Реферат: Устройство ввода

Планшет - это полуавтоматическое устройство ввода графической информации со свободно перемещаемым указателем координат. Планшет представляет собой некоторую ограниченную плоскость, полностью соответствующую по конфигурации рабочему полю экрана, но конструктивно с ним не связанную. Когда оператор "пишет" на поверхности планшета, положение соприкасающегося с ним контакта преобразуется в абсолютное значение координат формата экрана. Лучшие образцы планшетов обеспечивают преобразование положения пишущего устройства в координату с погрешностью 0,1%. Использование планшетов исключает необходимость наличия движущегося курсора на экране, так как изображение может воспроизводиться непосредственно в процессе рисования.

Одним из наиболее простых с точки зрения используемых физических принципов планшетов аналогового типа являются акустические, основанные на измерении времени распространения звуковой волны в твердом плоскостном звукопроводе. Так как скорость распространения акустических колебаний в твердых телах постоянна, измеренное время соответствует координате (относительно неподвижного излучателя) точки, в которой расположен приемник. Этот способ использован в кодирующем планшете, схема которого показана на рисунке.

Функцию звукопровода здесь выполняет стеклянный планшет П, к взаимно перпендикулярным торцам которого приклеены два пьезоэлектрических излучателя ПИх и ПИу. Пьезоэлектрический приемник ПП изготовлен в виде трехгранного стержня с заостренным наконечником, сечение которого является равносторонним треугольником. К каждой грани стержня приклеены идентичные пьезоэлементы. Для возбуждения акустических колебаний в звукопроводе используется генератор периодических прямоугольных импульсов Г, имеющий два независимых выхода Uх и Uу, к которым подключены соответственно излучатели ПИх и ПИу. Схема формирователя координатной метки ФКМ состоит из трех одинаковых усилителей, к выходу которых подключены пьезоэлементы приемника. Выходные напряжения усилителей суммируются, что позволяет сделать сигналы метки не зависимыми от повтора и наклона приемника относительно плоскости планшета. Время прохождения акустических волн от излучателей к приемнику измеряется схемами формирования координатных прямоугольных импульсов ФКИх и ФКИу, содержащими триггеры, устанавливаемые в положение "1" передними фронтами импульсов генератора и сбрасываемые в положение "0" импульсом координатной метки. На выходе схемы управления планшетом использован обычный преобразователь длительности импульса в код. Когда приемник прижат к поверхности планшета, ФКИх и ФКИу генерируют периодические импульсы, длительности которых tх и tу пропорциональны измеряемым координатам. Чтобы не возникла интерференция взаимно перпендикулярных волн, возбуждаемых в планшете, импульсы Uх и Uу сдвинуты на время, достаточное для полного затухания одной волны. В ряде магнитострикционных устройств используются магнитострикционные свойства материала, из которого изготовлено рабочее поле планшета. При возбуждении ультразвуковой волны внутри предварительно намагниченного магнитострикционного материала в месте прохождения фронта волны намагниченность изменяется. Это изменение напряженности магнитного поля улавливается катушкой индуктивности, расположенной в указателе координат, и преобразуется в электрический сигнал, свидетельствующий о том, что фронт ультразвуковой волны находится под катушкой. Определение координат в этих устройствах производится так же, как и в акустических,- путем измерения времени распространения фронта ультразвуковой волны от края планшета до указателя координат. Точностные характеристики рассматриваемых устройств относительно невысоки вследствие сильной зависимости скорости распространения волны от внешних факторов, в частности от температуры, давления, влажности, неизотропности структуры материала звукопровода. Важное место среди устройств ввода занимают устройства, называемые сеточными планшетами, основанные на электрическом принципе. Они делятся на контактные, и в зависимости от того, какая из составляющих электромагнитного поля участвует в формировании измерительного сигнала, эти устройства делятся на емкостные, в которых преобразуется электрическая составляющая электромагнитного поля, и индукционные, в которых преобразуется магнитная составляющая.

В контактных сеточных планшетах рабочее поле состоит из ортогональных координатных шин, разделенных тонким слоем диэлектрика, с отверстием в узлах пересечения. На планшет помещается носитель с графической информацией. Считывание осуществляется путем нажатия карандашом на выбранный элемент изображения, расположенный в узле матрицы шин. Верхний лист планшета упруго деформируется и происходит замыкание шины Уi на шину Хi(см. рисунок). Шины Х последовательно возбуждаются от Дш У. Сигнал с шины Хi преобразуется шифратором Шx в двоичный код. Одновременно осуществляется считывание кода координаты У со счетчика СчУ. Разрешающая способность таких планшетов зависит от шага координатной сетки.

На поверхности емкостных и индукционных планшетов создается система вертикальных и горизонтальных проводников, выполненных способом печатного монтажа. Ширина каждого из проводников и расстояние между ними составляет несколько десятков микрон, что позволяет организовать координатную сетку размерностью 1000*1000 градаций и более. Вертикальные и горизонтальные проводники разделены между собой тонкой изолирующей пленкой, а к концам их, выведенным на края планшета, подводится питание от распределителя импульсов. При протекании переменного электрического тока по проводникам координатной сетки вокруг них возникает переменное электромагнитное поле, преобразуемое кольцевым индукционным датчиком в измерительные сигналы, по которым судят о местоположении датчика, укрепленного на "рисующем" стержне, по отношению к координатным шинам планшета. Эти сигналы поступают в схему управления дисплеем, где дешифруются как координаты точки экрана. При движении стержня в памяти образуется последовательность координат, при этом получаемые данные непрерывно проверяются, чтобы обнаружить ошибку или отрыв стержня от планшета.

В емкостных сеточных планшетах указатель координат выполнен в виде штыревого зонда, соединенного с колебательным контуром, имеющим высокое резонансное сопротивление на частоте измерительного сигнала. На практике емкостные сеточные планшеты не получили широкого распространения из-за сложности обеспечения высокой помехозащищенности (для обеспечения достоверности результатов измерения в этих устройствах используются специальные приемы кодирования, в частности код Грея). Кроме того, на этих устройствах нельзя кодировать документы, выполненные карандашом, так как графит как токопроводящий материал вносит погрешность в измерения электрической составляющей поля.

В индукционных сеточных планшетах преобразование магнитной составляющей поля в электрический измерительный сигнал происходит в индукционном датчике, имеющем малое выходное сопротивление. Помехозащищенность такого датчика выше, чем у емкостного, что позволяет получить более высокую разрешающую способность устройства без использования специальных приемов кодирования сигналов, возбуждающих координатные шины планшета. Считывание информации на таких устройствах может производиться с любых немагнитных носителей, что расширяет их область применения по сравнению с емкостными сеточными планшетами.

Для устройств, соответствующих современному уровню развития техники, характерно наличие высокого уровня интеллекта. Это достигается путем встраивания внутрь однокристальных микроЭВМ, позволяющих реализовать в устройстве несколько режимов работы, таких как режим поточечного (однократного) вывода координат точек, режим непрерывного считывания координат, непрерывный инкрементальный режим, при котором происходит каждый раз по достижении любой из считываемых координат величины наперед заданного значения инкремента (0.1,0.2,0.3 мм и т.д.), режим выдачи координат местонахождения координатного указателя по запросу из ЭВМ, диагностический режим. МикроЭВМ позволяет также осуществлять выдачу значения координат как в двоичном, так и в символьном формате в зависимости от характера решаемых задач и типа используемой аппаратуры.

Световое перо

Световое перо относится к полуавтоматическим устройствам, осуществляющим непосредственный контакт с экраном, и работает по принципу временного совпадения. Пером это устройство названо условно, так как никакого воздействия на экран оно не оказывает, а само воспринимает его световое излучение. Конструктивно световое перо состоит из цилиндрического корпуса, внутри которого размещен светочувствительный элемент. На заостренном конце пера имеется отверстие, в котором закреплена линза, фокусирующая попадающий на нее свет и направляющая его на светочувствительный элемент. Последний связан с усилителями, воздействующими на пороговую схему. Все эти элементы обычно собраны в одном корпусе. Для исключения воздействия окружающего света перо включается лишь после прижатия его конца к поверхности экрана. В некоторых конструкциях пера связь с экраном осуществляется с помощью пучка оптических волокон, а светочувствительный элемент и усилители располагаются в отдельной сборке. При такой конструкции размеры и масса пера уменьшаются.

Конструкция (а) и электрическая схема (б) светового пера: 1 - соединительный кабель, 2 - транзистор, 3 - корпус, 4 - наконечник,5 - фотодиод, 6 - пружинный контакт, 7 - проводники.

При совмещении кончика пера с отображаемым на экране графическим элементом или знаком в его схеме возникает импульс в момент генерирования блоком управления дисплея именно этого элемента. Если регенерация изображения осуществляется путем циклического считывания кодов из памяти и их преобразования, как, например, в квазиграфических или функциональных дисплеях, то в момент возникновения импульса от светового пера может быть прочитан адрес ячейки автономной памяти, где записан код отмеченного пером элемента. При использовании для регенерации изображения отдельной памяти, как в дисплеях с полнографическими возможностями, по моменту возникновения импульса определяется координата точки экрана, так как ей соответствует текущее значение адреса памяти регенерации. По этому адресу программно могут быть определены коды отмеченного элемента в исходном файле. Указав пером на какой-либо элемент и определив таким образом для схемы управление его расположение в памяти, оператор нажатием функциональной клавиши выдает команду на соответствующее изменение этого элемента: стирание, сдвиг, изменение конфигурации, замену и так далее. Очевидно, что сигнал от светового пера может быть получен только при касании им точки экрана, где имеется светящееся изображение, так что определить какую-либо точку в темном месте экрана с помощью пера невозможно. Для устранения этого недостатка в дисплеях растрового типа с памятью регенерации предусматривается режим так называемого "негативного изображения", когда высвечиваются все точки формата кадра, кроме тех, через которые проведены графические образы. Осуществляется этот режим простым инвертированием импульсов модуляции, поступающих на трубку. Заметим также, что использование светового пера в принципе невозможно для графических дисплеев, построенных на базе запоминающих трубок, где свечение экрана постоянно во времени. Световое поле, действующее на перо, обычно значительно больше размера одной точки формата экрана ЭЛТ, что усложняет точное определение координат, особенно при сложных насыщенных изображениях. Поэтому процесс идентификации графического элемента обычно подтверждается каким-либо признаком. Если в процессе касания экрана перо зафиксировало точку, относящуюся к определенному графическому элементу, то блок управления дисплея должен обеспечить, например, мерцание этого элемента или изменение его яркости, что позволяет оператору судить об успешности его действия. Принцип работы светового пера в режиме позиционирования, то есть "рисования" новых графических элементов. При этом режиме схема управления дисплеем выводит на экран в некоторой точке изображение "курсора" или перекрестия. Оно используется в качестве визуальной опорной точки на экране. "Захватив" изображение курсора световым пером, оператор перемещает перо по экрану в нужном направлении. Блок управления курсором обеспечивает его движение вслед за пером. Так как текущие координаты центра курсора всегда известны, то в памяти остается множество координат точек, через которые он проходит. Существуют различные способы реализации такого слежения. Обычно курсор представляет собой набор точек, образующих вертикальный и горизонтальный отрезки, иногда это может быть небольшой светящийся круг или квадрат. Площадь курсора примерно соответствует размерам отверстия на конце светового пера. Когда это отверстие частично смещается относительно центра курсора, то лишь определенные точки перекрестия в процессе их регенерации на экране образуют через световое перо импульсы. Используя эту информацию, схема управления или программа ЭВМ перемещает курсор так, чтобы его центр совпадал с центром отверстия пера. Процесс определения рассогласования и передвижения курсора осуществляется непрерывно. При определенных условиях возможен "отрыв" светового пера от курсора. Тогда последний остается неподвижным и должен быть снова "захвачен" оператором. В процессе движения курсора могут быть реализованы различные режимы, задаваемые через функциональную клавиатуру: высвечивание точек в отдельных фиксированных курсором позициях, проведение векторов или дуг через заданные точки, непрерывное "рисование" и пр. При разработке светового пера его оптические и электрические свойства - чувствительность и быстродействие - должны быть со