Устройства ввода информации и обеспечения интерфейса

Клавиатура

Клавиатура относится к основным устройствам ввода и предназначена для ввода алфавитно-цифровых данных и команд управления в интерактивном режиме взаимодействия ПК и пользователя. Клавиатура – стандартное средство ПК, поэтому для реализации ее основных функций не требуется наличие специальных системных программ (драйверов). Необходимое программное обеспечение для работы с клавиатурой находится в микросхеме постоянной памяти в составе базовой системы ввода-вывода BIOS. Стандартная клавиатура включает от 101 до 104 клавиш, размещенных по стандарту QWERTY (в верхнем левом углу алфавитной части клавиатуры находятся клавиши Q, W, E, R, T, Y).

Клавиши клавиатуры разбиты на несколько функциональных групп:

алфавитно-цифровые;

функциональные;

управления курсором;

служебные;

клавиши дополнительной панели.

Алфавитно-цифровые клавиши (русские и латинские символы, цифры, специальные символы) – используются для ввода знаковой (символы алфавита) информации и команд, которые набираются по буквам, при этом каждая клавиша может работать в двух режимах (регистрах). Переключение между нижним регистром (ввод маленьких символов) и верхним регистром (ввод больших символов) осуществляется при нажатии клавиши <Shift> (нефиксированное переключение) или с помощью клавиши <Caps Lock> (фиксированное переключение).

Группа функциональных клавиш включает двенадцать клавиш с обозначением F1 – F12, расположенных в верхней части клавиатуры. Функции этих клавиш зависят от работающей в текущий момент времени программы, а в некоторых случаях и от операционной системы. По умолчанию функциональная клавиша F1 используется для вызова справки.

Клавиши управления курсором (↑, →, ↓, ←) подают команды на передвижение курсора по экрану монитора относительно текущего изображения. Курсором называется экранный элемент, указывающий на место ввода знаковой информации. К этой группе, помимо указанных клавиш, относятся клавиши <Page Up> и <Page Down>, прокручивающие текст на страницу вверх или вниз соответственно, а также клавиши <Home> и <End>, устанавливающие курсор на начало и конец строки соответственно.

Служебные клавиши используются для разных вспомогательных целей, таких, как изменение регистра, режимов вставки, образование комбинаций "горячих" клавиш и т.д. К этой группе относятся такие клавиши, как <Shift>, <Enter>, <Ctrl>, <Alt>, <Esc>, <Del>, <Ins>, <BackSpace> и др.

Группа клавиш дополнительной панели дублирует действие цифровых клавиш, клавиш управления курсором и некоторых служебных клавиш. Основное назначение – ввод чисел, поэтому клавиши размещены в порядке, удобном для такой работы. Переход в режим дублирования клавиш управления курсором и наоборот осуществляется нажатием на клавишу <Num Lock>. Кроме этого, клавиши дополнительной панели используются для ввода символов, имеющих расширенный код ASCII, но не имеющих соответствующей клавиши на клавиатуре.

Группа устройств местоуказания (позиционирования)

Группа устройств предназначена для ввода координат в компьютер. К ним относятся манипулятор "мышь", планшет, сенсорная панель, дигитайзер.

Манипулятор мышь

Манипулятор "мышь" – наиболее распространенный манипулятор, позволяющий перемещать указатель (курсор мыши) по экрану дисплея и указывать им на определенные объекты на экране (т.е. вводить в компьютер координаты выбранной точки на экране). Наиболее простые – механические мыши, в основании которых имеется шарик, вращающийся при перемещении мыши по ровной поверхности. Более дорогой и сложной, но более точной и надежной является оптическая мышь, перемещающаяся на планшете, покрытом сеткой линий (отражающих или поглощающих свет). В отличие от клавиатуры, мышь не является стандартным устройством управления, поэтому для работы с ней требуется наличие специальной системной программы – драйвера. Драйвер манипулятора устанавливается при его подключении или при загрузке операционной системы. Разные модели манипуляторов для ЭВМ могут иметь две, три или более кнопок, колесико (колесико с кнопкой) для выполнения дополнительных функций(перемещение изображения масштабирование). Как правило, активно используется левая (для выполнения действий над объектом) и правая (вызов контекстного меню объекта) кнопки – остальные кнопки мыши вспомогательные, их функции настраиваемые и зависят от используемого драйвера мыши. Настраиваемыми параметрами мыши на уровне пользователя, например, являются чувствительность (характеризует величину перемещения курсора мышки по экрану при заданном перемещении мышки), а также чувствительность к двойному щелчку (определяет максимальный промежуток времени, на протяжении которого два отдельных клика клавиши рассматриваются как один двойной клик), вид и размер указателя мыши.

Характерной тенденцией является замена традиционных манипуляторов, подключаемых через интерфейс PS/2 или СОМ на беспроводные манипуляторы, подключаемые через инфракрасный порт.

Под "мышкой" понимается небольшое ручное устройство ввода, выдающее приращения координат при перемещении "мышки" по рабочей поверхности (по рабочему столу для механических "мышек" и по специальной пластине для оптических "мышек"). При перемещении механической "мышки" по столу движение передается одним (двумя) шарами на пару потенциометров или датчиков угла поворота, соответствующих перемещениям по двум взаимно-перпендикулярным направлениям. Обычно в качестве датчика угла используется диск с выполненными радиальными прорезями (рис. 10). Комплект из двух пар светодиод-фотодиод позволяет определить направление поворота и подсчитать величину перемещения. Вследствие произвольного и не слишком точного перемещения "мышки" наилучшим методом ее использования является относительный.

 

 

Рис. 10. Конструкция механизма перемещения мышки.

Трекбол

Представляет собой перевернутую "мышку" с одним большим шаром, приводимым в действие рукой. Для обеспечения медленных перемещений масса шара должна быть сравнительно большой. Это затрудняет большие и быстрые перемещения. Для облегчения задания больших перемещений используют различные сложные конструкции вплоть до подвески шара на воздушной подушке. Так как имеется хорошая тактильная обратная связь, то для управления курсором может использоваться не только координата, но и угол поворота шара, кроме того, так как шар достаточно тяжелый, то можно использовать и величину начального импульса шара. Т.е. трекбол, в отличие от "мышки", применим для всех трех способов позиционирования курсора - статического абсолютного, статического относительного и динамического. В практическом использовании трекбол заменяется "мышкой".

Джойстик

Джойстик представляет собой вертикально стоящий рычаг, который на нижнем конце установлен в кардане и удерживается пальцами в среднем - начальном состоянии. Джойстик является идеальным "рычагом управления курсором", так как он может отклоняться требуемым образом одновременно по двум осям. Основная область применений -динамический метод позиционирования, однако он применим и для статического абсолютного очень быстрого, но неточного позиционирования. Перемещения джойстика передаются на два потенциометра, соответствующих X и Y направлениям и выдающих напряжения для каждой их координат. Очень простая и дешевая конструкция джойстика использует жестко закрепленный жезл, к которому прикреплены датчики растяжения, например, пьезоэлектрические.

Spaceball

Одним из первых устройств управления трехмерными изображениями является устройство спейсбол (spaceball), представляющее собой конструктивное объединение мышки и небольшого трекбола. Мышка перемещается оператором по столу и обеспечивает ввод двух координат. Ввод третьей координаты обеспечивается вращением шарика трекбола большим пальцем руки.

Для манипулирования объектами в трехмерном пространстве часто используется техника виртуальной сферы. Управляемый объект окружается (воображаемой) сферой. Для перемещения сферы используется мышь, а вращение сферы и заключенного в нее объекта обеспечивается вращением шарика трекбола.

 

Рис. 11. Spaceball

Планшет

Планшет предназначен только для приложений САПР, потому что в этом случае необходимо определять и задавать точное значение координат большого количества точек. Это функциональное требование при использовании обычных устройств ввода, таких, как клавиатура, затруднительно, а при использовании мыши может быть выполнено неточно. Планшет рис. 12 обеспечивает высокую точность перемещения указателя благодаря электромагнитной связи, возникающей между катушкой манипулятора рис. 13 и металлической сеткой электронной доски. В то время как мышь может интерпретировать только относительные координаты, дигитайзер способен точно определять и обрабатывать абсолютные координаты. В состав планшета входит 4-кнопочный манипулятор, оснащенный катушкой индуктивности, выполняющей роль кругового курсора, и плоская подставка (электронная доска), в пределах которой манипулятор можно перемещать.

Кроме этого, планшет является рабочей поверхностью, имеет еще и другие многочисленные функции, позволяющие непосредственно управлять соответствующими программами. На его поверхность перенесены панели пиктограмм программного обеспечения САПР, тем самым освобождая место на мониторе непосредственно для чертежа.

Планшеты являются устройствами ввода с непосредственным заданием координат (локаторы). Это одно из важнейших устройств ввода. Пользователь может вводить информацию в компьютер привычным образом, как при использовании карандаша и бумаги.

Позиции задаются перемещением зонда планшета (визира или карандаша) по рабочей поверхности. Координата текущего положения зонда определяется с частотой от 200 до 500 раз в секунду. Этим обеспечивается высокая точность ввода координат, что даже при быстрых перемещениях зонда вдоль какой-нибудь кривой она будет вводиться достаточно гладко.

 

 

Рис. 12. Планшет

 

 

Рис 13 Манипулятор планшета

Кроме этого доска планшета оснащена сменными вкладышами рис. 14 на которых изображено кроме поля перемещения указателя еще и основные команды которые используются в наиболее популярных системах автоматизированного проектирования.

Рис. 14 Сменный вкладыш для работы в AutoCAD

Сенсорная панель

Сенсорная панель - устройство ввода невысокой точности, используемое в основном, для ручного (пальцем) указания объектов на экране дисплея. Простейшая сенсорная панель представляет собой рамку, размещаемую между экраном, на который выдаются объекты указания, и пользователем. На сторонах рамки размещается некоторое количество светодиодов, а на противоположных к ним-фотоприемники. Координаты указания определяются по перекрытию лучей от светодиодов.

Более сложные сенсорные панели используют прозрачную (стеклянную) поверхность, покрытую прозрачным проводящим слоем окиси олова. Факт указания определяется по изменению сопротивления.

Известны сенсорные панели и с другими принципами определения координаты прикосновения пальца, например, с использованием поверхностных акустических волн.

Периферийные устройства

Для ввода графической информации с имеющихся документов в САПР используют кодировщики (дигитайзеры) и сканеры.

Кодировщик

Кодировщик (дигитайзер) (по ГОСТу - графоповторитель) - устройство автоматического и/или полуавтоматического ввода. В автоматических кодировщиках выполняется сканирование вводимого документа (чертежа, графика, карты), определение и считывание элементов документа.

Кодировщик (дигитайзер) применяют для ручного ввода чертежей большого формата. Он имеет вид кульмана, по его электронной доске перемещается курсор, на котором расположены визир (круговой курсор аналогичный планшету) и кнопочная панель (рис. 15). Курсор имеет электромагнитную связь с сеткой проводников в электронной доске. При нажатии кнопки в некоторой позиции курсора происходит занесение в память информации о координатах этой позиции. Таким образом, может осуществляться ручная сколка чертежей.

 

 

Рис. 15. Указатель дигитайзера

 

В более распространенных полуавтоматических кодировщиках оператор вручную перемещает рабочий орган по поверхности, распознает элементы документа (линии, отметки, знаки и т.п.) и идентифицирует их с помощью клавиатуры. Небольшая функциональная клавиатура обычно размещается непосредственно на рабочем органе (на указателе), а дополнительные - на рабочей поверхности. Определение координат происходит автоматически по положению рабочего органа. Для повышения точности ввода координат рабочие органы (визиры) изготавливаются так, что допускают очень точную установку в заданную точку.

Обычно в полуавтоматических кодировщиках используется два основных режима работы:

• дискретный, когда оператор устанавливает зонд в требуемую точку и выдает команду определения координаты;

• непрерывный, когда оператор перемещает зонд вдоль некоторой линии, а устройство автоматически генерирует последовательность координат. Координаты генерируются либо через заданные интервалы времени, либо по удовлетворению некоторого критерия, например, при достижении заданной разности координат текущей и последней зафиксированной точки.

По сути дела, полуавтоматический кодировщик - просто большой планшет с достаточными размерами и разрешением, оснащенный так или иначе выполненной клавиатурой (в простейших случаях в качестве клавиатуры используется часть рабочей поверхности).

Имеется много различных способов определения координат зонда на планшете. Далее будут рассмотрены основные из них.

8.2 Потенциометрический (градиентный) планшет

Поверхность планшета представляет собой резистивное покрытие (рис. 10). По границам к этому покрытию подводится ток попеременно по X и Y направлениям. Зонд планшета имеет гальванический контакт с резистивным покрытием. Координата определяется по падению напряжения в точке контакта. Для устранения искажений поля, вызываемого взаимным влиянием контактных шин, питающие напряжения подводят через диоды. Основные проблемы при разработке таких планшетов:

• материал покрытия должен быть достаточно высокоомным, чтобы обеспечить простоту и точность измерения;

• материал покрытия должен обладать однородной проводимостью, чтобы обеспечить линейность ввода координат:

• материал покрытия должен быть достаточно прочным, чтобы выдержать постоянный контакт с наконечником планшета.

Предлагаются и иные конструкции градиентных планшетов, не требующие гальванического контакта зонда с поверхностью. Например планшет, в котором резистивный слой из окиси олова находится между двух стеклянных пластин. Высокочастотное питание подводится через контактные шины по краям планшета. Используются различные частоты для X и Y напряжений питания. Зонд планшета воспринимает фазы сигналов, различные для различных точек на планшете. Так как используется высокочастотный сигнал, то возможно значительное удаление зонда от поверхности - более 10 мм. Измерение амплитуды сигнала позволяет получить информацию о высоте подъема зонда.

 

	Рис. 16 Устройство потенциометрического планшета

 

8.3 Магнитоэлектрические планшеты

В таких планшетах катушка в зонде и проводники под рабочей поверхностью планшета могут рассматриваться как первичная и вторичная обмотки трансформатора. Если приемная катушка находится на зонде, то конструктивно этот планшет подобен емкостному планшету. Существенно большее разрешение достигается при использовании обмотки зонда как передатчика, но в этом случае катушка зонда должна иметь много витков, чтобы сгенерировать достаточно мощное поле. Большинство далее упоминаемых кодировщиков, используемых для ввода чертежей, работает на этом принципе.

8.4 Магнитострикционные планшеты

Магнитострикционные планшеты используют магнитострикционные проволоки как носители сигнала, которые под воздействием внешнего магнитного поля незначительно изменяют свою форму (рис. 8). Магнитное поле, вызываемое передающими катушками на краю планшета и перпендикулярное магнитострикционным проволокам, генерирует изменение их длин. Это изменение длины распространяется вдоль проволоки как волна механического напряжения со скоростью около 5000 м/с. Волна, попадая в приемную катушку, расположенную в зонде планшета, из-за изменения потока формирует в катушке импульс напряжения. Время прихода волны пропорционально расстоянию от передающей катушки на краю планшета до зонда. Так как расстояние всегда измеряется вдоль проволоки, то не требуется, чтобы проволоки были абсолютно параллельны. Не требуется располагать проволоки так часто, как это следовало бы из разрешения прибора. Более того, достаточно их расположить на расстоянии в 2-3 мм, все равно при этом на планшете гарантируется достаточное изменение потока. Этот принцип имеет относительно высокую точность (0.01 мм), широко используется в робототехнике и в большинстве планшетов.

Bit Pad One фирмы Summagraphics работает на магнитострикционном принципе. Размер его рабочей области 300 на 300 мм. На подложке под рабочей поверхностью планшета с шагом 3 мм расположены стальные проволоки для каждой из осей. Разрешение по координате составляет 0.1 мм.

Стандартом на рынке для PC является планшет Bit Pad Two, имеющий разрешение в 0.05 мм и точность в 0.5 мм.

 

 

Рис. 17. Устройств магнитострикционного планшета

 

Сканеры

Для автоматического ввода информации с имеющихся текстовых или графических документов используют сканеры планшетного или протяжного типа.

Сканеры — растровые устройства ввода графической информации. Сканеры бывают различных конструкций. Способ считывания оптический. В сканирующей головке размещаются оптоволоконные самофокусирующиеся линзы и фотоэлементы. Разрешающая способность в разных моделях составляет от 300 до 800 точек на дюйм (этот параметр часто обозначают dpi). Считанная информация имеет растровую форму, программное обеспечение сканера представляет ее в одном из стандартных форматов, например TIFF, GIF, PCX, JPEG, и для дальнейшей обработки может выполнить векторизацию — перевод графической информации в векторную форму, например в формат DXF.

Наиболее широко распространены планшетные сканеры, в которых лист с вводимым изображением укладывается на прозрачный стол, а под столом проезжает каретка со считывающим устройством. Планшетные сканеры являются высокоточными (в смысле геометрии) устройствами ввода; дорогие сканеры обеспечивают и точную цветопередачу. Более дешевые сканеры — ручные, в них отсутствуют стол и привод. Пользователь прокатывает считывающий блок по изображению, при этом точность ввода, естественно, страдает. Сканеры-ручки предназначены для построчного ввода текста. Сканеры подключаются через LPT-порт либо через шину SCSI или USB.

Графическое изображение текста, введенное со сканера, может быть преобразовано в символьный формат с помощью программ распознавания текста (Optical Character Recognizer, OCR).

В САПР сканеры используются для автоматизации ввода ранее подготовленной конструкторской документации. В этом случае проблема заключается в том, что данные от сканера представлены в растровой, а не векторной форме и требуется выполнение обратного преобразования растр-вектор. Эта задача сложна и далека от решения (необходимо распознавать различные изображения и тексты, в том числе рукописные, учитывать, что изображение представляется поточечно, причем одна и та же линия может получить при сканировании не только различную ширину, но и промежутки.

Простейшие сканеры - ручные с шириной сканирования до 127 мм (5 дюймов). Например, сканер швейцарской фирмы Logitech Internatiohal S.A. Ширина сканирования 106 мм, разрешение 100, 200, 300 или 400 точек на дюйм. Встроенный источник подсветки оригинала - красный или желто-зеленый.

Более точные сканеры - стационарные. Имеется три основных варианта стационарных сканеров:

1) Оригинал перемещается относительно неподвижной линейки фотоприемников (сканеры с полистовой подачей и барабанные сканеры для больших форматов);

2) Линейка фотоприемников перемещается относительно оригинала (планшетные сканеры);

3) Проекционные сканеры, в которых изображение неподвижного оригинала проецируется на матрицу фотоприемников, установленных в фокусе объектива. Объектив же перемещается для выбора нужного фрагмента с нужным увеличением;

Цвет подсветки в стационарных сканерах обычно белый. Сканирование цветных изображений обеспечивается сменой светофильтров. В некоторых сканерах смена производится вручную.

Аппаратное разрешение стационарных сканеров от 300x300 точек на дюйм (dot per inch - dpi) до 1200x1200 dpi. С использованием интерполяции разрешение достигает от 4800x4800 dpi до 10000x10000 dpi.

Поддержка цветов в стационарных сканерах - либо серая шкала, либо 24 бита/пиксел (> 16 миллионов), либо 30 бит/пиксел (> 1 миллиарда) и до 36 бит/пиксел (> 68 миллиардов).

Выходные форматы растровых файлов - TIF, GIF, BMP, PCX и т.д. Интерфейс для подключения к ПЭВМ - либо параллельный порт, либо SCSI(высокопроизводительный порт). Сканеры с полистовой подачей обеспечивают ввод и сканирование от 3 до 8 листов в минуту (при одном проходе).

Принтеры

Все печатающие устройства можно классифицировать по основным признакам (рис. 18):

· принципу действия;

· формированию текста;

· формированию символа;

· способу печати;

· цветности;

· формату бумаги;

· быстродействию.

Независимо от способа печати всем типам печатающих устройств присущи общие структурные и конструктивные особенности. Конструкция печатающей головки зависит от реализуемого принципа печати. Блок управления обеспечивает через интерфейс связь с ПЭВМ, кодообмен с ПЭВМ в соответствии с протоколом, управление печатающей головкой и механизмом привода в соответствии с режимом печати и поступающими из ПЭВМ управляющими командами, а также взаимодействие с датчиками.

В большинстве современных печатающих устройств основные функции в блоке управления выполняет микропроцессор по программе, записанной в ПЗУ. Постоянный знакогенератор находится в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ), а переменный знакогенератор и информация, поступающая из ЭВМ, хранится в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ). Схемы формирования вырабатывают сигналы, обеспечивающие работу печатающего механизма.

 

 

Рис. 18. Классификация печатающих устройств