Urządzenia operatorskie

Urządzenia operatorskie 2/46 Wejścia informacji Wyjścia informacji

Urządzenia operatorskie - wejścia 3/46 Źródła informacji: klawiatury stykowe (klasyczne, słabej jakości); kontaktronowe (lepsze, wady łączenia); hallotronowe (dobre ale drogie); membranowe,foliowe (popularne, estetyczne, praktyczne); pojemnościowe zadajniki (stabilne) kołowe (kodowane lub nie); dip-switche; przełączniki, przyciski.

Urządzenia operatorskie - wejścia 4/46 Sposoby obsługi klawiatur i zadajników: a) programowy bezpośredni odczyt/przeglądanie; b) programowe przeglądanie matrycy klawiszy/zadajników; c) klawiatura autonomiczna z możliwością wykorzystania przerwań.

Urządzenia operatorskie - wejścia 5/46 Ad a) bezpośredni odczyt/przeglądanie Zaleta - duża prostota obsługi. Wada - przy większej liczbie styków zużywa się zbyt dużo buforów. Rozwiązanie stosowane tylko przy b. małej liczbie odczytywanych klawiszy.

Urządzenia operatorskie - wejścia 6/46 Przykładowy algorytm obsługi klawiatury: AIN[portwe] START T opóźnienie kms likwidacja skutków drgań styków N oczekiwanie na klawisz A=11111111b ? 1

Urządzenia operatorskie - wejścia 7/46 B:=0 RR A CY = 0 ? T B:=B+1 kod_klaw:=B opóźnienie kms AIN[portwe] N KONIEC oczekiwanie na zwolnienie klawisza 1 dekodowanie klawisza A=11111111b ?

Urządzenia operatorskie - wejścia 8/46 Drgania styków można także eliminować odpowiednim układem sprzętowym: Uk t Uwe

Urządzenia operatorskie - wejścia 9/46 Realizacja przykładowego algorytmu w asemblerze Z80: et1: in a,(portwe) ;pierwszy odczyt portu klawiszy cp 255 ;czy sa zwarte styki jr z,et1 ;skok jesli nie - czekaj call delay10ms ;opoznienie in a,(portwe) ;ponowny odczyt cp 255 ;czy sa nadal zwarte styki ld b,0 ;rozpoczecie dekodowania dekod: rr a ;przesuw bitow do CY jr nc,kod ;skok gdy CY=0 inc b jr dekod ;sprawdz nastepny bit kod: ld a,b ld (kod_klaw),a ;zapisz kod klawisza czekaj: call delay10ms ;opoznienie in a,(portwe) ;kontrolny odczyt portu klawiszy cp 255 ;czy sa jeszcze zwarte styki jr nz,czekaj ;skok jesli tak koniec:

Urządzenia operatorskie - wejścia 10/46 Możliwe modyfikacje tego algorytmu - programu: 1. po ponownym odczycie stan A porównuje się nie z 255 (11111111b), ale z wynikiem pierwszego odczytu, zapamiętanym w pomocniczym rejestrze: et1: in a,(portwe) ;pierwszy odczyt portu klawiszy cp 255 ;czy sa zwarte styki jr z,et1 ;skok jesli nie - czekaj ld b,a ;przechowanie stanu klawiszy w B call delay10ms ;opoznienie in a,(portwe) ;ponowny odczyt cp b ;czy stan identyczny z poprzednim jr nz,et1 ;skok jesli nie - czekaj

Urządzenia operatorskie - wejścia 11/46 2. wyszukanie wszystkich wciśniętych klawiszy - tworzy się listę kodów klawiszy - wymagany jest 9-bajtowy bufor klawiszy, przechowujący listy aktualnie zwartych styków, lista kończy się bajtem 0FFh: ld b,8 ;B=ilosc bitow do przejrzenia ld c,0 ;C=kod/numer bitu ld hl,key_buf ;HL->poczatek listy aktywnych kl. dekod: rr a ;przesuw bitow do CY jr c,niekod ;skok gdy CY=1 ld (hl),c ;dopisanie kodu z C do listy inc hl niekod: inc c djnz dekod ;sprawdz nastepny bit ld (hl),255 ;wpisanie znacznika konca listy

Urządzenia operatorskie - wejścia 12/46 Wykorzystanie przerwań zegarowych do odczytu i eliminacji drgań styków klawiatury Założenia do przykładu: do 8 klawiszy wczytywanych poprzez ten sam port portwe, przerwania zegarowe o okresie rzędu kilku milisekund. Wymagane jest użycie przynajmniej 2 zmiennych: klaw - podającej aktualny stabilny stan klawiatury; tmpklaw - rejestrującej zmiany stanu klawiszy, odczytanego z portwe

Urządzenia operatorskie - wejścia 13/46 wewnątrz P.O.P. należy zrealizować następujące działania: A=tmpklaw ? AIN[portwe] START T N klawA tmpklawA RETURN ewentualne dekodowanie stanu klawiszy działania opcjonalne inne działania procedury obsługi przerwania zegarowego A=11111111b ?

Urządzenia operatorskie - wejścia 14/46 Ad b) przeglądanie matrycy klawiszy/zadajników przykład matrycy klawiszy 8x8 (64 klawisze)

Urządzenia operatorskie - wejścia 15/46 Prosta matryca klawiatury ma następującą wadę: eliminacja błędnych odczytów:

Urządzenia operatorskie - wejścia 16/46 Przykładowy algorytm obsługi przez program główny (bez przerwań) matrycy 8x8 niestabilnych klawiszy (przycisków) : BOUT[portwy] AIN[portwe] START T opóźnienie kms RR B C:=C+8 szukanie wciśniętego klawisza likwidacja skutków drgań styków N B:=01111111b C:=0 przejście do następnej kolumny/wiersza matrycy A=11111111b ? C = 64 ? A B

Urządzenia operatorskie - wejścia 17/46 opóźnienie kms AIN[portwe] N KONIEC oczekiwanie na zwolnienie klawisza kod_klawC T B:=11111111b BOUT[portwy] wyłączenie pobudzeń matrycy RR A C:=C+1 dekodowanie klawisza CY = 0 ? A=11111111b ? A B

Urządzenia operatorskie - wejścia 18/46 Korzystniejsze jest użycie przerwań zegarowych ponieważ: nie ma „jałowego” oczekiwania w pętli na klawisz lub jego zwolnienie; okres przerwań zegarowych sprzyja stabilizacji sygnałów na rozległych połączeniach matrycy klawiszy; łatwiej jest eliminować drgania styków na drodze programowej; użycie przerwań zegarowych wymaga zastosowania bufora stanu klawiatury w pamięci RAM, co ułatwia późniejszą interpretację jej stanu.

Urządzenia operatorskie - wejścia 19/46 Prosty algorytm obsługi matrycy klawiszy w przerwaniach zegarowych z podwójnym buforowaniem: AIN[portwekl] START T M[bsk+lk]A M[brk+lk]A N lk:=(lk+1)mod nk operacje startowe procedury obsługi przerwania zegarowego odczyt odpowiedzi matrycy na pobudzenie wysłane wcześniej porównanie nowego odczytu z buforem roboczym, aktualizacja wpisu w buforze roboczym albo stanu modyfikacja licznika kolumn matrycy/indeksu buforów A A=M[brk+lk]?

Urządzenia operatorskie - wejścia 20/46 lk=0 ? T RETURN N dekodowanie stanu klawiatury (wykonywane co nk przerwań) inne działania procedury obsługi przerwania zegarowego operacje końcowe procedury obsługi przerwania zegarowego lkOUT[portwykl] wysłanie nowego pobudzenia do matrycy, zał: sprzętowy dekoder NB 1zN A

Urządzenia operatorskie - wejścia 21/46 Ad c) Klawiatury autonomiczne Charakteryzują się one: - sprzętowym układem przeglądania klawiszy (tzw. sekwenter); - możliwością włączenia w system przerwań mikroprocesora; - różnymi funkcjami dodatkowymi zrealizowanymi sprzętowo (autorepeat, eliminacja drgań styków, programowanie funkcji); - odciążają oprogramowanie systemowe; - komunikacja z systemem mikroprocesorowym łączem równoległym lub szeregowym.

Urządzenia operatorskie - wejścia 22/46 Przykładowy schemat klawiatury 64 klawiszy zrealizowany w TTL:

Urządzenia operatorskie - wejścia 23/46 Klawiatura PC na mikrokontrolerze:

Urządzenia operatorskie - wyjścia 24/46 Rodzaje informacji wyjściowej: a) binarna (stany on/off różnych składników systemu, alarmy itp.); b) znakowa (cyfrowa lub tekstowa, np. o zmierzonych wielkościach analogowych).

Urządzenia operatorskie - wyjścia 25/46 Ad a) Informacja binarna Stosuje się różnego rodzaju sygnalizację: - diody świecące LED; - miniaturowe żarówki / LEDy mocy; - sygnały akustyczne;

Urządzenia operatorskie - wyjścia 26/46 Sterowanie diodami LED:

Urządzenia operatorskie - wyjścia 27/46 Sterowanie miniaturowymi żarówkami: Należy korzystać z tranzystorów ze względu na prąd uderzeniowy przy włączaniu "zimnej" żarówki (ok. 10 razy większy od nominalnego)

Urządzenia operatorskie - wyjścia 28/46 Sygnalizacja dźwiękowa: "niewielkiej mocy" - elementy piezoceramiczne sterowane bitami rejestru portu wyjściowego (wyjściowe przebiegi okresowe albo wbudowane generatory); "dużej mocy" - różnego rodzaju syrenki włączane przekaźnikami lub kluczami półprzewodnikowymi „werbalna” - układy pamiętające i odtwarzające sekwencje dźwiękowe.

Urządzenia operatorskie - wyjścia 29/46 Ad b) Informacja znakowa Stosowane rozwiązania: - wyświetlacze segmentowe LED: - sterowane statycznie - sterowane dynamicznie; - wyświetlacze mozaikowe LED; - wyświetlacze LCD segmentowe; - wyświetlacze LCD mozaikowe.

Urządzenia operatorskie - wyjścia 30/46 Wyświetlacze segmentowe LED - zespoły diód LED o wspólnej jednej elektrodzie: WA albo WK. Zalety wyświetlaczy LED: Wady wyświetlaczy LED: - długa żywotność; - duży pobór mocy; - duży zakres temperatur pracy; - kontrast zależny od oświetlenia zewn. - duża częstotliwość pracy; - brak refleksów świetlnych;

Urządzenia operatorskie - wyjścia 31/46 Sterowanie można realizować statycznie - w sposób analogiczny do sterowania pojedynczymi diodami LED (wygodniejsze są układy WA). Do uzyskania potrzebnych znaków na wyświetlaczu segmentowym stosuje się: - bezpośrednie sterowanie segmentami - cyfry, niektóre litery, symbole; - standardowe dekodery sprzętowe - tylko cyfry, czasem litery/symbole.

Urządzenia operatorskie - wyjścia 32/46 Przykład statycznego sterowania wyświetlaczami przy użyciu 7447: seria TTL: ’46, ‘246, ‘247, ’48, ‘248, ‘249; seria CMOS: 4055, 4547, 4558.

Urządzenia operatorskie - wyjścia 33/46 z zatrzaskiem na cyfrę BCD: 4056, 4511, 4543, 4544, 4513

Urządzenia operatorskie - wyjścia 34/46 Dynamiczne sterowanie wyświetlaczami LED Cechy: równolegle połączone linie segmentów wszystkich pozycji wyświetlacza; wspólne elektrody poszczególnych pozycji sterowane niezależnie; mniejsza liczba elementów sterujących - oszczędności; prostsza sieć połączeń - oszczędności; wymaga buforowania wyświetlanej informacji; trudniejsze sterowanie - rozbudowany program albo specjalny sterownik sprzętowy; stosowane także w przypadku grup pojedynczych LED.

Urządzenia operatorskie - wyjścia 35/46 zasada pracy: W1 W3 W2 W4 stan linii segmentowych WG TO TP W1, W2, W3, W4 – sterowania wspólnych elektrod kolejnych pozycji wyświetlacza WG – okresy wygaszania międzysegmentowego TP – okres powtarzania TO – okres obsługi

Urządzenia operatorskie - wyjścia 36/46 Aby uzyskać podobną jak przy sterowaniu statycznym obserwowaną jasność świecenia segmentów LED należy stosować impulsowo prąd segmentu k-krotnie większy (tzw. forsowanie prądu). Częstotliwość powtarzania dla pojedynczego wyświetlacza powinna być większa od 40..60Hz (TP < 2,5ms), wynika to ze zdolności postrzegania oka ludzkiego. Przy N wyświetlaczach w zestawie, otrzymujemy częstotliwość obsługi: fO > N∙fP

Urządzenia operatorskie - wyjścia 37/46 Przykład algorytmu obsługi zestawu 8 wyświetlaczy w przerwaniach zegar. założenia: częstotliwość przerwań zegarowych fC  840Hz = 320Hz; pozycje wyświetlacza są wybierane kodem poprzez port portselcyfr; informację wyświetlaną wpisuje się do portu portwysw; struktury danych: bufor wyświetlacza bufwy przechowuje informacje (W0..W7) wyświetlane na poszczególnych pozycjach wyświetlacza jako: kody segmentowe, kody specjalne, cyfry BCD (pojedyncze lub pary).

Urządzenia operatorskie - wyjścia 38/46 AOUT[portselcyfr] START lw:=(lw+1) mod 8 AM[bufwy+lw] RL sw RETURN inne działania procedury obsługi przerwania zegarowego operacje końcowe procedury obsługi przerwania zegarowego operacje startowe procedury obsługi przerwania zegarowego wyłączenie wszystkich pozycji wyświetlacza wysłanie do portwysw informacji o stanie kolejnej pozycji wyświetlacza, przygotowanie nowej wartości selektora sw aktualizacja portselcyfr - włączenie kolejnej pozycji wyświetlacza A:=11111111b AOUT[portwysw] swOUT[portselcyfr]

Urządzenia operatorskie - wyjścia 39/46 Przykładowa realizacja sprzętowa: - wyświetlacz typu WA

Urządzenia operatorskie - wyjścia 40/46 Przykładowa realizacja sprzętowa: - wyświetlacz typu WK

Urządzenia operatorskie - wyjścia 41/46

Urządzenia operatorskie - wyjścia 42/46 Wyświetlacze mozaikowe LED. Umożliwiają one przedstawianie różnych znaków i symboli w matrycy 5x7, 5x8 itp. pikseli. Sterowanie nimi może być zrealizowane jako: - sterowanie dynamiczne kolejnymi kolumnami pikseli (dostępne są scalone generatory znaków np.7304xx); - sterowanie statyczne lub dynamiczne całymi matrycami zintegrowanymi z lokalnymi sterownikami.

Urządzenia operatorskie - wyjścia 43/46 Wyświetlacze LCD segmentowe i mozaikowe. Zalety LCD: - "bezprądowe" sterowanie, mały pobór mocy; - stały kontrast niezależny od oświetlenia zewnętrznego; - możliwość uzyskania dowolnych kolorów przez filtry barwne; - tanie; - mogą być podświetlane od tyłu. Wady LCD: - duża bezwładność odpowiedzi (10-20ms czas włączenia, 100-200ms czas wyłączenia); - powierzchnia wyświetlacza dająca refleksy świetlne; - mały zakres temperatur pracy; - wymagają do pracy przebiegu prostokątnego ok. 32Hz.

Urządzenia operatorskie - wyjścia 44/46 zasada pracy wyświetlacza LCD

Urządzenia operatorskie - wyjścia 45/46 Do sterowania wyświetlaczy segmentowych można używać rejestrów zatrzaskowych i bramek XOR. Dostępne są także scalone sterowniki wyświetlaczy LCD zwykłe - 4055 i z zatrzaskiem - 4056, 4543, 4544. Mozaikowe wyświetlacze LCD są dostępne w dwóch odmianach: - 1,2 lub 4 wierszowe np. po 16 (20) znaków w linii; - ekrany o rozdzielczościach jak w komputerach laptop, palmtop itp. Wyświetlacze takie są zintegrowane z odpowiednimi sterownikami, z którymi mikroprocesor komunikuje się normalnym łączem równoległym, umożliwiającym przesył danych i rozkazów programujących sterownik. Przykładowe sterowniki: - 7211; - PCF8566, PCF8576, PCF8577, PCF8578 (wszystkie z I2C).

Urządzenia operatorskie - wyjścia 46/46 Wyświetlacze pseudoanalogowe. Do reprezentacji wielkości analogowych są niekiedy stosowane wskaźniki linijkowe typu LED lub LCD np.: - sterowane cyfrowo dekodery NB-->1zN: 7442 (10), 74154 (16), itd.; - sterowany analogowo UL1970 - skala z 16 diód LED; - sterowany cyfrowo 4754V - skala 18 elementów LCD. Tzw. linijka może też być jednym z dodatkowych elementów wyświetlacza segmentowego LCD.

gniazdo żarówki podświetlenia Przyciski 47/27 Konstrukcje klawiszy klawisze stykowe: rozpórka styków styki rozwierne zapadka bistabilna podstawa gniazdo żarówki podświetlenia

membrana silikonowa z elementem przewodzącym Przyciski 48/27 Konstrukcje klawiszy klawisze z mikroprzełącznikami: podstawa ze stykami membrana silikonowa z elementem przewodzącym mikroswitch

klawisze kontaktronowe: Przyciski 49/27 Konstrukcje klawiszy klawisze kontaktronowe: kontaktron pierścień magnesu podstawa kontaktron magnes podstawa

klawisze hallotronowe: Przyciski 50/27 Konstrukcje klawiszy klawisze hallotronowe: podstawa hallotron miniaturowy magnes

Konstrukcje klawiatur klawiatura membranowa (foliowa): Przyciski 51/27 Konstrukcje klawiatur klawiatura membranowa (foliowa): - zewnętrzna folia dekoracyjna (A), zwykle pokryta sitodrukiem; - folia bazowa (C, E), poliestrowa z nadrukowanymi połączeniami i polami kontaktowymi, nad którymi umieszcza się membrany metalowe (M), czasem także z diodami LED SMT (G); - folie dystansowa (B) i montażowa (D) - obustronnie samoprzylepne folie konstrukcyjne; - wstążka przyłączeniowa w rastrze 2,54 1,25 lub 1,0mm. EP9/2006

Konstrukcje klawiatur klawiatura STK: Przyciski 52/27 Konstrukcje klawiatur klawiatura STK: - na bazie płytki PCB (H) z mikroprzełącznikami (I); - przykryta folią dekoracyjną (A) lub matą silikonową; - możliwości użycia różnych typów mikroprzełączników (o żywotności 104..107 przełączeń, podświetlanych, itp.); - dopasowanie do grubości mikroprzełączników za pomocą folii dystansowej (B) oraz płytki dystansowej (F); - łatwość zintegrowania z wyświetlaczami i innymi elementami panelu operatorskiego. EP9/2006

Konstrukcje klawiatur klawiatura PCB: Przyciski 53/27 Konstrukcje klawiatur klawiatura PCB: - na bazie płytki PCB (H) z metalowymi membranami (M); - przykryta folią dekoracyjną (A) lub matą silikonową; - pomiędzy płytką PCB a folią dekoracyjną umieszcza się folię dystansową (B); - niewielka grubość; - wyświetlacze itp. elementy umieszczane w oknach wyciętych w płytce PCB. EP9/2006

Konstrukcje klawiatur klawiatura silikonowa: Przyciski 54/27 Konstrukcje klawiatur klawiatura silikonowa: - na bazie płytki PCB (H) z polami klawiszy; - klawisze w formie maty silikonowej (S) formowanej termicznie z kolorowego lub transparentnego silikonu (możliwość podświetlania klawiszy), z nadrukowanymi opisami; - przykryta folią dekoracyjną (A) z otworami na klawisze; - pomiędzy płytką PCB a folią dekoracyjną umieszcza się folię dystansową (B) oraz płytkę dystansową (F). EP9/2006

Klawiatury pojemnościowe: Przyciski 55/27 Klawiatury pojemnościowe: klawiatura TCT: - unikalna technologia firmy Tyco - detekcja sygnału generowanego przez klawiaturę przy dotknięciu pola klawisza; - na bazie płytki drukowanej (H) ze specjalizowanym kontrolerem, generatorem i detektorem sygnału; - płyta dotykowa (F), o gr. <20mm, z materiału izolacyjnego, przykrywająca klawiaturę; - przykryta folią dekoracyjną (A). EP9/2006 EP6/2008

Klawiatury pojemnościowe: Przyciski 56/27 Klawiatury pojemnościowe: - AtmelTouch (QTouch firmy Quantum); układ jednokanałowy układ wielokanałowy - STouch STMicroelectronics (DigiSensor firmy ATLab) - układy z I2C obsługujące kilka/kilkanaście klawiszy; - Capacitive Touch firmy Freescale; - iSensors firmy Omron; - CapSense firmy Cypress; EP6/2008

Klawiatury pojemnościowe: Przyciski 57/27 Klawiatury pojemnościowe: - TouchSense (mTouch) firmy Microchip - dostosowanie wejść portów mikrokontrolerów serii PIC do obsługi klawiszy pojemnościowych; - CapTouchPad firmy ELAN Microelectronics - kontrolery pojedynczych przycisków, suwaków, nastawników obrotowych o 13..31 polach, ekranów dotykowych, wyposażone w różne interfejsy: PS2, USB, UART, SPI, I2C. EP6/2008