人机接口技术

图13.8 8×8字符A点阵示意图
第13章 人机接口技术
§13.2.3 显示器接口控制
显示器接口卡（显卡）通过插座和系统总线相连，同时 在卡的背面又通过9针D型插座与显示器连接。控制卡功能很
强，它包括CRT控制器（CRTC）、定时器、RAM、ROM等一整
套控制电路。 在计算机加电自检期间，系统完成了CRTC的初始化、建 立显示方式、进行相应VRAM自检之后，CRT接口在CRT控制器 控制下，按照编程设置的工作方式独立控制显示器工作，为
第13章 人机接口技术
13.1 键盘原理及其接口技术
主要 介绍
13.2 CRT显示器原理及接口技术
13.3 LED显示器原理及接口技术
13.4 LCD显示原理及接口技术 13.5 打印机及其接口技术
13.6 其它交互式人机接口及有关设备
外围设备的分类
图 13 1 计 算 机 系 统 外 围 设 备 分 类
• LED的驱动：总线上的TTL电平需要驱动才能接到LED上。 常用于LED的驱动器：7407/7406同向/反向驱动器，75452二输 入与非驱动器。锁存器可用74LS273/373 、74LS244等集成电路。 • 系统中有多位LED时位选码的确定：则每次只能使一位LED显示信息， 每位LED上有一选通端（公共端）。要想使哪位LED显示信息，就应给 其公共端提供有效电平（共阳极为“1”，共阴极为“0”），而其它 位的公共端提供无效电平。 • 多位LED动态显示的实现：在多位LED显示中，既要使每一位的显示信
显示器提供所需的视频信号和同步信号。
第13章 人机接口技术
图13.10 显示器接口逻辑图
系统通过访问显卡的可寻址端口实现对显示器的控制。
表13.3显示器可寻址端口
第13章 人机接口技术
CRT显示器各部件功能
显示控制卡主要逻辑部件及功能：
①数据输入缓存器/数据输出锁存器：数据输入缓存器用于 接收 CPU 写入的字符代码或图形数据，然后存入 VRAM 中，供 CRT 控制器读出并送屏幕显示。数据输出锁存器 用于读取VRAM的内容或显示器的状态。
⑨CRTC：显示器控制接口的核心，主要功能是：提供时
序控制信号，提供VRAM地址和屏幕显示扫描地址。
第13章 人机接口技术
§13.3 LED显示器原理及接口技术
§13.3.1 LED的工作原理
常用LED器件：七段数码管和“米”字数码管，如图13.11所示。
第13章 人机接口技术
七段数码管 七段数码管组成原理图及其连接方式 • 共阳极LED：公共端应接高电平 • 共阴极LED：公共端应接低电平
第13章 人机接口技术
表13.4 七段LED字型码
第13章 人机接口技术
§13.3.2 LED数码管在微机系统中的应用
BCD码 译码器 驱动器 LED
(a) LED在一般数字系统中的连接 二进制数 驱动器 LED
(b) LED在微机系统中的连接
图13.13 LED在系统中的连接
第13章 人机接口技术
§13.1 键盘原理及其接口技术
§13.1.1 键盘的分类 硬板键盘
1．按制作工艺分
软板键盘
编码键盘
2．按工作原理分
非编码键盘
线性键盘
矩阵键盘
第13章 人机接口技术
§13.1.2 键盘的工作原理
以非编码键盘为例 1．线性键盘
①工作原理：每个按键对应I/O端口 的一位，没有按键闭合时，各位 均处于高电位；当某键被按下时， 对应位与地接通，则为低电位，
码转换为扩展码
将转换后的编码送BIOS中的键盘缓冲区 16号中断 ：是软中断 检测有无键输入 16号中断功能： 若有，则从缓冲区读取键值 0号：从键盘读1个字符 三个子功能：1号：检测输入字符是否准备好 2号：取当前特殊键的状态
第13章 人机接口技术
BIOS INT 16H
INT 16H软中断是用于检查是否有键输入，并完成从键盘缓 冲区取出键值的操作。16H软中断共有三个子功能。 表13.1 INT 16H功能表
（中断信号送8259A的IRQ1）
⑥CPU响应中断，并从8255A的A端口读入并行扫描码 第13章 人机接口技术
3. PC系列键盘中断
计算机系统通过一个硬中断09H和一个软中断16H与键盘发生联系。 9号中断 ：由按键动作引发的硬件中断（ IRQ1）
对所有键给予定义
对8个特殊键（Ctrl、Alt等）建立状态标志 9号中断功能： 对其他键完成扫描码转换为ASCⅡ码或扫描
⑥彩色编码电路：在字符显示方式，彩色编码电路接收字 符点阵信息和字符属性信息，共同形成R、G、B、I视频 信号；在图形显示方式，彩色编码电路接收图形移位寄 存器信息，直接形成R、G、B、I视频信号，送至显示器 控制电子束的发射。
第13章 人机接口技术
⑦视频信号合成器：由 R、G、B、I 视频信号（彩色编码 电路的输出）和同步信号（CRTC的输出）经视频信号 合成器，生成合成的视频信号，直接输出。 ⑧定时器：产生CRTC和VRAM所需的所有定时信号。
第13章 人机接口技术
②行反转法 首先使所有行线全输出“0”，然后读取列线状态， 并判断。若列线全为“1”，则无键按下；若列线不全 为“1”，则将刚读回的列线状态从列线输出，并读取
行线状态，那么，说明为“0”的列线与为“0”的行
线相交处的键被按下。最后，CPU根据行列编码所构 成的键值转相应功能程序执行。
而其他仍为高电位。
②特点：线性键盘软、硬件简单， 但只适用于按键不多的情况。 图13.2 线性键盘原理图
第13章 人机接口技术
2．矩阵键盘
一个键盘阵列可以有N行和M列，共有N×M个按键，称为 N×M键盘矩阵。
行扫描法 识别按键的方法: 行反转法
图13.3 矩阵键盘原理图
第13章 人机接口技术
①行扫描法 将键盘阵列的行线接到一个并行接口上，将列线接到 另一个并行接口上。 行线所接的并行口PA设为输出口，列 线所接的并行口PB设为输入口。 识别按键的方法:
④字符发生器ROM：在字符显示方式时，能依据VRAM输 出的字符/数字的ASCⅡ码，从字符发生器中取出对应的 点阵数据用来显示。
第13章 人机接口技术
⑤数据锁存器和移位寄存器：数据锁存器用于锁存从 VRAM中读出的数据。在字符显示方式，将字符显示器 的内容送到字符发生器作为其高位地址；在图形显示方 式，锁存器中的数据直接送到图形移位寄存器。
息有一个持续时间（可用循环延时程序实现），又要保证一遍一遍地
进行循环显示时不出现闪烁，在软、硬件设计时就要考虑LED的位数 不能太多，显示的延时要适中。
8048单片机 PC系列键盘组成: 译码器 16行×8列的键开关阵列
键盘扫描 加上起始位、停止位 消抖 和校验位 8048的功能: 生成扫描码 对扫描码进行并串转换 用于同步 将串行的键扫描码和时钟送到主机
第13章 人机接口技术
复位
图13.5 PC键盘硬件逻辑图
第13章 人机接口技术
2. PC系列键盘接口 (主机方接口)
键盘 鼠标器 光笔 条形码、磁卡、 IC卡阅读器 输入设备 触摸屏 数字化仪 扫描仪 OCR（光学字符识别）器 声音、图形、图像识别器 输出设备 显示器 打印机 绘图仪 软盘存储器 硬盘存储器 光盘存储器 终端 调制解调器 集线器、路由器等
.
外围设备 外存设备
通讯设备 其他设备
第13章 人机接口技术
从PA口的第1行起逐行输出0，每次从PB口读入列码。如果读入的
数据为全1，则使PA口的下一行输出0；如果读入的数据不为全1，则说 明PA口输出0的行和PB口为0的列之交叉点的按键被按下，即可确定按键
的位置。因此，可用行号和列号的组合给每个按键编一个唯一的编码。
根据编码的不同，可以识别是哪个键被按下。
第13章 人机接口技术
定义端口a为输出 端口b为输入 定义端口a为输出 端口b为输入 输出行码为全"0"
设置行码最低位为0
读取列码
输出行码 读取列码
Y
是全"1"吗？
N
定义端口b为输出
是全1吗？
N
计算键值 转相应功能
端口a 为输入
Y Y
是最后一行吗？
输出列码,读取行码
N
行码循环左移
计算键值 转相应功能
PC键盘接口安装在主板上，通过5芯插头座与 键盘相连。
2KROM 128字节RAM 8位定时器/计数器
智能接口：以单片机8042为核心 接收键盘来的键扫描码和时钟 对扫描码进行串并转换 去掉起始位、停止位 完成校验 8042的功能: 转换为系统码 保存到缓冲区 产生中断请求信号送8259A的IRQ1 另外：负责将系统命令发给键盘
1.基本结构
CRT显示器由阴极射线管、视频放大电路和同步扫描电路组 成。如图13.7所示。
Biblioteka Baidu
图13.7
CRT显示器结构框图
第13章 人机接口技术
2．视频显示工作原理
屏幕上显示的图像实际上是光栅扫描过程中将图像分解成按时间分 布的视频信号，用来控制电子束在扫描过程中各点的亮度和色彩。为了 使图像不消失，将一贞视频信息存放在显示缓冲器（VRAM）中。当显 示器以贞频的速率，以VRAM的内容，保持与水平同步和垂直同步，不 断地扫描屏幕时，便形成稳定的图像。
CPU响应中断：执行中断服务程序，从缓冲区读取扫描码，识别按键， 完成相应功能。
第13章 人机接口技术
图13.6 PC键盘接口硬件逻辑图 (主机方)
• IBM PC/XT主机键盘接口：以8255A为核心 （非智能接口） 工作过程:
①由移位寄存器74LS322接收扫描码
②去掉起始位和停止位 ③由74LS322转换为并行扫描码 ④完成校验 ⑤通过D触发器向CPU申请中断
(a) 行扫描法的键盘扫描流程图
(b) 行反转法的键盘扫描流程图
图13.4 矩阵键盘的键盘扫描程序流程图
§13.1.3 PC系列键盘
PC系列键盘不是由硬件电路输出按键所对应的ASCII码值， 而是由扫描程序识别按键位置，故，属于非编码键盘。 1. PC系列键盘工作原理
（键盘方）
1KROM 64字节RAM 8位定时器/计数器
外，键盘缓冲区满足快速操作员的键入要求。
第13章 人机接口技术
§13.2 CRT显示器原理及接口技术 §13.2.1 概述
①CRT（Cathode Ray Tube阴极射线管）显示器是用来显示字 符、图形和图像的，称为计算机系统的标准输出设备。
②CRT显示器与键盘（标准输入设备）合称计算机终端。是人机
②地址锁存器： CPU地址锁存器用于接收 CPU 对 VRAM 的 读 / 写访问地址，显示地址锁存器用于接收来自 CRTC 访 问VRAM的地址。
第13章 人机接口技术
③示缓存VRAM：用于存放字符代码或图形数据，供屏幕 显示。 VRAM 是双端口， CRTC 和 CPU 都可以访问它。 CRTC 输出地址信号和时序控制信号来读取 VRAM中的字符作为 字符发生器的高位地址，字符点阵行地址作为低位地址， 从字符发生器中读取字符点阵图像，从而完成显示字符 的任务。 CPU 只能往 VRAM 中写，以完成修改显示内容的 工作。
第13章 人机接口技术
键盘缓冲区的作用 ：
键盘缓冲区是由16个字节组成的先进先出循环队列， 其 作用有两个： 第一，可实现键盘实时输入要求：用户按键完全是随机实时的，
与主机运行是异步的，开辟键盘缓冲区实现随机实时的键入
的要求； 第二，满足随机应用的要求：应用程序需要时间不一定与按键
同步。键盘缓冲区可事先存放应用程序所需的全部键符。此
交互必不可少的外部设备。 ③CRT显示器也称监示器，其原理与电视机的工作原理大体相同 ，是由阴极射线管、视频放大电路和同步控制电路组成的。 ④彩色显示器的阴极射线管中通常由红、绿、兰三个电子枪产 生三个颜色的电子束，各种色彩均由这三基色迭加而成。
第13章 人机接口技术
§13.2 CRT显示器原理及接口技术
+5V a b ┆ g dp
共阴极
a b ┆ g dp
共阳极
a b c
┆
n dp
a b c
┆
n dp
共阴极
+5V 共阳极
（a）七段LED原理图
图（b）“米”字LED原理图
图13.12 典型LED器件原理图
LED显示原理
位码（位选码）：使某1位LED显示信息，其他位不显示 信息的二进制编码。 段码（段选码）：使1位LED的一些段发亮，而另一些段 不发亮的二进制编码。 给数码管的每个输入端（a,b,c,……,h）提供适当 电平，使某几段发光二极管亮，而另外几段不亮，则 可显示出数字或字母。八个输入端组成的二进制编码 （简称段码或段选码）所对应的显示内容见表13.4。