Устройства ввода

Клавиатуры
Клавиатура — одно из важнейших устройств компьютера, используемое для ввода в систему команд и данных.
За время, прошедшее с момента выпуска первой модели PC, компания IBM разработала три типа компьютерных
клавиатур, а Microsoft — еще одну. Они стали промышленными стандартами, которых придерживаются практически все
производители совместимого оборудования.
Существуют такие основные типы клавиатур:
83-клавишная клавиатура PC и XT;
84-клавишная клавиатура AT;
101-клавишная расширенная клавиатура;
104-клавишная расширенная клавиатура Windows.
Устройство клавиатуры
Конструкции клавиш
В современных клавиатурах используется несколько типов клавиш. В большинстве клавиатур установлены
механические переключатели, в которых происходит замыкание электрических контактов при нажатии клавиш. В
некоторых клавиатурах высокого класса используются бесконтактные емкостные датчики.
Наиболее широко распространены контактные клавиатуры. Существуют следующие их разновидности:
с механическими переключателями;
с замыкающими накладками;
с резиновыми колпачками;
мембранные.
Механические переключатели
В механических переключателях (рис. 16.2) происходит замыкание металлических контактов. В них для создания
“осязательной” обратной связи зачастую устанавливается дополнительная конструкция из пружины и смягчающей
пластинки. При этом ощущается сопротивление клавиши и слышится щелчок.
Механические переключатели очень надежны, их контакты обычно самоочищающиеся.
Они выдерживают до 20 млн. срабатываний и стоят вторыми по долговечности после емкостных датчиков.
Замыкающие накладки
Клавиши с замыкающими накладками широко применялись в старых клавиатурах. Они использовались в большинстве
старых совместимых клавиатур компании Key Tronic и др. В них прокладка из пористого материала с приклеенной
снизу фольгой соединяется с кнопкой клавиши (рис. 16.3).
При нажатии клавиши фольга замыкает печатные контакты на плате. Когда клавиша отпускается, пружина возвращает
ее в исходное положение. При этом пористая прокладка смягчает удар, но клавиатура становится слишком “мягкой”.
Резиновые колпачки
Клавиатура с резиновыми колпачками похожа на предыдущую конструкцию, но превосходит ее во многих отношениях.
Вместо пружины в ней используется резиновый колпачок с замыкающей вставкой из той же резины, но с угольным
наполнителем. При нажатии клавиши шток надавливает на резиновый колпачок, деформируя его. Деформация колпачка
сначала происходит упруго, а затем он “проваливается”. При этом угольный наполнитель замыкает проводники на
печатной плате. При отпускании резиновый колпачок принимает первоначальную форму и возвращает клавишу в
исходное состояние.
Замыкающие вставки делаются из очищенного угля, потому они не подвержены коррозии и сами по себе очищают
металлические контакты, к которым прижимаются. Колпачки обычно прессуются все вместе в виде листов резины,
покрывающих плату целиком и защищающих ее от пыли, грязи и влаги. Количество деталей в такой конструкции
минимально. Все это обеспечивает высокую надежность клавиатуры и ее широкое распространение.
Мембранная клавиатура
Эта клавиатура является разновидностью предыдущей, но в ней нет отдельных клавиш: вместо них используется лист с
разметкой, который укладывается на пластину с резиновыми колпачками. При этом ход каждой клавиши ограничен, и
такая клавиатура не годится для обычной печати. Но, поскольку рассматриваемая клавиатура состоит фактически из
трех пластин и минимума других деталей, она может оказаться незаменимой в экстремальных условиях. Мембранные
клавиатуры часто используются в пультах управления (станками, агрегатами и т.п.), т.е. там, где не нужно вводить
большие объемы данных.
Тем не менее мембранные клавиатуры используются не только в промышленности или в ресторанах быстрого питания.
В течение последних лет мембранные переключатели со стандартными колпачками клавиш полностью вытеснили своих
собратьев с резиновыми колпачками, получив при этом широкое распространение на рынке клавиатур низшего и
среднего классов.
Емкостные датчики
Этот тип клавиатур входил в состав первых систем IBM PC, XT и AT. В них емкостные переключатели сочетаются с
механизмом деформирующихся пружин, что обеспечивает высокую производительность и отличную обратную связь.
Емкостные датчики, по своей сути, являются единственным существующим сегодня немеханическим переключателем
(рис. 16.6). Несмотря на то, что движение клавиш механично по своей природе, на самом деле они не замыкают и не
переключают контакты. Из-за высокой себестоимости таких клавиатур IBM в середине 1980-х переключилась на выпуск
мембранных клавиатур с механизмом деформирующихся пружин (buckling spring). Независимо от типа самих
переключателей, сам механизм деформирующихся пружин считается одним из лучших в мире, именно он издает тот
самый щелчок, который символизирует срабатывание клавиши.
В емкостных датчиках нет замыкающихся контактов. Их роль выполняют две смещающиеся друг относительно друга
пластинки и специальная схема, реагирующая на изменение емкости между ними. Клавиатура представляет собой набор
таких датчиков.
При нажатии клавиши шток смещает верхнюю пластинку ближе к неподвижной нижней. Деформированная пружина
слегка изгибается, после чего скачкообразно выгибается дугой и ударяет по пластмассовой стенке (в этот момент
слышится характерный щелчок), при этом сопротивление клавиши нажатию резко снижается. Когда верхняя пластинка
приближается к нижней, емкость между ними увеличивается, что регистрируется схемой компаратора, установленной в
клавиатуре.
Обратная связь механизма деформирующихся пружин так и осталась непревзойденной, поскольку относительно
громкий щелчок и обратная отдача повышают скорость и точность печати. Единственным недостатком этой технологии
является относительно высокая стоимость.
Устройства позиционирования
В 1964 году Дуглас Энгельбарт, работавший в Stanford Research Institute (SRI), изобрел мышь. Официально она была
названа “указатель XY_координат для дисплея”. В 1973 году Xerox применила мышь в своем новом компьютере Alto. К
сожалению, тогда подобные системы были экспериментальными и использовались только в исследовательских целях.
Мышь шарового типа
В нижней части мыши располагается небольшой покрытый резиной металлический шарик, который вращается при
перемещении мыши по столу. Вращение шарика преобразуется в электрические сигналы, которые по кабелю
передаются в компьютер.
Внешне мышь шарового типа выглядит довольно просто. Шарик контактирует с двумя валиками, один из которых
отслеживает перемещение мыши по оси X, а другой — по оси Y. Эти валики соединены с небольшими ребристыми
дисками, через которые периодически проходят (или не проходят) лучи от источника света. Небольшие оптические
датчики регистрируют вращение осей, улавливая отблески инфракрасных лучей, проходящих при вращении валиков
через ребра дисков. Отблески света преобразуются в сигналы перемещения вдоль соответствующей оси координат.
Устройства подобного типа, называемые оптико-механическими датчиками, являются наиболее распространенным
типом механизмов мыши (рис. 16.9), хотя оптическая мышь становится все более и более популярной. На рис. 16.10
показан разъем мыши PS/2.
Оптическая мышь
Оптический метод регистрации перемещений сегодня является одним из самых перспективных. В первых конструкциях
оптической мыши компании Mouse Systems, а также в некоторых других применялся датчик, для работы которого
требовался специальный коврик с координатной сеткой. Это привело к тому, что устройства этой конструкции,
несмотря на их высокую точность, не получили широкого распространения.
Компания Microsoft возобновила производство этих устройств, создав IntelliMouse Explorer.
В этой модели, как и в прежних конструкциях оптической мыши, для регистрации перемещений используется
оптическая технология. В этой мыши нет движущихся элементов, кроме колеса прокрутки и кнопок, расположенных в
верхней части корпуса. Не требуется и специальный коврик, так как мышь может работать практически на любой
поверхности. В этой конструкции вместо относительно простого оптического датчика, который применялся в
предыдущих версиях оптической мыши, используется улучшенная модель сканера с зарядовой связью (CCD). Этот
сканер, в сущности, является упрощенной версией датчика видеокамеры, который регистрирует перемещение,
отслеживая изменение той поверхности, где расположена мышь. Функцию освещения поверхности выполняет
светоизлучающий диод (LED).
Модель IntelliMouse Explorer стала первой из постоянно растущего семейства оптических устройств, созданных
компанией Microsoft. Вначале Logitech, а затем постепенно и все остальные производители мышей перешли на
оптические технологии, выпустив на рынок широкий спектр самых разнообразных оптических мышей во всех ценовых
категориях. На рис. 16.11 показана типичная оптическая мышь.
Благодаря своей универсальности и простому техническому обслуживанию (не говоря уже о непревзойденной точности
позиционирования) оптическая мышь является достойным выбором для любой системы, а многообразие моделей
позволяет приобрести такую мышь по ценам качественных традиционных устройств. На рис. 16.12 показано внутреннее
устройство типичной оптической мыши.
Различные типы оптической мыши имеют разрешение не менее 400 точек на дюйм и как минимум один датчик. Тем не
менее некоторые устройства имеют настраиваемую чувствительность датчика, вплоть до 2000 точек на дюйм. Часто
такие мыши продаются как “игровые”, поскольку повышенная чувствительность позволяет быстрее перемещаться в
виртуальном пространстве трехмерных игр. Многие современные мыши оснащены инфракрасными лазерными
сенсорами, что позволяет перемещать их по зеркальным и прозрачным поверхностям.
Оптическая мышь, как и традиционная — шарового типа, — бывает проводной и беспроводной. В беспроводных мышах
информация передается на инфракрасный датчик или на радиочастотах. Приемник вставляется в порт мыши или USB, а
питаемая от батарейки мышь содержит совместимый с ним передатчик. По своим размерам беспроводная шаровая
мышь больше обычной, что связано с необходимостью размещения батарей и громоздкого шарового механизма. При
этом беспроводная оптическая мышь имеет примерно такие же габариты, как и высококачественные проводные
устройства.