第八章

人機接口技術§8．1鍵盤接口控制鍵盤由一組按規則排列的按鍵開關組成，每個按鍵開關的動作，由鍵盤控制電路轉換成相應的代碼（比如鍵盤位置碼），通過鍵盤接口電路傳送給計算機系統，由計算機系統按用戶意圖作相應的處理。鍵盤的種類很多。按鍵盤的構造原理，可以分為機械式鍵盤、電容式鍵盤、薄膜式鍵盤和電阻式鍵盤。§8．1．1鍵盤工作的基本原理按鍵的結構特點鍵盤上的按鍵，其實是僅僅供檢測的電路開關，只提供電路邏輯上的通與斷。按鍵的識別要處理好去抖動和重鍵兩個問題。機械式按鍵在按下和釋放時，通常伴隨著一定時間的觸點機械抖動，然后其觸點才能穩定下來。在觸點抖動期間，或著由于外界的干擾在電路中產生毛刺期間，檢測按鍵的通與斷狀態，可能就會導致判別出錯。即一次按下或釋放被錯誤的檢測為用戶多次的鍵盤操作，或者，干擾毛刺也被檢測為用戶有效的鍵盤操作。計算機中必須做鍵盤去抖動處理。重鍵是指兩個或兩個以上的按鍵同時按下閉合，或者一個按鍵按下后還未彈開，另外一個按鍵已按下。對重鍵處理的常用方法有兩種：一是最終檢測法：連續不斷的對鍵盤進行掃描，當有多個閉合鍵時不予識別，僅以最后檢查到的一個閉合鍵為確認鍵。二是初檢法，它是確認一個閉合鍵后處于保持狀態，只有當該鍵被釋放以后再去處理，并開始識別其他鍵。鍵碼識別編碼式鍵盤是通過數字電路直接產生對應于按鍵的ASCII碼，目前很少使用。非編碼式鍵盤將按鍵排列成矩陣的形式，由硬件或軟件隨時對矩陣掃描，一旦某一鍵被按下，該鍵的行列信息即被轉換為位置碼并送入主機，再由鍵盤驅動程序查表，從而得到按鍵的ASCII碼，最后送入內存中的鍵盤緩沖區供主機分析執行。非編碼式鍵盤由于其結構簡單、按鍵重定義方便而成為目前最常采用的鍵盤類型。計算機中使用的主要是非編碼鍵盤。常用的計算機鍵盤結構為矩陣鍵盤，它所需要的接口線數目是行數加列數，而所能夠管理的鍵盤數目則是行數×列數。

MOVAL，0H MOVDX，200HOUTDX，AL ；設各行線為0INCDXLOP1：IN AL，DX；讀列數據ANDAL，0FH ；屏蔽無關位 CMPAL，0FH ；查各列有無為0 JZ LOP1；無按，繼續等待按鍵（或轉出）CALL DELAY；有按，延時10~20毫秒，消除抖動IN AL，DX；讀列數據ANDAL，0FH ；屏蔽無關位 CMPAL，0FH；查各列有無為0JZ LOP1 ；無按，繼續等待按鍵（或轉出）MOVBX，0404H；有，行數送BL，列數送BHMOVCL，0FFH；設起始鍵號（CL=-1）MOVAL，11111110B ；起始掃描碼，0行=0LOP2：MOVDX，200H ；掃描一行 OUTDX，AL RCLAL，1 ；準備下一行數據 MOVAH，AL ；保存到AH INCDX ；設PB口地址 IN AL，DX ；讀列數據 ANDAL，0FH ；屏蔽無關位 CMPAL，0FH；查本掃描行有無列為0 JNZLOP3 ；有，出LOP3查本行鍵號 ADDCL，4 ；無，鍵號+4，準備查下一行 MOVAL，AH ；重取下一行掃描碼 DECBL ；行數－1JMPLOP2 ；返回，掃描下一行LOP3： INC CL ；鍵號＋1(預置時比實際小1) RCR AL，1 ；循環右移一位 JC LOP3 ；最低位=1，返回再找LOP4：;等待按鍵松開IN AL，DX；讀列數據ANDAL，0FH ；屏蔽無關位 CMPAL，0FH ；查各列有無為0 JNZ LOP4；按，繼續等待按鍵松開 MOVAL，CL ；鍵號送AL CMP AL，0 ；查是否0號鍵 JZ KEY0；是，轉0號鍵處理 CMP AL，1 ；查是否1號鍵 JZ KEY0；是，轉1號鍵處理······PC機鍵盤是一個典型的非編碼鍵盤，由專用的智能電路（8048單片機）做鍵盤控制器完成鍵盤掃描，鍵碼的識別，最后送出鍵盤掃描碼。PC機則用一個8042或者8742鍵盤控制器接受和發送有關鍵盤信息。鍵盤上的8048單片機通過5芯插座與主機板上的鍵盤接口聯結。PC機的鍵盤接口電路的8042通過TEST0(CLK)和TEST1(DATA)端口接受來自鍵盤的時鐘和串行的鍵盤數據，檢查鍵盤數據的奇偶性，并把它變換成掃描碼，以便作為它的輸出緩沖器中的一個數據字節，向系統傳送。當把這個數據字節送到鍵盤控制器的輸出緩沖器中時，鍵盤控制器8042使其輸出口P24變高，向主機送出中斷請求信號IRQ1，請求主機系統進行讀取，PC機鍵盤接口電路安裝在主機系統板上，通過5芯接口電纜與鍵盤連接。在PC機的ROMBIOS中，對鍵盤初始化和鍵盤中斷的程序（PC機內8255地址是60H～63H，見書P81圖2-14）為： MOV AL，99H OUT 63H，AL ……… MOV AL，0C8H OUT 61H，AL MOV AL，48H OUT 61H，ALPC機采用硬中斷IRQ1（INT09H）來實現鍵盤掃描碼的讀取、ASCII碼轉換以及組合鍵等的識別。在IRQ1鍵盤中斷服務程序中，對掃描碼進行讀取和對鍵盤接口進行控制的程序為：KEY_IN: IN AL，60H ；讀入鍵盤數據端口 TEST AL，80H；按鍵是否松開 JNZ KEY_IN ；未松開，返回等待（防止重鍵） PUSHAX IN AL，61H；讀鍵盤狀態端口（8255PB口）

§8．2鼠標接口8．2．1概述由于圖形用戶界面的發展，鼠標已經成為微機的標準硬件輸入設備。功能是將用戶在使用鼠標作平面運動過程中產生的x方向和y方向的位移量，通過鼠標接口傳送給計算機，在計算機中再轉換成顯示屏幕上的坐標數據。按結構分，常用的鼠標有機械式鼠標和光電式鼠標兩種。機械式鼠標結構簡單，價格便宜，而光電式鼠標精度高、可靠性高。按接口分，常用的鼠標有串行通信接口鼠標和USB接口鼠標。圖8-7為鼠標的基本結構框圖串行通信鼠標一般采用RS-232標準接口進行通信。這種鼠標不需要專門的電源線，由標準的RS-232串行通信接口電路里中的RTS提供驅動，SGND作為地線，使用TxD作為數據發送線，DTR作為聯絡信號線，進行鼠標器的控制。在串行通信鼠標的接口板上有微處理器，其作用是判斷鼠標是否啟動，在鼠標工作時，控制輸出在x、y方向的串行位移數據。大多數鼠標采用7位數據位、1位停止位、無奇偶校驗方式，以1200/2400bps的速率發送數據。鼠標的精度與圖形顯示器有關，其坐標的縱橫向取值范圍與顯示器的最大分辨率一致。如表8-1所示。8.2.2鼠標驅動鼠標驅動程序在計算機中，鼠標已經是標準輸入設備，所以在系統中都配有鼠標的標準驅動程序。并在系統建立時加載。一旦系統中加載了鼠標驅動程序，則用戶每當移動一下鼠標或按動一下鼠標按鈕，就會產生一次INT33H中斷。鼠標驅動程序處理這次中斷，設置相應的內部變量，然后返回。在DOS下的鼠標驅動程序若是MOUSE.SYS，則必須設置在CONFIG.SYS文件中，加如下1行：DEVICE=MOUSE.SYS若鼠標驅動程序是MOUSE.COM。則必須設置在AUTOEXEC.BAT文件中。加如下1行：MOUSE若是在Windows環境下，則鼠標驅動程序為MOUSE.DRV，由于在圖形界面下，鼠標是必要的輸入設備，所以系統自動加載，無須用戶設置。鼠標的編程應用Microsoft為鼠標提供了一個軟件中斷指令int33H，只要在系統中加載了鼠標驅動程序，在應用程序中就可以對它直接調用，對鼠標進行操作。int33H有多種子功能，可通過在AX中設置功能號來選擇。常用int33H功能調用如表8-3§8．3LED顯示器接口LED七段發光二極管顯示器是工業控制設備面板信息顯示的主要器件，它分共陰極連接和共陽極連接兩種。數碼管以7個發光二極管組成一個“8”字的各段，另有一個發光二極管用于小數點的顯示。對共陰極連接的數碼管，每段筆劃的二極管在1電平時亮，0電平不亮；共陽極連接時則剛好相反。用于微機接口時，應根據數碼管筆劃與數據線的連接進行適當的編碼，通過輸出適當的編碼，使數碼管的某些筆劃的亮與不亮，構成顯示所需的數字和字符。圖8-9為常見的兩種7段數碼管的應用連接接口電路。其對應編碼如表8-5所示。圖8-10是利用8255A控制的，對S1～S3組合開關的狀態，用LED共陰極數碼管進行顯示的接口電路圖。開關S1～S3撥定為某一狀態時，其對應的二進制數值由LED數碼管顯示出來。對應C語言程序如下：#include <stdio.h>main(){charled[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07}//設LED字碼表unsignedcharled_index;outportb(0x203,0xb0);//8255A初始化：方式0，A口輸入，B口輸出outportb(0x203,0x08); //設PC4(INTEA)=0(關中斷)outportb(0x201,0); //開始，先關閉LED顯示while(!kbhit)(){ //當鍵盤按下時，程序退出led_index=inportb(0x200); //讀A口led_index=led_index&0x07; //得到開關狀態outportb(0x201,led[led_index]) //查LED編碼表并由B口輸出，顯示}}以上電路功能也可以用中斷方式編程實現，復位按鈕用于產生STBA，8255A的INTRA可作為8259的中斷請求信號。作業：對以上電路功能要求，試用中斷方式編程實現。（可用匯編語言、C語言均可）§8．4視屏顯示接口視頻顯示是重要的人機交互方式，計算機系統通過顯示接口在顯示設備上以多種方式輸出各種信息，比如，以字符、表格、圖形和圖象的形式顯示計算機信息處理的結果。在微機中最常用的顯示設備是CRT(Cathod-RayTube)顯示終端。本節討論計算機視頻顯示的基本原理。VGA方式CRT顯示系統工作原理框圖§8．4．1顯示器的工作原理顯示終端的技術不斷成熟，實際上CRT顯示終端本身就含有CPU的控制系統。按顯示屏的結構分：CRT陰極射線管式和LCD液晶式顯示器。按色彩形式分：單色和彩色顯示器。按視頻信號的輸入形式分：數字式和模擬式顯示器。按分辨率分：高分辨率和低分辨率顯示器。按顯示方式分：MDA、CGA、EGA、VGA、SVGA及XGA等幾種方式。現在基本上使用的是CRT和LCD。顯示接口卡與顯示器之間的數據聯接采用9根或15根數據線連接。并用D型插頭與顯示接口卡進行物理連接。顯示器數據接插件信號配置表CRT顯示器的工作原理要在整個屏幕上顯示出字符或圖形，必須采用掃描方式。CRT顯示器采用的掃描方式主要有光柵掃描方式、隨機掃描方式、矢量掃描方式等，目前在微機系統中，主要采用光柵掃描方式。光柵掃描：CRT顯示器中有水平和垂直偏轉線圈，電子槍產生的電子束通過水平偏轉線圈產生的磁場后從左到右做水平方向的移動，到右端以后，有立刻回到左端；通過垂直偏轉線圈產生的磁場從上到下作垂直方向的移動，到底部后，又立即回到上部。由于電子束從左到右，從上到下有規律的周期運動，在屏幕上會留下一條條掃描線，這些掃描線就形成光柵，就是光柵掃描。如果電子槍根據顯示的內容產生電子束，就可以在熒光屏上顯示出相應的圖形或字符。光柵掃描也有兩種方式：逐行掃描和隔行掃描方式。在隔行掃描：CRT在每遍掃描時隔一行更新一次數據，更新整個屏幕的數據就需要兩遍掃描。逐行掃描方式：掃描時逐行進行數據更新。一遍掃描就完成了整個屏幕數據的更新。如圖8-11所示。隔行掃描方式的特點是價格比較低廉，用較低的成本就可以實現1024×768的分辨率。但是它需要兩遍才能完成一次整屏的刷新，在圖象顯示要求較高的情況下，特別是動態圖象顯示的時候，有時能夠感覺到閃爍現象。對于需要高質量圖形、圖象顯示的場合，逐行掃描更加合適，但價格也遠遠高于隔行掃描顯示器。對于黑白顯示器，內部僅有一個電子束；對于彩色顯示器來說，內部有紅（R）、綠（G）、藍(B)三個電子槍發射三個電子束，這三個電子束和和亮度信號組合起來，就可以得到各種顏色。CRT顯示器的性能指標CRT顯示器的主要性能指標包括分辨率、顏色、顯示速度以及圖形、圖象的清晰度等。（1）分辨率顯示分辨率是指屏幕上有多少個基本象素點。比如整個屏幕被掃描線劃分為m行，每行n個點，這樣，整個屏幕有n×m個點，每個點為一個基本象素點。分辨率越高，相鄰象素點之間的距離越小，顯示的字符或圖想越清晰。對于微機的整個顯示系統來講，，顯示分辨率是指的顯示器和顯示控制卡兩者的分辨率。不同分辨率的顯示器要與相應的顯示控制卡結合，才能夠發揮最佳效能。分辨率經歷了由單色MDA、彩色圖形適配器CGA、增強型圖形適配器EGA、視頻圖形陣列VGA、超級TVGA的演變過程，顯示分辨率從640×200、640×350、640×480，直至今日的1024×768，甚至是1200×1200的高清晰度顯示系統。顯示分辨率的提高對顯示器本身和顯示卡的硬、軟件提出了更高的要求，顯示系統整體分辨率的提高受顯示器尺寸和掃描頻率的限制，也受顯示控制卡存儲空間的限制。（2）色彩與亮度等級衡量顯示系統的又一個重要參數。亮度等級：又稱灰度。早期的單色顯示器只能夠顯示字符，僅有一般亮度和高亮度兩種灰度。色彩：包括可選擇顯示顏色的數目以及一幀畫面可以同時顯示的顏色數目。色彩與熒光屏的質量有關，并受顯示控制器內VRAM容量的影響。彩色圖形顯示器的發展速度是非常快的，從早期的CGA系統的4種色彩，到VGA系統的256種色彩，到現在的32位真彩色。顯示系統所能夠顯示的色彩越多，則所能夠顯示的畫面越逼真。⑶場頻又稱“垂直掃描頻率”，即屏幕的刷新頻率，單位時間內刷新一幀的次數，通常以Hz表示。可以理解為每秒重畫屏幕的次數。該數值越高，畫面越穩定。VESA（視頻電子標準學會）規定：SVGA的場頻不得小于70Hz，VGA不得小于72Hz。⑷點距指熒光屏上兩個同樣顏色熒光點間的距離，常以mm來表示。點距越小，分辨率也越高。現在的顯示器點距必須小于0.28mm，好的顯示器點距為0.24mm，高檔的可達0.22mm。§8．4．2CRT顯示器接口在微機中,主機與顯示器之間的接口電路就是顯示適配器，它一般用插件板的形式安裝在計算機主板上。字符顯示以點陣為基礎，將字符分解為m×n個點陣組成的陣列，將點陣存入由ROM構成的字符發生器中，在CRT進行光柵掃描過程中，從字符發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，在屏幕上形成字符。字符點陣的多少取決于字符顯示質量和字符塊的大小，PC機中字符窗口為9×14點陣，字符為7×9點陣。顯示接口的字符發生電路和字符點陣在PC機中，整個屏幕的字符共占用4000字節的視頻存儲空間（B800：0H～B800：F9FH），彩色文本顯示的視頻緩沖區首地址為B800：0H，單色文本為B000：0H。每個字符在視頻緩沖區中占2個字節，第一個字節是顯示字符的ASCII碼，第二個字節是該字符的顯示屬性，如字符的顏色、背景顏色、是否閃爍等。在彩色文本方式下，字符屬性定義如下圖。其中，BI=1時字符閃爍。在MS-DOS下的漢字系統中，該位另作它用，此時也不可閃爍。D4～D6為字符的背景色設置，共可有8種色。D0～D3為前景色設置，共可有16種。例如，把80行×25列顯示模式的整屏字符全部寫為“B”，屬性為前景紅，背景藍，字符閃爍的程序為：MOVAX，0B800H ；設字符緩沖區首地址MOVES，AXMOVDI，0MOVCX，2000 ；字符數MOVAH，10010100B；顯示屬性MOVAL，‘B’ ；顯示內容REPSTOSW；AX值送顯示緩沖區（在屏幕顯示出來）上程序若把顯示屬性改為08H（黑色背景、灰白色前景、不閃爍），顯示字符改為20H（空格），程序就變為清屏程序了。作業：把以上程序改寫為一個能在PC機上正確編譯運行的完整匯編程序，并把原來前景紅，背景藍變為前景藍，背景紅。圖形顯示彩色圖形方式是大部分應用軟件的主要工作方式。也是應用軟件開發的一個重要方面。顯示器的圖形方式就是利用顯示器的像點（Pixel）來構成圖形、圖象，顯示器通過配用它所支持的不同的顯示適配器（顯示卡），實現不同的視頻顯示標準，如CGA，EGA，VGA及SVGA，直到現在的XGA等。顯示卡也由原來的ISA總線接口，發展到PCI總線接口，及目前廣泛使用的AGP顯示接口。以VGA顯卡，顯示16色模式為例，它把視頻緩沖區VRAM分為4個彩色位面，屏幕上的像點特征由這4個位面的值共同確定。一個彩色位面上的一個字節對應屏幕上的8個像點，要定義彩色顯示屏幕上的一個象素點顏色，需要用4個位平面上每個位平面位置相同的一個存儲位表示，在圖8.14中，若屏幕上某一個象素點的顏色值為0101，則值“0”、“1”、“0”、“1”分別來自4個位平面同一位置中的某1位。在缺省調色板下，一個位面實際上代表某一基色，因此4個位面共可以代表16種顏色。3210IRGBVGA16色顯示模式………..101000000100……………………圖8.14VGA顯示器VRAM與顯示屏映射關系一般來說，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表產生。顯示器的顯示模式及顯示緩沖區內存地址顯示模式分為文本顯示模式和圖形顯示模式。文本顯示模式表示顯示屏幕在橫向一行顯示的字符數（列數：80或40列）及顯示顏色數。圖形模式表示顯示屏幕的分辨率以及顏色數等，標準顯示模式是由微機啟動時的BIOS決定的。如表6.12所示。顯示類型模式號顯示分辨率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顯示器各種圖形模式下的分辨率§8．3．3液晶顯示器CRT顯示器的技術日趨成熟，顯示質量越來越好，但CRT固有的物理結構限制了它向更高的顯示性能發展；CRT顯示器由電子槍發射電子束產生圖象的特性，使其輻射和電磁波干擾成為其最大的弱點。液晶顯示器(LiquidCrystalDisplay，簡稱LCD)就是使用了“液晶”(LiquidCrystal)作為材料的顯示器。液晶是一種介于固態和液態之間的物質，當被加熱時，它會呈現透明的液態，而冷卻的時候又會結晶成混亂的固態。液晶顯示器的原理是利用液晶的物理特性，通電時，排列變得有秩序，使光線容易過；不通電時排列混亂，阻止光線通過。利用光線的通過和不通過的組合，就可以在屏幕上顯示出不同的色彩和圖形來。液晶（LCD）顯示器的優點：不使用電子槍轟擊方式來成像，因此它完全沒有輻射危害，對人體安全；不閃爍、顏色失真近乎與零；工作電壓低、功耗小、重量輕、體積小等。液晶顯示器的類型根據驅動方式可分為：靜態驅動、單純矩陣（也稱無源矩陣）驅動以及主動矩陣（也稱有源矩陣）驅動三種。無源矩陣驅動又可分為扭曲向列陣（TN）、超扭曲向列陣（STN）和雙層超扭曲向列陣（DSTN）；有源矩陣驅動一般以薄膜式晶體管型（TFT）為主。TN-LCD，STN-LCD及DSTN-LCD的顯示原理都相同，只是液晶分子的扭曲角度不同而已。TFT-LCD則采用與TN系列LCD完全不同的顯示方式。是目前計算機LCD顯示器的主流。薄膜晶體管是指液晶顯示器上的每一液晶像素點都是由集成在其后的薄膜晶體管來驅動的。由于彩色顯示器需要的像素點數目是黑白顯示器的4倍，所以在彩色顯示器中，像素大量增加，用掃描方式屏幕已不能正常工作，必須采用有源驅動方式來激活像素。將薄膜晶體管TFT等非線性有源元件集成到顯示組件中，為有源技術。用來驅動每一液晶像素點，使每個像素點都能保持一定的電壓，從而可以做到高速度、高亮度、和高對比度顯示屏幕信息，而且屏幕可視角度大、分辨率高、色彩更豐富，因而TFT-LCD又稱為“真彩色”顯示器。HPA-LCD是DSTN的改進型，性能比DSTN好，具體參數見表8-7表8-7幾種LCD顯示器類型的技術參數PDP(PlasmaDisplayPanel，等離子顯示器)顯示器的產品目前還比較少。等離子顯示面板采用電極的X和Y網格規定各圖像元素的地址。它的工作原理與日光燈相似，每個像素都相當于一盞燈。通過向低壓氣體施加一個較高的電壓，小單元內的氣體就會轉變成等離子體形態。充電的氣體釋放出紫外線，然后轟擊并激發紅、綠和藍色熒光體，一旦這些熒光體返回它們的自然狀態，就會發出可見光線。等離子顯示器的分辨率稍低，但是它具有真彩顯示、大屏幕顯示、對比度較高以及器件結構和制作工藝易于批量生產等特點。液晶顯示器工作原理以黑白扭曲向列型LCD為例，其基本結構如圖8-16所示。其兩片玻璃的內表面上鍍有一層透明而導電的簿膜做電極，中間夾入液晶層，四周進行密封，形成一個厚度僅數微米的扁平液晶盒。在兩層玻璃內表面，分別涂有偏振軸成90度的涂層，液晶層的液晶分子連續成90度方向扭轉排列，因而具有旋光特性，這種旋光特性在外電場作用下會減弱或消失。上、下偏振片使自然光經過它們之后變為偏振光。偏振光只能通過平行于偏振方向的介質，不能通過垂