感应耦合键盘的制作方法

专利名称：感应耦合键盘的制作方法
技术领域：
本发明涉及键盘输入装置，尤其是计算机的键盘输入装置，本发明尤其涉及从键盘把输入数据传输到计算机或其他与键盘相耦合的设备。
所有计算机系统要求用户输入以执行指定的功能，在某些情况下，所需要的输入仅仅是根据一个已预先编程的指令表开始处理的信号。
有些计算机系统用于接收特殊信号并自动处理这些信号以执行某些任务，并存储或显示结果，其例之一是计算机化的环境监测站。但是，计算机系统通常需要周期的，并且经常频繁的字符数字和几何的输入。对于频繁的字符数字和几何输入的需求通常叫做通用计算机，它包括各种个人计算机，例如台式计算机和便携式计算机。
通常，通用计算机有用于字符数字输入的键盘和指示设备，例如“鼠标器”，或用于几何输入的跟踪球。一个字符数字输入对字处理应用程序很有用，而几何输入则应用于诸如绘图。通用计算机系统因此总是会有模拟打字机键盘设备作为用户输入之接口。
计算机的键盘需要电机设计者的工作，而且可证明是计算机系统中使用最多的部分。而且，键盘是相当复杂的机械系统，通常要求许多移动的和交互作用部件，这些部件必须能工作几千次而无故障。
键盘也暴露在不利于操作的外部环境中。灰尘，污物，潮湿，溢溅的液体，表皮以及指甲屑等物质通常会侵扰键盘。一个好的键盘设计必须保护工作元件免遭其他物质的污染侵入。
键盘设计的另一要求是组合击键数据并将其传输到计算机或计算机系统。可有许多不同方式键实施以上任务，而且击键可被检测并在主系统中转换为数据。通常，以阵列形式安排键开关，并且该阵列的行被扫描，这是多路接口。在基于软件的模式中，可用主机系统的CPU完成这一任务。但用键盘的单板微处理器有很多优点。
通常在单板微处理器所带的键盘上，击键数据被馈至微处理器以供处理，编码，以及传输。最常用的传输模式是通过一条串联电缆到主机，当主机接收一个扫描码时，键盘控制通知CPU扫描码可被读出。
较好的键盘技术的参考文件是“基本微处理器设计”(Microprocessor Based Design)，其作者为M，斯莱特(Michael Slater)，该书由Prentice Hall在1989年要求版权。该书第287页到303页叙述了有关技术，另一文件则为W·诺斯(Winn Rosch)所著“W·诺斯硬件大全(Winn Rosch Hardavare Bible)”第239页至257页，1989年版权并由Prenfice Hall出版。这两份参考文件的有关部分由本文引用以供参照。
将键盘由电缆耦合到主机通常很受限制并且很麻烦。例如当桌面空间有限时，可能电缆占用空间就有问题。电缆长度也限制了与计算机相关的键盘的位置。而且电缆也是可能出现故障的，例如在两个连接端点处的不良连接。在本发明之前，即有人试图将键盘与计算机采用无线方式进行连接。例如，IBM引入了PC Jr。计算机，它有两个红外发射发光二极管以便以光学方式送出扫描码。但是，该系统不是很可靠而且只限于行传输。
现在需要的是这样一种设备和方法，它们允许键盘与主机可靠地进行通讯并且不必采用电缆方式，也不局限于行传输。
在本发明的一个最佳实施例中，计算机的键盘输入设备包括一个用于输入数据和命令的用户操作键装置的阵列。一个用于管理键盘操作的基于微处理器的控制装置，用于把键装置连到控制装置的电连接装置，一个用于为键盘供电的电源装置，以及一个由控制装置管理并用于传送数字扫描码的磁场发生器，该传送过程是由改变磁场发生器产生的磁场而实现的。
最佳实施例中的磁场发生器是一个电导体线圈，其中，控制装置定时的电流脉冲生成磁场脉冲。定时根据表示键运作的数据扫描码进行。
在一个最佳实施例中，扫描码接收器位于主计算机之中，用来接收来自键盘的磁编码串行信号，并将该数据转换成由计算机CPU使用的数字扫描码。在这一实施例中，接收机是与解调电路连接的电导体线圈，从而，磁脉冲被转换成电动势尖峰信号，该电动势尖峰信号被检测并用于在一个寄存器中重新构造数字扫描码以供与计算机CPU通信。
本发明的一方面是提供一个具有用于扫描码的磁传输装置的键盘，以及一个用于把磁传输码转换成数字格式的接收和解调装置。
本发明提供了无需电缆连接的键盘，该键盘也无需基于行传输。本发明的键盘相当便宜并且可靠。


图1是本发明的计算机及其键盘的投影图。
图2是本发明的一个键控开关阵列，它与一个微处理器及一个磁发送器接口。
图3是一个接收器以及解调电路，用于接收磁编码的扫描码，并重新构建相关的数字扫描码。
图4A是根据本发明实施例的接收回路线中的电动势的示踪例。
图4B是从图4A磁编码重新构建的一系列数字扫描码。
图1是根据本发明由感应设备使通用便携式计算机与键盘相耦合的立体图。图1的计算机系统包括一个主部件13，其中包括主机壳17以及向上倾斜的显示器19。显示器可以是现有几种平板显示器中的一种。主机壳17包括主要的电子操作元件，例如CPU微处理器，输入/输出总线，以及系统RAM存储器。还有一些通常用于便携式计算机连接一系列设备的连接器(未示出)。
分开的键盘装置15不需电缆连接即可通过由磁力线21表示的磁场发送的编码的信息来提供字符数字及其它键击输入。
图2示意说明了键盘15的一些内部元件。在本实施例中，键开关(以下称“键”)是连接于阵列23中，并由键盘框内的微处理器25进行扫描。扫描的阵列设计大大减少了大量键数所需要的输入/输出端口位数。该扫描的阵列设计是但不只是常规设备之一，所述常规设备的键操作可由单片微处理器识别，这里作为例子用。本发明实际上可与任何先有技术中识别及编码键击的设备直接组合。此外，由于有关键盘的一些常规特性对本发明有障碍，故在此不予涉及。例如，键盘一般具有几个指示发光二极管，用于指示数字锁住，大写锁住，卷动锁住等，这些特性将不在此解释。
图2的扫描的阵列示出了16个键通过一个四位输入端口29和一个四位输出端口31与微处理器25接口。连接于一个单片、电池驱动电源的提升电阻(如电阻33，连接未示于图2中)，当在一列中没有键被按下时提供输入端口的高电平。
在扫描时，每次读取阵列的一行。输出端口位之一被置为0，同时其它位都被置为1。在图2中，第二行正在被读取。所有行中的输出位被置于1的键实际上是被禁止了，因为当一个键被按下时，只是将一个高电平输出端口位连接到一个已经被提升电阻拉高的输入端口位上。该行中被0置位驱动的键便是有效的。按下有效行中的任何一个键将会拉高相应列中处于低位的输入端口位。每一行被依次读取，则该定序便无限地重复。
阵列扫描必须以某一速率进行，以保证当用户迅速按下并放开一个键时，其接触不被微处理器遗漏。事实上，不仅接触被记录下来，间断也同样被记录，这使得整个键的组合都被记录下来。对于本领域里的技术人员来说，键组合可能导致“虚”键读取，不过这一潜在的问题可由二极管(未示)串联到每个键上来解决。
这里所提供的例子是16键阵列，它可以几种不同方式用于更多的键。例如，可以利用具有多位的输入及输出端口。一个16位输入和一个16位输出端口可支持256键阵列。也可选择具有四或八位的多端口。一般地说，每几毫秒整个键盘可被扫描一次。
在一个普通的键盘中以及在本发明的本实施例中，单片微处理器将扫描到的信息转换成十六进制码。以上参照的是《Winn Rosch Hardware Bible》中250页至253页所示的常用扫描代码，其它扫描代码也是可用的，并可任意创造新扫描代码。
在一个普通系统中，微处理器通过四线电缆连续传送扫描代码，其中一个线载有全部数据。通常情况下，计算机的主机部分在一个特定输入/输出口接收这些扫描代码，键盘控制器芯片在该端口发布中断信号到CPU，通知CPU扫描代码可读。CPU则读取该扫描码并将该键击信息译成一个输入信号。完成这项工作的程序通常是系统BIOS的一部分。
在本发明的系统中，不采用电缆向计算机发送扫描码。图2所示实施例中，微处理器25操纵电流控制器35，以控制从电源39提供的电路37中的电流。被控制的电流通过一个一匝发生器回路41，产生由场线43所表示的磁场。图2中发生回路41是以一个平面图的方式示出的，而通常与环形平面正交的磁场线43则由线条来表示。
图3示出的图2的发生回路41以及在机壳17中的接收单元45。接收单元45提供串行I/O口功能以便由常规系统的串行电缆接收扫描码并将其发送给系统CPU。在一最佳实施例中，接收单元45由一个用于通用计算机的内插卡来实现。但在其他实施例中，接收单元是位于计算机主机壳中的硬连线单元。后者是笔记本计算机。袖珍计算机及其他便携式计算机装置。
在本发明中，有关键击的信息通过磁场43中的编码的磁波而传至系统CPU。对磁场端，单元45有一个用于截取回路41产生磁场的接收回路47。正如从场论中了解到的那样，除非磁场强度变化，否则回路47中没有作用。为传输信息，则需磁场增强或减弱。
正如电子工程技术中所知，在两个电路之间有一限定的参数，称之为互感。互感根据另一电路中电流的变化而确定一个电路中感应的电动的势。当然，在一个电路中的电动势的方向是另一电路中电流方向的参数。
在本发明的实施例中，如图2和图3所示，回路41中产生的电流i根据回路47中电流从o到i(以及从i到o)的变化而产生的磁场43的变化而在回路2中产生一个电动势V1。为了在回路47两端产生一个可检测的电动势变化，电流控制器35由图2所示的微处理器25的驱动而在回路41中产生有限的电流脉冲。随着电流从o到i，在回路47中产生一个正向电动势。而当回路41中的电流掉到0时，回路47中的电动势幅值变为负值。本发明中电动势的变化提供了传输扫描码的能力。
由经验可知并在互感这一概念中的可反映出，在一个电路中由于另一电路的电流变化所产生的电动势幅值与电流相对于时间之比di/dt成正比。因此，传送回路横截面相当大以便为电流的电动势急速增加提供低阻抗，这一电流增加是由加在传送回路上的电压导线发生的。在本发明的实施例中，传输回路可以由边长为2毫米左右的正方导体制作，其平均直径约为25毫米。
在示出的实施例中，用于传输回路和用于键盘的其它操作的电流是由基于电池的电源39提供的。因此，较为理想的是把键盘的电源需求降至最低。但是，也要求避免由环境磁场导致的杂散信号而使传输劣化，环境磁场可能由键盘的其他电路以及主机壳17中的其他元件产生。或由计算机附近的其他设备产生。在所述实施例中，传输回路中的电流只限于几毫安。且干扰是在接收单元处而非用于发射机的高电源需求处所处理。
接收回路47中的感应电动势最好由接收单元中的传感和解调电路49根据作为系统BIOS一部分实施的控制程序所监测，而且一个输出寄存器51由键盘传输的扫描码所设置。正如常规解调器一样，当一个扫描码是“准备”(ready)时，单元49通过I/O总线53发送一个中断到系统CPU55，通知一个扫描码待读。在系统CPU读出接收的扫描码之后，输出寄存器被复位以供下一个接收的扫描码所用。
图4A是一个接收的电动势波形57(回路47两端的V1)的追踪示例，该电动势波形来自于根据一个预定编程码规约在发送线圈41中对之进行管理的结果。图4B示出了对接收的电动势波形进行监测而得到的串行位格式58。
在图4A和4B中示例的传输规约中(transmission protocal)中，正如常规串行规约一样，有一个预编程位时间(bt)63，它是传输速率(有时称为波特率)的倒数。用于扫描码传输的位时间无须增加大部分系统的时钟率负担。例如，一个很新的10兆赫时钟速率的周期是10-7秒。例如，假设一个具有1000的位时间乘以时钟周期且12个位时间是传输一个扫描码的最低位时间，则代码可以在1.2×10-3秒内传输。几乎无人可以这么快速打字。
本例中，规约由在传输回路中的电流脉冲产生的接收回路端的电动势波峰值构成。键盘微处理器25(图2)读击键，间歇以及键组合，并根据位时间定时的串行脉冲传送扫描码。回路41中的每个电流脉冲产生一个波峰值，正如在回路47中的波峰值59一样，该尖峰值占用了约1/4的位时间(该时间可在位时间内大幅度化)。
本实施例的扫描码是用于IBM兼容键盘的常规扫描码，但亦有可用于其他实施例的替代码。
图4中，代码起始信号由三个波峰值61组成，其定时为位时间率的两倍。电路49(图3)标识代码起始信号并监测指示数据位的波峰的8个位时间，并根据检测的位设定输出寄存器51。具有明确波峰的位时间是逻辑1，否则便为逻辑0。在传输了8位之后，发送机以位速率两的速率送出具有5个尖峰的停止码65，并寻找另一起始位。起始和停止码有很多类型，它们均可用于本发明，而以上叙述的仅为其中之一。
图4示例中传输的扫描码00101101是十六进制的2D，它是最佳实施例中的民用规约的“X”键的键入码，这是大部分IBM兼容机键盘系统的常规扫描码。根据本发明，当用户在键盘上打字时，系统连续译出键入和间歇，以及所用的键组合，并把扫描码通过传输接收回路和接收回路送到计算机。
对本技术领域的技术人员而言，在不背离本发明精神的范围内有许多变化和改型，其中的一些如上所述，还有其他一些，例如，在传送和接收回路的几何尺寸中有一较大的纵向而在其他变化中，例如产生的电流和编码数据的定时上亦可有较大变化余地。类似地，有许多可用但未在最佳实施例中叙述的编码方式。本发明的范围受权利要求保护。
权利要求
1.计算机的键盘输入装置，其特征在于包括一个用户操作键的阵列，用于输入数据和命令；一个基于微处理器的控制器，用于管理该键盘的操作；若干个电连接器，用于把用户操作键的所述阵列连到所述基于微处理器的控制器；电源装置，该电源装置连到所述键盘的用电元件以为键盘供电；以及一个磁场发生器，该磁场发生器由所述基于微处理器的控制器管理，用于通过改变所述磁场发生器产生的磁场来传送数字扫描码。
2.权利要求1所述的键盘输入装置，其中所述磁场发生器包括至少一个由基于微处理器的控制器管理的电流控制电路和所驱动的一个电导体回路，其中，磁脉冲由位于所述至少一个电导体回路中的电流脉冲生成。
3.权利要求1所述的键盘输入装置，其中所述基于微处理器的控制器包括控制程序，用于产生标识每个键入动作及键组合的数字扫描码，以及顺序地通过改变磁场传输数据扫描码。
4.权利要求1所述的键盘输入装置，其中所述扫描码作为成组磁脉冲传输，每组包括作为起始信号的第一定时脉冲序列，一个随之其后的一系列相等位时间，用于表示扫描码中的1和0位，在一个位时间中的磁脉冲表示数字1而没有磁脉冲在位时间中出现则指示数字0，每组还包括一个第二个定时脉冲序列作为每组停止信号。
5.用于为通用计算机输入/输出总线提供接口的代码解调器，其特征在于包括一个磁信号接收器，用于响应磁场中的变化产生一个电动势，该磁场与磁信号接收器耦合;以及监测电路，该监测电路与所述磁信号接收器相连，用于检测所述磁信号接收器中生成的电动势尖峰信号，根据接收的定时的电动势尖峰信号设定一个有数字值的输出寄存器，并发出一个中断到联接到输入/输出总线的CPU。
6.权利要求5所述的代码解调器，其中所述磁信号接收器包括至少一个连到监测电路的电导体回路，用于在每次耦合到至少一个回路的磁场突变时为所述监测电路提供一个电动势。
7.权利要求5所述的代码解调顺，其中所述监测电路由CPU通过输入/输出总线操作，从而根据顺序接收的电动势脉冲由1和0设置输出寄存器的顺序位，其中，在一个位时间中的电动势脉冲指示一个数字1而在一个位时间中没有电动势脉冲则指示一个数字0。
8.一个通用计算机，其特征在于包括一个CPU，用于管理计算机的操作;一个I/O总线，该总线与CPU接口，用于与外设通信;一个代码解调器，该解调器与I/O总线接口，用于监测编码的磁信号并响应编码的磁信号把扫描码送到CPU;以及一个键盘，该键盘包括一个磁场发生器，用于把键操作编码为扫描码，并通过由磁场发生器产生的各种磁信号把扫描码送到代码解调器。
9.权利要求8所述的通用计算机，其中所述键盘包括至少一个电导体回路，该回路由一个微处理器控制的电流发生器驱动，该微处理器根据控制程序对键动作和键组合进行编码以提供顺序传输的数字扫描码，该顺序传输随至少一个电导体回路中的电流脉冲产生的磁脉冲发生。
10.把一个键盘上的键阵列上实现的键动作传输到通用计算机的CPU的方法，该方法的特征在于包括以下步骤由与所述键相关联并连到一个微处理器的分离信号发生器的阵列读键盘上的键运作;将该读出结果根据特定的数字码与键运作的对应关系转换成扫描码;通过把数字值转换成由一个磁场发生器产生的一系列磁脉冲串行传输扫描码;通过接到计算机本体中的一个解调电路的一个接收回路截取该串行磁脉冲;根据表示扫描码的串行磁脉冲把一个数字寄存器设置为数字扫描码，以及使来自所述输出寄存器的数字扫描码与CPU通信。
全文摘要
一个计算机键盘，用于把键入数据通过改变的磁场所编码的扫描码传到主机，在一个最佳实施例中，键盘通过一个电导体回路产生磁脉冲。连到计算机本体中的接收回路根据键盘传送的磁脉冲产生电动势尖峰信号，解调器电路根据接收回路监测到的电动势尖峰信号在一个寄存器中再现数字扫描码以便与计算机的CPU通信。
文档编号G06F3/02GK1100536SQ94114970
公开日1995年3月22日 申请日期1994年8月23日 优先权日1994年8月23日
发明者丹·基基尼斯 申请人:奥克利系统公司