КЛАВИАТУРА ДЛЯ ПЕРСОНАЛЬНЫХ И ДРУГИХ ЭЛЕКТРОННЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ МАШИН И СРЕДСТВ Российский патент 1997 года по МПК G06F3/02 

Изобретение относится к вычислительной технике, конкретнее к устройствам ввода информации в вычислительные машины и средствам управления ими. Оно может быть использовано в профессиональных и бытовых персональных компьютерах, рабочих станциях и других вычислительных машинах и средствах (далее ЭВМ).

Известно устройство клавиатуры персонального компьютера, содержащей две основные части: набор клавиш и устройство кодирования нажатой клавиши и управления клавиатурой.

Клавиатуры, применяемые в настоящее время в средствах вычислительной техники (персональных ЭВМ, рабочих станциях и т.п.), предназначаются для ввода алфавитно-цифровой информации в ЭВМ, управления монитором ЭВМ, управления вычислительным процессом как на уровне исполнения операционной системы, так и на уровне исполнения прикладных программ. Ввиду массового применения изделий подобного класса сложились устойчивые принципы построения устройств этого типа, которые в основном сводятся к следующему. От восьмидесяти до ста с лишним клавиш собираются в плоскую конструкцию. Клавиши разбиваются на несколько зон, например, одна или несколько зон функциональных клавиш, зона алфавитно-цифровой клавиатуры, подобной клавиатуре обычных пишущих машинок (в этой же зоне располагаются некоторые клавиши управления), зона дополнительной клавиатуры, предназначенной для цифрового ввода чисел и управления курсором при редактировании текста на экране электронно-лучевого индикатора.

Встроенный в клавиатуру контроллер клавиатуры следит за состоянием нажатия и отпускания отдельных клавиш и передает эти состояния непосредственно процессору ЭВМ в виде скан-кодов (последовательных кодов, несущих в себе информацию о типе клавиши и состоянии нажатия или отпускания).

С целью расширения функциональных возможностей клавиатуры в различных моделях ЭВМ допускается совместная работа нескольких клавиш, т.е. одновременное нажатие нескольких клавиш, что означает для ЭВМ кодирование дополнительных функций.

С целью уменьшения количества клавиш основная алфавитно-цифровая клавиатура и дополнительная цифровая содержат 2 символа на одной клавише, например, символы русского или латинского алфавита, или цифры или признаки управления курсором, или, наконец, различные знаки или цифры. Имея один и тот же скан-код по каждой из клавиш, они распознаются программой ЭВМ в зависимости от состояния ранее выданных команд других клавиш, например, "рус" и "лат" для основной алфавитно-цифровой клавиатуры (если передаются буквенные символы) или указателями верхнего или нижнего регистра (для цифр и знаков препинания алфавитно-цифровой клавиатуры), или состояниями команды "цифр" для дополнительной цифровой клавиатуры.

Массовое распространение персональных ЭВМ, рабочих станций и других типов ЭВМ в различных областях человеческой деятельности в подавляющем большинстве случаев связано с подготовкой и вводом в ЭВМ больших массивов текстовых данных (это различные области писательской деятельности, деловой переписки, автоматизированного проектирования, финансовой, учетно-статистической и т.п.).

Можно утверждать, что миллионы людей в настоящее время работают за компьютером и подавляющее большинство из них не владеют квалификацией опытной машинистки, т.е. вводит тексты с заметно более низкой скоростью, чем профессиональные машинистки, и это несмотря на то, что техническое быстродействие клавиатуры, работающей с ЭВМ, практически неограничено (для прототипного устройства, например, оно составляет 15 зн/с).

Но даже если пользователь ЭВМ обучен профессиональным навыкам машинистки, т. е. умеет работать десятью пальцами, в конструкции современной клавиатуры заложены потенциальные ограничения увеличения скорости, обусловленные психофизиологическими свойствами человека. Нервный импульс, вырабатываемый мозгом человека, на нажатие очередной клавиши отрабатывается руками человека в такой последовательности: перенос руки из исходного состояния в область, достижимую для соответствующего пальца руки, нажатие на клавишу, возврат руки в исходное состояние. Иными словами, из-за того, что руки принципиально не могут быть приближены непосредственно к клавишам (просто не хватает пальцев), полезная работа (нажатие) всегда сопровождается переносом рук к соответствующим клавишам, на что расходуется время. У опытных машинисток это время сравнительно невелико, но никогда не равно нулю.

В связи с изложенным актуальной является задача уменьшения холостых действий, составляющих одну из задержек ввода данных, и, как побочный продукт приложения существенное сокращение числа клавиш, используемых в клавиатуре.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому изобретению является клавиатура персональной ЭВМ типа IBM PC/XT, которая в отечественном исполнении представлена, например, клавиатурой для ППЭВМ ЕС 1841, описанной в Приложении 8 Технического описания "Машина вычислительная электронная цифровая профессиональная ЕС 1841", Клавиатура Е11.700012 ТО, 1986.

Она содержит 92 клавиши, расположенные в трех зонах: зоне основных алфавитно-цифровых клавиш и клавиш управления (67 клавиш); зоне дополнительных клавиш (15 клавиш); зоне функциональных клавиш (10 клавиш).

Известная клавиатура содержит указанный выше набор клавиш и контроллер клавиатуры, причем выходы опроса (сканирования) контроллера соединены с соответствующими входами клавиш, выходы сигнальных цепей которых соединены с соответствующими входами контроллера, выходы которого, предназначенные для сопряжения с ЭВМ, являются выходами клавиатуры.

Работающему на известной клавиатуре оператору приходится затрачивать достаточно много времени при переносе рук из одной рабочей области в другую. Это снижает скорость ввода информации в ЭВМ, в том числе и для профессионально работающего на клавиатуре оператора десятью пальцами.

Целью изобретения является устранение указанных выше недостатков, а именно обеспечение возможности высокоскоростного ввода данных в ЭВМ и управления ею, а также упрощение клавиатуры.

Поставленная цель достигается тем, что в клавиатуру, содержащую набор клавиш и контроллер клавиатуры, вводятся манипулятор для кодирования вводимой в ЭВМ информации и команд управлений, который полностью заменяет всю алфавитно-цифровую, цифровую и частично управляющую части известной клавиатуры. При этом известная клавиатура преобразуется в малогабаритное устройство с двумя рабочими зонами для левой и правой рук оператора, кисти которых фиксируются и не переносятся из рабочих зон на протяжении всей работы (по крайней мере, при вводе алфавитно-цифровой информации).

Выходы опроса (сканирование) контроллера соединены с соответствующими входами клавиш, выходы сигнальных цепей которых соединены с соответствующими входами контроллера, выходы которого, предназначенные для сопряжения с ЭВМ, являются выходами клавиатуры.

Выходы опроса (сканирования) контроллера соединены также с соответствующими входами датчиков состояния манипулятора, выходы сигнальных цепей которых соединены с соответствующими входами контроллера.

Манипулятор конструктивно обеспечивает повороты вокруг вертикальной оси, наклоны в вертикальных плоскостях, которые обеспечиваются небольшими перемещениями его подвижных частей. В качестве датчиков состояния манипулятора используются такие же клавиши, как в известной клавиатуре, или другие подобные элементы, реагирующие на перемещения подвижных частей манипулятора.

Как уже отмечалось выше, основная задача решается за счет того, что руки должны быть максимально приближены к органам ввода данных. Для этого вся клавиатура разбивается на 2 зоны зону функциональных и управляющих клавиш, которая находится слева, и зону знакового манипулятора, находящуюся справа. Правая рука постоянно находится на манипуляторе, а пальцы левой руки находятся в непосредственной близости (могут касаться) от основных клавиш управления, таких как переключатели алфавитов (русский, латынь, знаки, дополнительная клавиатура), заглавных или прописных литер. Для левши предпочтительней обратное расположение зоны клавиш и манипулятора.

Назначение манипулятора кодирование букв, цифр, знаков и некоторых управляющих команд, которое в традиционной клавиатуре осуществляется клавишами основной алфавитно-цифровой и дополнительной клавиатуры. Для этого манипулятор должен обладать достаточным числом степеней свободы и датчиками, фиксирующими текущее состояние манипулятора. Конструктивных реализаций манипулятора и датчиков состояния может быть много. Ниже рассматривается для примера одна из них, где в качестве датчиков состояния используются такие же клавиши, как и в клавиатуре.

Цель изобретения обеспечение возможности ввода информации в ЭВМ и управления ею с более высокой скоростью, чем в прототипе, а также значительное упрощение клавиатуры.

Подробнее основные результаты сводятся к следующему.

1. Благодаря приведению основных органов ввода данных в непосредственный контакт с руками исключаются холостые действия, что потенциально уменьшает время ввода каждого символа.

2. Заметно уменьшаются габариты и сокращается количество используемых комплектующих элементов. Для описанного в примере прототипного варианта площадь сокращается не менее чем в 2,5 раза, объем в более чем 3 раза (т.е. сокращается и материалоемкость). Количество используемых клавиш уменьшается на 60, т.е. почти в 3 раза. При использовании в контроллере той же элементной базы уменьшается количество используемых микросхем (на одну).

Учитывая сравнительно простую механику манипулятора, можно ожидать заметного уменьшения стоимости клавиатуры. В рассчитанном варианте стоимость комплектующих уменьшается в 2 раза.

3. Наиболее тонким и, может быть, спорным моментом в изложенном подходе к построению клавиатуры является необходимость обучения работе с манипулятором. Традиционная клавиатура практически не требует обучения непосредственным процедурам набора данных, так как на каждой клавише написан символ или пара символов, соответствующая ей (здесь, естественно, не рассматривается необходимость обучения работе за компьютером, которое всегда необходимо). Т. е. имея глаза и руки и читая инструкцию по работе за компьютером, можно сразу приступать к работе (правда, очень медленно).

Работа с манипулятором требует обязательного предварительного обучения, хотя и не сложного, но некоторое предполагает, в конечном счете, доведения работы до автоматизма. В этом смысле это обучение идентично обучению работе с клавиатурой вслепую десятью пальцами (может быть, несколько проще). Но при наличии традиционной клавиатуры этого можно и не делать, оставаясь на низком достигнутом уровне, что в действительности часто и происходит. Таким образом, применение предлагаемой клавиатуры разрушает психологический барьер нежелания обучения рутинной работы и в итоге позволяет более эффективно использовать вычислительную технику.

На фиг. 1 представлен эскиз примера реализации манипулятора; на фиг.2 - эскиз примера реализации клавиатуры в целом с использованием манипулятора, вид сверху; на фиг.3 структурная схема клавиатуры; на фиг.4 пример кодирования состояний дачного манипулятора.

На панели 1 клавиатуры (фиг.2) размещаются функциональные и управляющие клавиши 2 и манипулятор 3, а под панелью контроллер 4 клавиатуры на печатной плате (клавиши клавиатуры также впаиваются в печатную плату).

Выходы опроса (сканирование) контроллера 4 соединены с соответствующими входами набора клавиш 2 и манипулятора 3, выходы сигнальных цепей набора клавиш 2 и манипулятора 3 соединены с соответствующими входами контроллера 4, выход 5 которого являются выходами клавиатуры для сопряжения с ЭВМ.

Манипулятор 3 (фиг. 1) состоит из неподвижной части 3.1 (монтируется в корпусе клавиатуры) и подвижной части 3.2.

Неподвижная часть 3.1 манипулятора состоит из 4-х клавиш 3.3, которые нажимаются при наклонах в ортогональных плоскостях подвижной части 3.2 манипулятора 3.

Подвижная часть 3.2 манипулятора 3 состоит из корпуса 3, основания 3.5. На корпусе 3.4 установлено 4 клавиши 3.6-3.9, две из которых 3.6 и 3.7 выходят за вертикальную стенку корпуса для нажатия пальцами оператора, а две другие 3.8 и 3.9 нажимаются специальным выступом 3.10 на основании 3.5 при повороте корпуса влево или вправо (вокруг вертикальной оси). Крестообразный овальный выступ на нижней плоскости основания 3.5 входит в крестообразный паз на неподвижной части манипулятора, за счет чего обеспечивается относительная фиксация манипулятора, возможность наклона подвижной части манипулятора в ортогональных плоскостях и достаточный упор для поворота корпуса манипулятора относительно основания.

Таким образом, кодирование состояний манипулятора обеспечивается нажатиями пальцами двух кнопок (4 комбинации), нажатием одной из двух кнопок при повороте вокруг вертикальной оси корпуса относительно основания (3 комбинации) и нажатием одной из четырех кнопок при наклонах подвижной части манипулятора в ортогональных плоскостях (5 комбинаций), т.е. степени свободы манипулятора обеспечивают создание 60 комбинаций, одна из которых (не нажата ни одна из клавиш) исходное состояние.

Возврат в исходное состояние при наклонах и поворотах манипулятора происходит под действием пружин, входящих в конструкцию используемых клавиш. При использовании других датчиков состояний для возврата в исходное состояние можно ввести в конструкцию манипулятора пружины.

Естественно, конструктивная реализация манипулятора 9 может быть другой. В качестве датчиков состояний вместо клавиши могут использоваться микропереключатели, герконовые контакты и другие элементы на других физических принципах. Механическая часть манипулятора, обеспечивающая достаточное количество степеней свободы, также может быть выполнена различными способами. Важно только, чтобы комбинаций состояний или переходов было достаточно для кодирования всех подменяемых манипулятором клавиш клавиатуры, а перемещения (манипуляции), выполняемые рукой, были с одной стороны достаточно короткими, а с другой стороны, обеспечивали достаточно устойчивое и осязаемое рукой перемещение.

Клавиши или другие датчики состояния манипулятора сканируются контроллером клавиатуры так же, как и другие ее клавиши, и на основании полученной информации вырабатываются и передаются в ЭВМ скан-коды в соответствии с принятым физическим и логическим интерфейсом.

Клавиатура для рассматриваемого примера (вид сверху) может выглядеть так, как показано на фиг. 2. Она состоит из 32 клавиш, из которых 8 задействованы в манипуляторе. Остальные 24 клавиши (из них 2 резервных) являются функциональными или управляющими. Управление клавиатурой, связанное с работой манипулятора, выполняется в основном пятью нижними клавишами (, ЛАТ, РУС, ЗНАК, ДОПК), назначение первых трех из которых практически такое же, как и в традиционной клавиатуре, т.е. по ним вырабатываются и передаются в ЭВМ соответствующие скан-коды. Две последние клавиши ЗНАК и ДОПК не вызывают непосредственной передачи скан-кодов, а влияют на работу контроллера клавиатуры, который в зависимости от формируемого манипулятором кода знака может автоматически формировать дополнительные скан-коды, например, верхнего или нижнего регистра () в соответствии с принятым для прототипной клавиатуры местом расположения знаков на основной алфавитно-цифровой или дополнительной клавиатуре.

Устройство работает следующим образом.

На фиг. 4 представлен пример кодирования состояний манипулятора в зависимости от состояний управляющих клавиш ЛАТ, РУС, ЗНАК, ДОПК. Для описания работы манипулятора (вторая и третья колонки таблицы) принята следующая мнемоника: окружностями обозначаются клавиши, нажимаемые рукой (зачерченная окружность нажатие, светлое поле отжатая клавиша); горизонтальными черточками над окружностями обозначаются повороты вокруг вертикальной оси (черточка над левой окружностью поворот влево, черточка над правой окружностью поворот вправо, отсутствие черточек -нет поворотов); горизонтальными и вертикальными черточками между и под окружностями обозначаются соответственно наклоны манипулятора (вперед, назад, влево, вправо или отсутствие наклонов).

Для удобства запоминания знаки разбиты на пары ЛС и ПС (левый символ и правый символ), соответственно левая колонка состояния манипулятора относится к левому символу выбранного типа (части) клавиатуры (РУС, ЛАТ, ЗНАК, ДОПК), а правая к правому. Опять же с целью облегчения запоминания учитывались некоторые свойства парности букв или знаков (глухой или звонкий, твердый или мягкий звук, открытая или закрытая скобка и т.п.). Наконец, более часто употребляемые буквы и знаки кодируются по возможности более простыми действиями манипулятора. И последнее, на что нужно обратить внимание, это наличие некоторых символов, которые кодируются манипулятором одинаковым образом для нескольких типов (частей) клавиатуры (основные знаки препинания, цифры, некоторые команды). Это представляется удобным как с точки зрения простоты обучения, так и ускорения работы за клавиатурой (нет необходимости лишний раз переключать режим работы). Если же в прототипной клавиатуре таким символам соответствуют различные скан-коды, то их автоматически формирует контроллер клавиатуры.

Таким образом, из 59 возможных комбинаций работы манипулятора используются 43, т.е. имеется резерв для увеличения количества формируемых знаков и команд.

Структурная схема клавиатуры, представленная на фиг.3, ничем не отличается от структурной схемы традиционной клавиатуры, за исключением того, что часть клавиш заменена специальным манипулятором 3. При этом за счет программирования контроллера 4 легко добиться того, что с данной ЭВМ может работать как традиционная клавиатура, так и предлагаемая, без каких-либо изменений в программах ЭВМ, обслуживающих клавиатуру, т.е. они могут быть взаимозаменяемыми. Можно, наконец, введением простого узла в схему предлагаемой клавиатуры обеспечить одновременное подключение обеих клавиатур к ЭВМ с возможностью работы на любой из них.

Изобретение относится к вычислительной технике, а именно к устройствам ввода информации в вычислительные машины и средствам управления ими. Оно может быть использовано в профессиональных и бытовых персональных компьютерах, рабочих станциях и других вычислительных машинах и средствах. Клавиатура позволяет обеспечить возможность высокоскоростного ввода данных в ЭВМ. В состав предлагаемой клавиатуры входят клавиши 2, манипулятор 3 и контроллер клавиатуры 4, за счет перепрограммирования которого легко добиться того, что с данной ЭВМ может работать как традиционная клавиатура, так и предлагаемая. 4 ил.

Клавиатура для персональных и других электронных вычислительных машин и средств, содержащая клавиши и контроллер клавиатуры, первая группа выходов опроса состояния которого соединена с входами клавиш, выходы сигнальных цепей которых соединены с первой группой входов контроллера клавиатуры, группа выходов которого является выходами для сопряжения с вычислительным средством, отличающаяся тем, что в нее введен манипулятор с клавишами, подвижная часть которого выполнена с возможностью поворота и наклона в ортогональных плоскостях, выходы сигнальных цепей манипулятора соединены с второй группой входов контроллера клавиатуры, вторая группа выходов опроса состояния которого соединены с входами клавиш манипулятора.