計算機控制系統(tǒng)電子-李正軍第3章課件

第3章人機接口技術(shù)

在計算機控制系統(tǒng)中，為了實現(xiàn)人機對話或某種操作，需要一個人機接口（HMI-HumanMachineInterface或MMI-ManMachineInterface），通過設(shè)計一個過程運行操作臺（或操作面板）來實現(xiàn)。由于生產(chǎn)過程各異，要求管理和控制的內(nèi)容也不盡相同，所以操作臺（面板）一般由用戶根據(jù)工藝要求自行設(shè)計。操作臺（面板）的主要功能如下：輸入和修改源程序。顯示和打印中間結(jié)果及采集參數(shù)。對某些參數(shù)進行聲光報警。啟動和停止系統(tǒng)的的運行。選擇工作方式，如自動/手動（A/M）切換。各種功能鍵的操作。顯示生產(chǎn)工藝流程。為了完成上述功能，操作臺一般由數(shù)字鍵、功能鍵、開關(guān)、顯示器和各種輸入輸出設(shè)備組成。

3.1獨立式鍵盤接口設(shè)計

3.1.1鍵盤的特點及確認(rèn)

鍵盤是計算機控制系統(tǒng)中不可缺少的輸入設(shè)備，它是人機對話的紐帶，它能實現(xiàn)向計算機輸入數(shù)據(jù)、傳送命令。1．鍵盤的特點

鍵盤實際上是一組按鍵開關(guān)的組合。通常，按鍵所用開關(guān)為機械彈性開關(guān)，均利用了機械觸點的合、斷作用。一個按鍵開關(guān)通過機械觸點的斷開、閉合過程，其波形如圖3-1所示。鍵按下鍵閉合前沿抖動后沿抖動圖3-1按鍵抖動波形3．消除按鍵的抖動消除按鍵抖動的方法有兩種：硬件方法和軟件方法。（1）硬件方法采用RC濾波消抖電路或RS雙穩(wěn)態(tài)消抖電路。（2）軟件方法如果按鍵較多，硬件消抖將無法勝任，因此，常采用軟件的方法進行消抖。獨立式按鍵就是各按鍵相互獨立，每個按鍵各接一根輸入線，一根輸入線上的按鍵工作狀態(tài)不會影響其它輸入線上的工作狀態(tài)。因此，通過檢測輸入線的電平狀態(tài)可以很容易判斷哪個按鍵被按下了。獨立式按鍵電路配置靈活，軟件結(jié)構(gòu)簡單。但每個按鍵需占用一根輸入口線，在按鍵數(shù)量較多時，輸入口浪費大，電路

3.1.2

獨立式按鍵擴展實例

結(jié)構(gòu)顯得很復(fù)雜，故此種鍵盤適用于按鍵較少或操作速度較高的場合。1．采用可編程并行接口采用8255A可編程并行輸入輸出接口擴展獨立式按鍵的電路如圖3-3所示。圖3-3采用8255A擴展獨立式按鍵10kΩ×8S1S2S3S4S5S6S7S8

PA0PA1PA2PA3PA4PA5PA6PA7+5V8255A當(dāng)某一鍵按下時，對應(yīng)位為0，用位檢測可以識別按鍵的工作狀態(tài)。2．采用三態(tài)緩沖器采用74HC245三態(tài)緩沖器擴展獨立式按鍵的電路如圖3-4所示。圖3-4采用74HC245擴展獨立式按鍵D0D1D2D3D4D5D6D7KEYCS74HC2451A1B2A2B3A3B4A4B5A5B6A6B7A7B8A8BGDIRS1S2S3S4S5S6S7S8+5V10kΩ×8

3.2矩陣式鍵盤接口設(shè)計

矩陣式鍵盤適用于按鍵數(shù)量較多的場合，它由行線和列線組成，按鍵位于行、列的交叉點上。如圖3-5所示，一個4×4的行、列結(jié)構(gòu)可以構(gòu)成一個含有16個按鍵的鍵盤。很明顯，在按鍵數(shù)量較多的場合，矩陣鍵盤與獨立式按鍵鍵盤相比，要節(jié)省很多的I/O口。圖3-5矩陣式鍵盤結(jié)構(gòu)10kΩ+5V01231456728910113121314154123410kΩ10kΩ10kΩ

按鍵設(shè)置在行、列線交點上，行、列線分別連接到按鍵開關(guān)的兩端，行線通過上拉電阻接到+5V上。平時無按鍵動作時，行線處于高電平狀態(tài)，而當(dāng)有按鍵按下時，行線電平狀態(tài)將由與此行線相連的列線電平?jīng)Q定。列線電平如果為低，則行線電平為低；列線電平如果為高，則行線電平亦為高。矩陣式鍵盤結(jié)構(gòu)如圖3-5所示。矩陣鍵盤按鍵的識別方法，此方法分兩步進行：第一步，識別鍵盤有無鍵被按下；第二步，如果有鍵被按下，識別出具體的按鍵。識別鍵盤有無鍵被按下的方法是：讓所有行線均置為0電平，檢查各列線電平是否有變化，如果有變化，則說明有鍵被按下，如果沒有變化，則說明無鍵被按下。（實際編程時應(yīng)考慮按鍵抖動的影響，通?？偸遣捎密浖訒r的方法進行消抖處理。）

3.2.1矩陣鍵盤工作原理

3.2.2按鍵的識別方法

識別具體按鍵的方法是（亦稱之為掃描法）：逐行置零電平，其余各行置為高電平，檢查各列線電平的變化，如某列電平由高電平變?yōu)榱汶娖?，則可確定此行此列交叉點處的按鍵被按下。對于獨立式按鍵鍵盤，由于按鍵的數(shù)目較少，可根據(jù)實際需要靈活編碼。對于矩陣式鍵盤，按鍵的位置由行號和列號唯一確定，所以分別對行號和列號進行二進制編碼，然后將兩值合成一個字符，高4位是行號，低4位是列號，這將是非常直觀的。如12H表示第1行第2列的按鍵，而A3H則表示第10行第3列的按鍵等等。

3.2.3鍵盤的編碼

電子顯示器可分為主動發(fā)光型和非主動發(fā)光型兩大類。前者是利用信息來調(diào)制各像素的發(fā)光亮度和顏色，進行直接顯示；后者本身不發(fā)光，而是利用信息調(diào)制外光源而使其達(dá)到顯示的目的。顯示器件的分類有各種方式，按顯示內(nèi)容、形狀可分為數(shù)碼、字符、軌跡、圖表、圖形和圖像顯示器；按所用顯示材料可分為固體（晶體和非晶體）、液體、氣體、等離子體和液晶體顯示器。但是最常見的是按顯示原理分類，其主要類型有：發(fā)光二極管（LED）顯示液晶顯示（LCD）陰極射線管（CRT）顯示等離子顯示板（PDP）顯示電致發(fā)光顯示（ELD）有機發(fā)光二極管（OLED）顯示真空熒光管顯示（VFD）場發(fā)射顯示（FED）只有LCD是非主動發(fā)光顯示，其它皆為主動發(fā)光顯示。3.3.2顯示器件的主要參數(shù)1．亮度亮度（L）的單位是坎德拉每平方米（cd/m2）。對畫面亮度的要求與環(huán)境光強度有關(guān)，例如，在電影院中，電影亮度有30~45cd/m2就可以了；在室內(nèi)看電視，要求顯示器畫面亮度應(yīng)大于70cd/m2；在室外觀看則要求畫面亮度達(dá)到300cd/m2。所以對高質(zhì)量顯示器亮度的要求應(yīng)為300cd/m2左右。2．對比度和灰度對比度（C）是指畫面上最大亮度（Lmax）和最小亮度（Lmin）之比，即：3．分辨力分辨力是指能夠分辨出電視圖像的最小細(xì)節(jié)的能力，是人眼觀察圖像清晰程度的標(biāo)志，通常用屏面上能夠分辨出的明暗交替線條的總數(shù)來表示，而對于用矩陣顯示的平板顯示器常用電極線數(shù)目表示其分辨力。4．響應(yīng)時間和余輝時間響應(yīng)時間是指從施加電壓到出現(xiàn)圖像顯示的時間，又稱上升時間。從切斷電源到圖像顯示消失的時間稱為下降時間，又稱余輝時間。5．顯示色發(fā)光型顯示器件發(fā)光的顏色和非發(fā)光型顯示器件透射或反射光的顏色稱作顯示色。顯示色分為黑白、單色、多色和全色四大類。3.4LED顯示器接口設(shè)計

發(fā)光二極管（LightEmittingDiode,LED）是一種電—光轉(zhuǎn)換型器件，是PN結(jié)結(jié)構(gòu)。在PN結(jié)上加正向電壓，產(chǎn)生少子注入，少子在傳輸過程中不斷擴散，不斷復(fù)合而發(fā)光。改變所采用的半導(dǎo)體材料，就能得到不同波長的發(fā)光顏色。Losev于1923年發(fā)現(xiàn)了SiC中偶然形成的PN結(jié)中的發(fā)光現(xiàn)象。早期開發(fā)的為普通型LED，是中、低亮度的紅、橙、黃、綠LED，已獲廣泛使用。近期開發(fā)的為新型LED是指藍(lán)光LED和高亮度、超高亮度LED。LED的主要優(yōu)點：主動發(fā)光，一般產(chǎn)品亮度>1cd/m2，高的可達(dá)10cd/m2；工作電壓低，約為2V；

由于是正向偏置工作，因此性能穩(wěn)定，工作溫度范圍寬，壽命長(105h)；響應(yīng)速度快。對于直接復(fù)合型材料為16~160MHz；對于間接復(fù)合材料為105~106Hz；尺寸小。一般LED的PN結(jié)芯片面積為0.3mm2。用于通信的LED芯片面積只有發(fā)可見光的LED芯片面積的1/50。LED的主要缺點是電流大，功耗大。LED數(shù)碼顯示器是由發(fā)光二極管組成的，分為共陰極和共陽極兩種，其結(jié)構(gòu)如圖3-7所示。圖3-7a為共陰極接法，圖3-7b為共陽極接法。LED數(shù)碼顯示器的外形圖如圖3-8所示。

3.4.1LED顯示器的結(jié)構(gòu)

COMCOM圖3-7LED顯示器結(jié)構(gòu)圖gabcdefdp圖3-8LED顯示器外形圖abcdefgdpabcdefgdp3.4.2LED顯示器的掃描方式LED顯示器為電流型器件，有兩種顯示掃描方式。

1．靜態(tài)顯示掃描方式（1）顯示電路每一位LED顯示器占用一個控制電路，如圖3-9所示。圖3-9靜態(tài)掃描顯示a～g、dpa～g、dpa～g、dpDBCS0CS1…CSn…驅(qū)動器譯碼器鎖存器驅(qū)動器譯碼器鎖存器驅(qū)動器譯碼器鎖存器（2）程序設(shè)計被顯示的數(shù)據(jù)（一位BCD碼或字模）寫入相應(yīng)口地址（CS0~CSn）。2．動態(tài)顯示掃描方式（1）顯示電路所有LED顯示器共用a~g、dp段，如圖3-10所示。圖3-10動態(tài)掃描顯示…a～g、dp段驅(qū)動器鎖存器位驅(qū)動器鎖存器···CS1CS0DB

（2）程序設(shè)計以六位LED顯示器為例，設(shè)計方法如下。①設(shè)置顯示緩沖區(qū)，被顯示的數(shù)放于對應(yīng)單元。②設(shè)置顯示位數(shù)計數(shù)器DISPCNT，表示現(xiàn)在顯示哪一位。DISPCNT初值為00H，表示在最低位。每更新一位顯示其內(nèi)容加1，當(dāng)加到06H時，回到初值00H。③設(shè)置位驅(qū)動計數(shù)器DRVCNT初值為01H，對應(yīng)最低位。某位為0，禁止顯示；某位為1，允許顯示。DISPBF

+0低位+1+2+3+4+5高位⑥顯示程序流程圖顯示程序流程圖如圖3-11所示。關(guān)顯示根據(jù)DISPCNT的內(nèi)容從DISPBF開始的單元中取被顯示的數(shù)從SEGTB中查表取字模送CS0口位驅(qū)動計數(shù)器DRVCNT內(nèi)容送CS1口位驅(qū)動計數(shù)器DRVCNT內(nèi)容左移一位顯示位數(shù)計數(shù)器DISPCNT內(nèi)容加1(DISPCNT)=00H(DRVCNT)=01HRETYN（DISPCNT）=06H?圖3-11顯示程序流程圖

3.5段型LCD顯示器接口設(shè)計

3.5.1LCD的發(fā)展過程

1888年奧地利植物學(xué)家F.Reinetzer首先觀察到液晶現(xiàn)象。它在測定有機物熔點時，發(fā)現(xiàn)某些有機物熔化后會經(jīng)歷一個不透明渾濁的液態(tài)階段，繼續(xù)加熱，才成為透明的各向異性液態(tài)。1889年，德國物理學(xué)家O.Lehmann觀察到同樣的現(xiàn)象，并發(fā)現(xiàn)呈渾濁狀液體的中間具有和晶體相似的性質(zhì)，故稱為“液晶”。這是世界上首次被發(fā)現(xiàn)的一種熱致液晶：膽甾醇苯甲酸脂，在60±15℃的溫度下呈乳白色粘狀液體。由于歷史條件所限，當(dāng)時并沒有引起很大重視，只是把液晶用在壓力和溫度的指示器上。現(xiàn)在，液晶已形成一個獨立的學(xué)科。液晶知識涉及多門學(xué)科，如化學(xué)、電子學(xué)、光學(xué)、計算機、微電子、精細(xì)加工、色度學(xué)、照明等。要全面、深入了解液晶顯示器件必須對上述提及的領(lǐng)域有一定的了解。1．液晶顯示的優(yōu)點（1）低壓、微功耗極低的工作電壓，只要2~3V，工作電流只有幾個微安，即功耗只有10-6~10-5W/cm2。這是任何別的顯示器件做不到的。（2）平板結(jié)構(gòu)液晶顯示器的基本結(jié)構(gòu)是兩片導(dǎo)電玻璃，中間灌有液晶的薄形盒。（3）被動顯示型液晶本身不發(fā)光，靠調(diào)制外界光達(dá)到顯示目的，即依靠對外界光的不同反射和透射形成不同對比度來達(dá)到顯示目的。（4）顯示信息量大

3.5.2LCD的特點

2．液晶顯示的缺點（1）顯示視角小由于大部分液晶顯示的原理依靠液晶分子的各向異性，對不同方向的入射光、反射率是不一樣的，所以視角較小，只有30o~40o，隨著視角的變大，對比度迅速變壞。（2）響應(yīng)速度慢液晶顯示大多是依靠在外加電場的作用下，液晶分子的排列發(fā)生變化，所以響應(yīng)速度受材料的粘滯度影響很大，一般均為100~200ms。（3）非主動發(fā)光，暗時看不清液晶是一種介于流體與固體之間的熱力學(xué)的中間穩(wěn)定相。其特點是在一定的溫度范圍內(nèi)既有液體的流動性和連續(xù)性，又有晶體的各向異性，其分子呈長棒形，長寬之比較大，分子不能彎曲，是一個剛性體，中心一般有一個橋鏈，分子兩頭有極性。LCD器件的結(jié)構(gòu)如圖3-12所示。

3.5.3LCD的基本結(jié)構(gòu)及工作原理

下偏振片封接劑下電級基板（背)反射板..上電級基板（正）上偏振片電極液晶材料圖3-12液晶顯示器基本構(gòu)造由于液晶的四壁效應(yīng)，在定向膜的作用下，液晶分子在正、背玻璃電極上呈水平排列，但排列方向互為正交，而玻璃間的分子呈連續(xù)扭轉(zhuǎn)過渡，這樣的構(gòu)造能使液晶對光產(chǎn)生旋光作用，使光的偏振方向旋轉(zhuǎn)90o。圖3-13顯示了液晶顯示器的工作過程。當(dāng)外部光線通過上偏振片后形成偏振光，偏振方向成垂直方向，當(dāng)此偏振光通過液晶材料之后，被旋轉(zhuǎn)90o，偏振方向成水平方向，此方向與下偏振片的偏振方向一致，因此此光線能完全穿過下偏振片而到達(dá)反射板，經(jīng)反射后沿原路返回，從而呈現(xiàn)出來透明狀態(tài)。當(dāng)在液晶盒的上、下電極加上一定的電壓后，電極部分的液晶分子轉(zhuǎn)成垂直排列，從而失去旋光性。因此，從上偏振片入射的偏振光不被旋轉(zhuǎn)，當(dāng)此偏振光到達(dá)下偏振片時，因其偏振方向與下偏振片的偏振方向垂直，因而被下偏振片吸收，無法到達(dá)反射板形成反射，所以呈現(xiàn)出黑色。根據(jù)需要，將電極做成各種文字、數(shù)字或點陣，就可獲得所需的各種顯示。光源 上偏振片 液晶盒 下偏振片 反射板 圖3-13液晶顯示工作原理3.5.4LCD的驅(qū)動方式

液晶顯示器的驅(qū)動方式由電極引線的選擇方式確定，因此，在選擇好液晶顯示器之后，用戶無法改變驅(qū)動方式。液晶顯示器的驅(qū)動方式一般有靜態(tài)驅(qū)動和時分割驅(qū)動兩種。由于直流電壓驅(qū)動LCD會使液晶體產(chǎn)生電解和電極老化，從而大大降低LCD的使用壽命，所以現(xiàn)用的驅(qū)動方式多屬交流電壓驅(qū)動。1．靜態(tài)驅(qū)動方式靜態(tài)驅(qū)動回路及波形圖如圖3-14所示。2．時分割驅(qū)動當(dāng)顯示字段增多時，為減少引出線和驅(qū)動回路數(shù)，必須采用時分割驅(qū)動法。時分割驅(qū)動方式通常采用電壓平均化法，其占空比有1/2，1/8，1/16，1/32等等，偏壓有1/2，1/3，1/4，1/5等。液晶顯示器除段形液晶顯示器外，還有點陣液晶顯示器，可顯示漢字、圖形、曲線等。V0A0V0B0V0

V00-V0C

A1=1LCD

ABC000011101110不顯示顯示圖3-14靜態(tài)驅(qū)動回路及波形C0A-C

B隨著計算機技術(shù)的普及，在20世紀(jì)90年代初，出現(xiàn)了一種新的人機交互作用技術(shù)——觸摸屏技術(shù)。利用觸摸屏技術(shù)，用戶只需要用手指輕輕觸碰計算機顯示屏上的圖符或文字就能實現(xiàn)對主機的操作，擺脫了鍵盤和鼠標(biāo)操作，使人機交互更為直截了當(dāng)。觸摸屏作為一種較新的電腦輸入設(shè)備，是目前最簡單、方便、自然的一種人機交互方式。它賦予了多媒體以嶄新的面貌，是極富吸引力的全新多媒體交互設(shè)備。觸摸屏在我國的應(yīng)用范圍較為廣泛，主要應(yīng)用于公共信息的查詢，如電信局、稅務(wù)局、銀行、電力等部門的業(yè)務(wù)查詢，城市街頭的信息查詢，辦公、軍事指揮、電子游戲、點歌點菜、多媒體教學(xué)、房地產(chǎn)預(yù)售等。將來，觸摸屏還會走入家庭。觸摸屏在工業(yè)控制領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用。

3.6觸摸屏技術(shù)

3.6.1觸摸屏技術(shù)概述

按照觸摸屏的工作原理和傳輸信息的介質(zhì)，觸摸屏可以分為以下四類：電阻式、電容感應(yīng)式、紅外線式和表面聲波式。為操作方便，采用觸摸屏代替鼠標(biāo)或鍵盤。工作時，首先用手指或其它物體觸摸觸摸屏，然后系統(tǒng)根據(jù)手指觸摸的圖標(biāo)或菜單位置來定位選擇信息輸入。觸摸屏由觸摸檢測部件和觸摸屏控制器組成。觸摸檢測部件安裝在顯示器屏幕前面，用于檢測用戶觸摸位置，接受后送至觸摸屏控制器。而觸摸屏控制器的主要作用就是從觸摸點檢測裝置上接受觸摸信息，并將它轉(zhuǎn)換成觸點坐標(biāo)，再送給CPU，它同時能接受CPU發(fā)來的命令并加以執(zhí)行。觸摸屏的基本原理是用手指或其它物體觸摸安裝在顯示器前端的觸摸屏，所觸摸的位置（以坐標(biāo)形式）由觸摸屏控制器檢測，并通過接口（如RS-232串行口）送到CPU，從而確定輸入的信息。

3.6.2觸摸屏的分類和工作原理電阻式觸摸屏的工作原理。電阻式觸摸屏利用壓力感應(yīng)進行控制。電阻觸摸屏的主要部分是一塊與顯示器表面非常配合的電阻薄膜屏，這是一種多層復(fù)合薄膜，它以一層玻璃或硬塑料平板作為基層，表面涂有一層透明氧化金屬（透明的導(dǎo)電電阻）導(dǎo)電層，在他們之間有許多細(xì)小的（小于）透明隔離點把兩層導(dǎo)電層隔開絕緣。當(dāng)手指觸摸屏幕時，兩層導(dǎo)電層在觸摸點位置就有了接觸，電阻發(fā)生變化，在X和Y兩個方向上產(chǎn)生信號，然后將這兩個信號送至觸摸屏控制器?？刂破鱾蓽y到這一接觸并計算出（X，Y）的位置，然后根據(jù)模擬鼠標(biāo)的方式進行操作。在計算機控制系統(tǒng)中，打印機是重要的外設(shè)之一。隨著計算機本身性能的不斷完善和用戶要求的提高，打印機技術(shù)正在往高速度、低噪聲、字跡清晰美觀、彩色化、圖形化方向發(fā)展。打印機的種類很多，從與計算機的接口方法上，可以分為并行打印機和串行打印機；從打印方式上，有打擊式打印機和非打擊式打印機之分；從打印字符的形式上，有點陣式和非點陣式之分。并行打印機接口通常按Centronics標(biāo)準(zhǔn)定義插頭插座引腳，Centronics標(biāo)準(zhǔn)中各引腳和信號之間的對應(yīng)關(guān)系如表3-4所示。

3.7打印機接口電路設(shè)計

3.7.1標(biāo)準(zhǔn)Centronics接口引腳號信號方向（對打印機）說明1STROBE入選通脈沖為低電平時，接收數(shù)據(jù)2DATA1入數(shù)據(jù)最低位3DATA2入4DATA3入5DATA4入6DATA5入7DATA6入8DATA7入9DATA8入數(shù)據(jù)最高位10ACKNLG出低電平時，表示打印機準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)11BUSY出高電平時，表示打印機不能接收數(shù)據(jù)12PE出高電平時，表示無打印紙13SLCT出高電平時，指出打印機能工作14出低電平時，在打印一行后自動走紙15不用入表3-4Centronics標(biāo)準(zhǔn)引腳號信號方向（對打印機）說明16邏輯地17機架地18不用19-30地31INIT入低電平時，打印機復(fù)位32ERRIOR出低電平時