下鼠标按钮，就会产生一次INT33H中断。鼠标驱动程序处理这次中断，设置相应的内部变量，然后返回。在DOS下的鼠标驱动程序若是MOUSE.SYS，则必须设置在CONFIG.SYS文件中，加如下1行：DEVICE=MOUSE.SYS若鼠标驱动程序是MOUSE.COM。则必须设置在AUTOEXEC.BAT文件中。加如下1行：MOUSE若是在Windows环境下，则鼠标驱动程序为MOUSE.DRV，由于在图形界面下，鼠标是必要的输入设备，所以系统自动加载，无须用户设置。鼠标的编程应用Microsoft为鼠标提供了一个软件中断指令int33H，只要在系统中加载了鼠标驱动程序，在应用程序中就可以对它直接调用，对鼠标进行操作。int33H有多种子功能，可通过在AX中设置功能号来选择。常用int33H功能调用如表8-3§8．3LED显示器接口LED七段发光二极管显示器是工业控制设备面板信息显示的主要器件，它分共阴极连接和共阳极连接两种。数码管以7个发光二极管组成一个“8”字的各段，另有一个发光二极管用于小数点的显示。对共阴极连接的数码管，每段笔划的二极管在1电平时亮，0电平不亮；共阳极连接时则刚好相反。用于微机接口时，应根据数码管笔划与数据线的连接进行适当的编码，通过输出适当的编码，使数码管的某些笔划的亮与不亮，构成显示所需的数字和字符。图8-9为常见的两种7段数码管的应用连接接口电路。其对应编码如表8-5所示。图8-10是利用8255A控制的，对S1～S3组合开关的状态，用LED共阴极数码管进行显示的接口电路图。开关S1～S3拨定为某一状态时，其对应的二进制数值由LED数码管显示出来。对应C语言程序如下：#include <stdio.h>main(){charled[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07}//设LED字码表unsignedcharled_index;outportb(0x203,0xb0);//8255A初始化：方式0，A口输入，B口输出outportb(0x203,0x08); //设PC4(INTEA)=0(关中断)outportb(0x201,0); //开始，先关闭LED显示while(!kbhit)(){ //当键盘按下时，程序退出led_index=inportb(0x200); //读A口led_index=led_index&0x07; //得到开关状态outportb(0x201,led[led_index]) //查LED编码表并由B口输出，显示}}以上电路功能也可以用中断方式编程实现，复位按钮用于产生STBA，8255A的INTRA可作为8259的中断请求信号。作业：对以上电路功能要求，试用中断方式编程实现。（可用汇编语言、C语言均可）§8．4视屏显示接口视频显示是重要的人机交互方式，计算机系统通过显示接口在显示设备上以多种方式输出各种信息，比如，以字符、表格、图形和图象的形式显示计算机信息处理的结果。在微机中最常用的显示设备是CRT(Cathod-RayTube)显示终端。本节讨论计算机视频显示的基本原理。VGA方式CRT显示系统工作原理框图§8．4．1显示器的工作原理显示终端的技术不断成熟，实际上CRT显示终端本身就含有CPU的控制系统。按显示屏的结构分：CRT阴极射线管式和LCD液晶式显示器。按色彩形式分：单色和彩色显示器。按视频信号的输入形式分：数字式和模拟式显示器。按分辨率分：高分辨率和低分辨率显示器。按显示方式分：MDA、CGA、EGA、VGA、SVGA及XGA等几种方式。现在基本上使用的是CRT和LCD。显示接口卡与显示器之间的数据联接采用9根或15根数据线连接。并用D型插头与显示接口卡进行物理连接。显示器数据接插件信号配置表CRT显示器的工作原理要在整个屏幕上显示出字符或图形，必须采用扫描方式。CRT显示器采用的扫描方式主要有光栅扫描方式、随机扫描方式、矢量扫描方式等，目前在微机系统中，主要采用光栅扫描方式。光栅扫描：CRT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偏转线圈产生的磁场后从左到右做水平方向的移动，到右端以后，有立刻回到左端；通过垂直偏转线圈产生的磁场从上到下作垂直方向的移动，到底部后，又立即回到上部。由于电子束从左到右，从上到下有规律的周期运动，在屏幕上会留下一条条扫描线，这些扫描线就形成光栅，就是光栅扫描。如果电子枪根据显示的内容产生电子束，就可以在荧光屏上显示出相应的图形或字符。光栅扫描也有两种方式：逐行扫描和隔行扫描方式。在隔行扫描：CRT在每遍扫描时隔一行更新一次数据，更新整个屏幕的数据就需要两遍扫描。逐行扫描方式：扫描时逐行进行数据更新。一遍扫描就完成了整个屏幕数据的更新。如图8-11所示。隔行扫描方式的特点是价格比较低廉，用较低的成本就可以实现1024×768的分辨率。但是它需要两遍才能完成一次整屏的刷新，在图象显示要求较高的情况下，特别是动态图象显示的时候，有时能够感觉到闪烁现象。对于需要高质量图形、图象显示的场合，逐行扫描更加合适，但价格也远远高于隔行扫描显示器。对于黑白显示器，内部仅有一个电子束；对于彩色显示器来说，内部有红（R）、绿（G）、蓝(B)三个电子枪发射三个电子束，这三个电子束和和亮度信号组合起来，就可以得到各种颜色。CRT显示器的性能指标CRT显示器的主要性能指标包括分辨率、颜色、显示速度以及图形、图象的清晰度等。（1）分辨率显示分辨率是指屏幕上有多少个基本象素点。比如整个屏幕被扫描线划分为m行，每行n个点，这样，整个屏幕有n×m个点，每个点为一个基本象素点。分辨率越高，相邻象素点之间的距离越小，显示的字符或图想越清晰。对于微机的整个显示系统来讲，，显示分辨率是指的显示器和显示控制卡两者的分辨率。不同分辨率的显示器要与相应的显示控制卡结合，才能够发挥最佳效能。分辨率经历了由单色MDA、彩色图形适配器CGA、增强型图形适配器EGA、视频图形阵列VGA、超级TVGA的演变过程，显示分辨率从640×200、640×350、640×480，直至今日的1024×768，甚至是1200×1200的高清晰度显示系统。显示分辨率的提高对显示器本身和显示卡的硬、软件提出了更高的要求，显示系统整体分辨率的提高受显示器尺寸和扫描频率的限制，也受显示控制卡存储空间的限制。（2）色彩与亮度等级衡量显示系统的又一个重要参数。亮度等级：又称灰度。早期的单色显示器只能够显示字符，仅有一般亮度和高亮度两种灰度。色彩：包括可选择显示颜色的数目以及一帧画面可以同时显示的颜色数目。色彩与荧光屏的质量有关，并受显示控制器内VRAM容量的影响。彩色图形显示器的发展速度是非常快的，从早期的CGA系统的4种色彩，到VGA系统的256种色彩，到现在的32位真彩色。显示系统所能够显示的色彩越多，则所能够显示的画面越逼真。⑶场频又称“垂直扫描频率”，即屏幕的刷新频率，单位时间内刷新一帧的次数，通常以Hz表示。可以理解为每秒重画屏幕的次数。该数值越高，画面越稳定。VESA（视频电子标准学会）规定：SVGA的场频不得小于70Hz，VGA不得小于72Hz。⑷点距指荧光屏上两个同样颜色荧光点间的距离，常以mm来表示。点距越小，分辨率也越高。现在的显示器点距必须小于0.28mm，好的显示器点距为0.24mm，高档的可达0.22mm。§8．4．2CRT显示器接口在微机中,主机与显示器之间的接口电路就是显示适配器，它一般用插件板的形式安装在计算机主板上。字符显示以点阵为基础，将字符分解为m×n个点阵组成的阵列，将点阵存入由ROM构成的字符发生器中，在CRT进行光栅扫描过程中，从字符发生器中依次读出点阵，按照点阵的0和1控制扫描电子束开关，在屏幕上形成字符。字符点阵的多少取决于字符显示质量和字符块的大小，PC机中字符窗口为9×14点阵，字符为7×9点阵。显示接口的字符发生电路和字符点阵在PC机中，整个屏幕的字符共占用4000字节的视频存储空间（B800：0H～B800：F9FH），彩色文本显示的视频缓冲区首地址为B800：0H，单色文本为B000：0H。每个字符在视频缓冲区中占2个字节，第一个字节是显示字符的ASCII码，第二个字节是该字符的显示属性，如字符的颜色、背景颜色、是否闪烁等。在彩色文本方式下，字符属性定义如下图。其中，BI=1时字符闪烁。在MS-DOS下的汉字系统中，该位另作它用，此时也不可闪烁。D4～D6为字符的背景色设置，共可有8种色。D0～D3为前景色设置，共可有16种。例如，把80行×25列显示模式的整屏字符全部写为“B”，属性为前景红，背景蓝，字符闪烁的程序为：MOVAX，0B800H ；设字符缓冲区首地址MOVES，AXMOVDI，0MOVCX，2000 ；字符数MOVAH，10010100B；显示属性MOVAL，‘B’ ；显示内容REPSTOSW；AX值送显示缓冲区（在屏幕显示出来）上程序若把显示属性改为08H（黑色背景、灰白色前景、不闪烁），显示字符改为20H（空格），程序就变为清屏程序了。作业：把以上程序改写为一个能在PC机上正确编译运行的完整汇编程序，并把原来前景红，背景蓝变为前景蓝，背景红。图形显示彩色图形方式是大部分应用软件的主要工作方式。也是应用软件开发的一个重要方面。显示器的图形方式就是利用显示器的像点（Pixel）来构成图形、图象，显示器通过配用它所支持的不同的显示适配器（显示卡），实现不同的视频显示标准，如CGA，EGA，VGA及SVGA，直到现在的XGA等。显示卡也由原来的ISA总线接口，发展到PCI总线接口，及目前广泛使用的AGP显示接口。以VGA显卡，显示16色模式为例，它把视频缓冲区VRAM分为4个彩色位面，屏幕上的像点特征由这4个位面的值共同确定。一个彩色位面上的一个字节对应屏幕上的8个像点，要定义彩色显示屏幕上的一个象素点颜色，需要用4个位平面上每个位平面位置相同的一个存储位表示，在图8.14中，若屏幕上某一个象素点的颜色值为0101，则值“0”、“1”、“0”、“1”分别来自4个位平面同一位置中的某1位。在缺省调色板下，一个位面实际上代表某一基色，因此4个位面共可以代表16种颜色。3210IRGBVGA16色显示模式………..101000000100……………………图8.14VGA显示器VRAM与显示屏映射关系一般来说，由0～3位面合成的值是一个颜色索引值，而不是真正显示器所显示的颜色值，真正显示的颜色必须通过索引寄存器查到，再通过DAC表产生。显示器的显示模式及显示缓冲区内存地址显示模式分为文本显示模式和图形显示模式。文本显示模式表示显示屏幕在横向一行显示的字符数（列数：80或40列）及显示颜色数。图形模式表示显示屏幕的分辨率以及颜色数等，标准显示模式是由微机启动时的BIOS决定的。如表6.12所示。显示类型模式号显示分辨率VRAM首地址MDA07720×350（2C）B000：0HCGA0406320×200（4C）640×200（2C）B800：0HB800：0HEGA0D0E0F10320×200（16C）640×200（16C）640×350（4C）640×350（16C）A000：0HA000：0HA000：0HA000：0HVGA111213640×480（2C）640×480（16C）320×200（256C）A000：0HA000：0HA000：0HTVGA5B5C5D5E5F62800×600（16C）640×400（256C）640×480（256C）800×600（256C）1024×768（16C）1024×768（256C）A000：0HA000：0HA000：0HA000：0HA000：0HA000：0H显示器各种图形模式下的分辨率§8．3．3液晶显示器CRT显示器的技术日趋成熟，显示质量越来越好，但CRT固有的物理结构限制了它向更高的显示性能发展；CRT显示器由电子枪发射电子束产生图象的特性，使其辐射和电磁波干扰成为其最大的弱点。液晶显示器(LiquidCrystalDisplay，简称LCD)就是使用了“液晶”(LiquidCrystal)作为材料的显示器。液晶是一种介于固态和液态之间的物质，当被加热时，它会呈现透明的液态，而冷却的时候又会结晶成混乱的固态。液晶显示器的原理是利用液晶的物理特性，通电时，排列变得有秩序，使光线容易过；不通电时排列混乱，阻止光线通过。利用光线的通过和不通过的组合，就可以在屏幕上显示出不同的色彩和图形来。液晶（LCD）显示器的优点：不使用电子枪轰击方式来成像，因此它完全没有辐射危害，对人体安全；不闪烁、颜色失真近乎与零；工作电压低、功耗小、重量轻、体积小等。液晶显示器的类型根据驱动方式可分为：静态驱动、单纯矩阵（也称无源矩阵）驱动以及主动矩阵（也称有源矩阵）驱动三种。无源矩阵驱动又可分为扭曲向列阵（TN）、超扭曲向列阵（STN）和双层超扭曲向列阵（DSTN）；有源矩阵驱动一般以薄膜式晶体管型（TFT）为主。TN-LCD，STN-LCD及DSTN-LCD的显示原理都相同，只是液晶分子的扭曲角度不同而已。TFT-LCD则采用与TN系列LCD完全不同的显示方式。是目前计算机LCD显示器的主流。薄膜晶体管是指液晶显示器上的每一液晶像素点都是由集成在其后的薄膜晶体管来驱动的。由于彩色显示器需要的像素点数目是黑白显示器的4倍，所以在彩色显示器中，像素大量增加，用扫描方式屏幕已不能正常工作，必须采用有源驱动方式来激活像素。将薄膜晶体管TFT等非线性有源元件集成到显示组件中，为有源技术。用来驱动每一液晶像素点，使每个像素点都能保持一定的电压，从而可以做到高速度、高亮度、和高对比度显示屏幕信息，而且屏幕可视角度大、分辨率高、色彩更丰富，因而TFT-LCD又称为“真彩色”显示器。HPA-LCD是DSTN的改进型，性能比DSTN好，具体参数见表8-7表8-7几种LCD显示器类型的技术参数PDP(PlasmaDisplayPanel，等离子显示器)显示器的产品目前还比较少。等离子显示面板采用电极的X和Y网格规定各图像元素的地址。它的工作原理与日光灯相似，每个像素都相当于一盏灯。通过向低压气体施加一个较高的电压，小单元内的气体就会转变成等离子体形态。充电的气体释放出紫外线，然后轰击并激发红、绿和蓝色荧光体，一旦这些荧光体返回它们的自然状态，就会发出可见光线。等离子显示器的分辨率稍低，但是它具有真彩显示、大屏幕显示、对比度较高以及器件结构和制作工艺易于批量生产等特点。液晶显示器工作原理以黑白扭曲向列型LCD为例，其基本结构如图8-16所示。其两片玻璃的内表面上镀有一层透明而导电的簿膜做电极，中间夹入液晶层，四周进行密封，形成一个厚度仅数微米的扁平液晶盒。在两层玻璃内表面，分别涂有偏振轴成90度的涂层，液晶层的液晶分子连续成90度方向扭转排列，因而具有旋光特性，这种旋光特性在外电场作用下会减弱或消失。上、下偏振片使自然光经过它们之后变为偏振光。偏振光只能通过平行于偏振方向的介质，不能通过垂