專利名稱：感應耦合鍵盤的制作方法
技術領域：
本發明涉及鍵盤輸入裝置，尤其是計算機的鍵盤輸入裝置，本發明尤其涉及從鍵盤把輸入數據傳輸到計算機或其他與鍵盤相耦合的設備。
所有計算機系統要求用戶輸入以執行指定的功能，在某些情況下，所需要的輸入僅僅是根據一個已預先編程的指令表開始處理的信號。
有些計算機系統用于接收特殊信號并自動處理這些信號以執行某些任務，并存儲或顯示結果，其例之一是計算機化的環境監測站。但是，計算機系統通常需要周期的，并且經常頻繁的字符數字和幾何的輸入。對于頻繁的字符數字和幾何輸入的需求通常叫做通用計算機，它包括各種個人計算機，例如臺式計算機和便攜式計算機。
通常，通用計算機有用于字符數字輸入的鍵盤和指示設備，例如“鼠標器”，或用于幾何輸入的跟蹤球。一個字符數字輸入對字處理應用程序很有用，而幾何輸入則應用于諸如繪圖。通用計算機系統因此總是會有模擬打字機鍵盤設備作為用戶輸入之接口。
計算機的鍵盤需要電機設計者的工作，而且可證明是計算機系統中使用最多的部分。而且，鍵盤是相當復雜的機械系統，通常要求許多移動的和交互作用部件，這些部件必須能工作幾千次而無故障。
鍵盤也暴露在不利于操作的外部環境中。灰塵，污物，潮濕，溢濺的液體，表皮以及指甲屑等物質通常會侵擾鍵盤。一個好的鍵盤設計必須保護工作元件免遭其他物質的污染侵入。
鍵盤設計的另一要求是組合擊鍵數據并將其傳輸到計算機或計算機系統。可有許多不同方式鍵實施以上任務，而且擊鍵可被檢測并在主系統中轉換為數據。通常，以陣列形式安排鍵開關，并且該陣列的行被掃描，這是多路接口。在基于軟件的模式中，可用主機系統的CPU完成這一任務。但用鍵盤的單板微處理器有很多優點。
通常在單板微處理器所帶的鍵盤上，擊鍵數據被饋至微處理器以供處理，編碼，以及傳輸。最常用的傳輸模式是通過一條串聯電纜到主機，當主機接收一個掃描碼時，鍵盤控制通知CPU掃描碼可被讀出。
較好的鍵盤技術的參考文件是“基本微處理器設計”(Microprocessor Based Design)，其作者為M，斯萊特(Michael Slater)，該書由Prentice Hall在1989年要求版權。該書第287頁到303頁敘述了有關技術，另一文件則為W·諾斯(Winn Rosch)所著“W·諾斯硬件大全(Winn Rosch Hardavare Bible)”第239頁至257頁，1989年版權并由Prenfice Hall出版。這兩份參考文件的有關部分由本文引用以供參照。
將鍵盤由電纜耦合到主機通常很受限制并且很麻煩。例如當桌面空間有限時，可能電纜占用空間就有問題。電纜長度也限制了與計算機相關的鍵盤的位置。而且電纜也是可能出現故障的，例如在兩個連接端點處的不良連接。在本發明之前，即有人試圖將鍵盤與計算機采用無線方式進行連接。例如，IBM引入了PC Jr。計算機，它有兩個紅外發射發光二極管以便以光學方式送出掃描碼。但是，該系統不是很可靠而且只限于行傳輸。
現在需要的是這樣一種設備和方法，它們允許鍵盤與主機可靠地進行通訊并且不必采用電纜方式，也不局限于行傳輸。
在本發明的一個最佳實施例中，計算機的鍵盤輸入設備包括一個用于輸入數據和命令的用戶操作鍵裝置的陣列。一個用于管理鍵盤操作的基于微處理器的控制裝置，用于把鍵裝置連到控制裝置的電連接裝置，一個用于為鍵盤供電的電源裝置，以及一個由控制裝置管理并用于傳送數字掃描碼的磁場發生器，該傳送過程是由改變磁場發生器產生的磁場而實現的。
最佳實施例中的磁場發生器是一個電導體線圈，其中，控制裝置定時的電流脈沖生成磁場脈沖。定時根據表示鍵運作的數據掃描碼進行。
在一個最佳實施例中，掃描碼接收器位于主計算機之中，用來接收來自鍵盤的磁編碼串行信號，并將該數據轉換成由計算機CPU使用的數字掃描碼。在這一實施例中，接收機是與解調電路連接的電導體線圈，從而，磁脈沖被轉換成電動勢尖峰信號，該電動勢尖峰信號被檢測并用于在一個寄存器中重新構造數字掃描碼以供與計算機CPU通信。
本發明的一方面是提供一個具有用于掃描碼的磁傳輸裝置的鍵盤，以及一個用于把磁傳輸碼轉換成數字格式的接收和解調裝置。
本發明提供了無需電纜連接的鍵盤，該鍵盤也無需基于行傳輸。本發明的鍵盤相當便宜并且可靠。
圖1是本發明的計算機及其鍵盤的投影圖。
圖2是本發明的一個鍵控開關陣列，它與一個微處理器及一個磁發送器接口。
圖3是一個接收器以及解調電路，用于接收磁編碼的掃描碼，并重新構建相關的數字掃描碼。
圖4A是根據本發明實施例的接收回路線中的電動勢的示蹤例。
圖4B是從圖4A磁編碼重新構建的一系列數字掃描碼。
圖1是根據本發明由感應設備使通用便攜式計算機與鍵盤相耦合的立體圖。圖1的計算機系統包括一個主部件13，其中包括主機殼17以及向上傾斜的顯示器19。顯示器可以是現有幾種平板顯示器中的一種。主機殼17包括主要的電子操作元件，例如CPU微處理器，輸入/輸出總線，以及系統RAM存儲器。還有一些通常用于便攜式計算機連接一系列設備的連接器(未示出)。
分開的鍵盤裝置15不需電纜連接即可通過由磁力線21表示的磁場發送的編碼的信息來提供字符數字及其它鍵擊輸入。
圖2示意說明了鍵盤15的一些內部元件。在本實施例中，鍵開關(以下稱“鍵”)是連接于陣列23中，并由鍵盤框內的微處理器25進行掃描。掃描的陣列設計大大減少了大量鍵數所需要的輸入/輸出端口位數。該掃描的陣列設計是但不只是常規設備之一，所述常規設備的鍵操作可由單片微處理器識別，這里作為例子用。本發明實際上可與任何先有技術中識別及編碼鍵擊的設備直接組合。此外，由于有關鍵盤的一些常規特性對本發明有障礙，故在此不予涉及。例如，鍵盤一般具有幾個指示發光二極管，用于指示數字鎖住，大寫鎖住，卷動鎖住等，這些特性將不在此解釋。
圖2的掃描的陣列示出了16個鍵通過一個四位輸入端口29和一個四位輸出端口31與微處理器25接口。連接于一個單片、電池驅動電源的提升電阻(如電阻33，連接未示于圖2中)，當在一列中沒有鍵被按下時提供輸入端口的高電平。
在掃描時，每次讀取陣列的一行。輸出端口位之一被置為0，同時其它位都被置為1。在圖2中，第二行正在被讀取。所有行中的輸出位被置于1的鍵實際上是被禁止了，因為當一個鍵被按下時，只是將一個高電平輸出端口位連接到一個已經被提升電阻拉高的輸入端口位上。該行中被0置位驅動的鍵便是有效的。按下有效行中的任何一個鍵將會拉高相應列中處于低位的輸入端口位。每一行被依次讀取，則該定序便無限地重復。
陣列掃描必須以某一速率進行，以保證當用戶迅速按下并放開一個鍵時，其接觸不被微處理器遺漏。事實上，不僅接觸被記錄下來，間斷也同樣被記錄，這使得整個鍵的組合都被記錄下來。對于本領域里的技術人員來說，鍵組合可能導致“虛”鍵讀取，不過這一潛在的問題可由二極管(未示)串聯到每個鍵上來解決。
這里所提供的例子是16鍵陣列，它可以幾種不同方式用于更多的鍵。例如，可以利用具有多位的輸入及輸出端口。一個16位輸入和一個16位輸出端口可支持256鍵陣列。也可選擇具有四或八位的多端口。一般地說，每幾毫秒整個鍵盤可被掃描一次。
在一個普通的鍵盤中以及在本發明的本實施例中，單片微處理器將掃描到的信息轉換成十六進制碼。以上參照的是《Winn Rosch Hardware Bible》中250頁至253頁所示的常用掃描代碼，其它掃描代碼也是可用的，并可任意創造新掃描代碼。
在一個普通系統中，微處理器通過四線電纜連續傳送掃描代碼，其中一個線載有全部數據。通常情況下，計算機的主機部分在一個特定輸入/輸出口接收這些掃描代碼，鍵盤控制器芯片在該端口發布中斷信號到CPU，通知CPU掃描代碼可讀。CPU則讀取該掃描碼并將該鍵擊信息譯成一個輸入信號。完成這項工作的程序通常是系統BIOS的一部分。
在本發明的系統中，不采用電纜向計算機發送掃描碼。圖2所示實施例中，微處理器25操縱電流控制器35，以控制從電源39提供的電路37中的電流。被控制的電流通過一個一匝發生器回路41，產生由場線43所表示的磁場。圖2中發生回路41是以一個平面圖的方式示出的，而通常與環形平面正交的磁場線43則由線條來表示。
圖3示出的圖2的發生回路41以及在機殼17中的接收單元45。接收單元45提供串行I/O口功能以便由常規系統的串行電纜接收掃描碼并將其發送給系統CPU。在一最佳實施例中，接收單元45由一個用于通用計算機的內插卡來實現。但在其他實施例中，接收單元是位于計算機主機殼中的硬連線單元。后者是筆記本計算機。袖珍計算機及其他便攜式計算機裝置。
在本發明中，有關鍵擊的信息通過磁場43中的編碼的磁波而傳至系統CPU。對磁場端，單元45有一個用于截取回路41產生磁場的接收回路47。正如從場論中了解到的那樣，除非磁場強度變化，否則回路47中沒有作用。為傳輸信息，則需磁場增強或減弱。
正如電子工程技術中所知，在兩個電路之間有一限定的參數，稱之為互感。互感根據另一電路中電流的變化而確定一個電路中感應的電動的勢。當然，在一個電路中的電動勢的方向是另一電路中電流方向的參數。
在本發明的實施例中，如圖2和圖3所示，回路41中產生的電流i根據回路47中電流從o到i(以及從i到o)的變化而產生的磁場43的變化而在回路2中產生一個電動勢V1。為了在回路47兩端產生一個可檢測的電動勢變化，電流控制器35由圖2所示的微處理器25的驅動而在回路41中產生有限的電流脈沖。隨著電流從o到i，在回路47中產生一個正向電動勢。而當回路41中的電流掉到0時，回路47中的電動勢幅值變為負值。本發明中電動勢的變化提供了傳輸掃描碼的能力。
由經驗可知并在互感這一概念中的可反映出，在一個電路中由于另一電路的電流變化所產生的電動勢幅值與電流相對于時間之比di/dt成正比。因此，傳送回路橫截面相當大以便為電流的電動勢急速增加提供低阻抗，這一電流增加是由加在傳送回路上的電壓導線發生的。在本發明的實施例中，傳輸回路可以由邊長為2毫米左右的正方導體制作，其平均直徑約為25毫米。
在示出的實施例中，用于傳輸回路和用于鍵盤的其它操作的電流是由基于電池的電源39提供的。因此，較為理想的是把鍵盤的電源需求降至最低。但是，也要求避免由環境磁場導致的雜散信號而使傳輸劣化，環境磁場可能由鍵盤的其他電路以及主機殼17中的其他元件產生。或由計算機附近的其他設備產生。在所述實施例中，傳輸回路中的電流只限于幾毫安。且干擾是在接收單元處而非用于發射機的高電源需求處所處理。
接收回路47中的感應電動勢最好由接收單元中的傳感和解調電路49根據作為系統BIOS一部分實施的控制程序所監測，而且一個輸出寄存器51由鍵盤傳輸的掃描碼所設置。正如常規解調器一樣，當一個掃描碼是“準備”(ready)時，單元49通過I/O總線53發送一個中斷到系統CPU55，通知一個掃描碼待讀。在系統CPU讀出接收的掃描碼之后，輸出寄存器被復位以供下一個接收的掃描碼所用。
圖4A是一個接收的電動勢波形57(回路47兩端的V1)的追蹤示例，該電動勢波形來自于根據一個預定編程碼規約在發送線圈41中對之進行管理的結果。圖4B示出了對接收的電動勢波形進行監測而得到的串行位格式58。
在圖4A和4B中示例的傳輸規約中(transmission protocal)中，正如常規串行規約一樣，有一個預編程位時間(bt)63，它是傳輸速率(有時稱為波特率)的倒數。用于掃描碼傳輸的位時間無須增加大部分系統的時鐘率負擔。例如，一個很新的10兆赫時鐘速率的周期是10-7秒。例如，假設一個具有1000的位時間乘以時鐘周期且12個位時間是傳輸一個掃描碼的最低位時間，則代碼可以在1.2×10-3秒內傳輸。幾乎無人可以這么快速打字。
本例中，規約由在傳輸回路中的電流脈沖產生的接收回路端的電動勢波峰值構成。鍵盤微處理器25(圖2)讀擊鍵，間歇以及鍵組合，并根據位時間定時的串行脈沖傳送掃描碼。回路41中的每個電流脈沖產生一個波峰值，正如在回路47中的波峰值59一樣，該尖峰值占用了約1/4的位時間(該時間可在位時間內大幅度化)。
本實施例的掃描碼是用于IBM兼容鍵盤的常規掃描碼，但亦有可用于其他實施例的替代碼。
圖4中，代碼起始信號由三個波峰值61組成，其定時為位時間率的兩倍。電路49(圖3)標識代碼起始信號并監測指示數據位的波峰的8個位時間，并根據檢測的位設定輸出寄存器51。具有明確波峰的位時間是邏輯1，否則便為邏輯0。在傳輸了8位之后，發送機以位速率兩的速率送出具有5個尖峰的停止碼65，并尋找另一起始位。起始和停止碼有很多類型，它們均可用于本發明，而以上敘述的僅為其中之一。
圖4示例中傳輸的掃描碼00101101是十六進制的2D，它是最佳實施例中的民用規約的“X”鍵的鍵入碼，這是大部分IBM兼容機鍵盤系統的常規掃描碼。根據本發明，當用戶在鍵盤上打字時，系統連續譯出鍵入和間歇，以及所用的鍵組合，并把掃描碼通過傳輸接收回路和接收回路送到計算機。
對本技術領域的技術人員而言，在不背離本發明精神的范圍內有許多變化和改型，其中的一些如上所述，還有其他一些，例如，在傳送和接收回路的幾何尺寸中有一較大的縱向而在其他變化中，例如產生的電流和編碼數據的定時上亦可有較大變化余地。類似地，有許多可用但未在最佳實施例中敘述的編碼方式。本發明的范圍受權利要求保護。
權利要求
1.計算機的鍵盤輸入裝置，其特征在于包括一個用戶操作鍵的陣列，用于輸入數據和命令；一個基于微處理器的控制器，用于管理該鍵盤的操作；若干個電連接器，用于把用戶操作鍵的所述陣列連到所述基于微處理器的控制器；電源裝置，該電源裝置連到所述鍵盤的用電元件以為鍵盤供電；以及一個磁場發生器，該磁場發生器由所述基于微處理器的控制器管理，用于通過改變所述磁場發生器產生的磁場來傳送數字掃描碼。
2.權利要求1所述的鍵盤輸入裝置，其中所述磁場發生器包括至少一個由基于微處理器的控制器管理的電流控制電路和所驅動的一個電導體回路，其中，磁脈沖由位于所述至少一個電導體回路中的電流脈沖生成。
3.權利要求1所述的鍵盤輸入裝置，其中所述基于微處理器的控制器包括控制程序，用于產生標識每個鍵入動作及鍵組合的數字掃描碼，以及順序地通過改變磁場傳輸數據掃描碼。
4.權利要求1所述的鍵盤輸入裝置，其中所述掃描碼作為成組磁脈沖傳輸，每組包括作為起始信號的第一定時脈沖序列，一個隨之其后的一系列相等位時間，用于表示掃描碼中的1和0位，在一個位時間中的磁脈沖表示數字1而沒有磁脈沖在位時間中出現則指示數字0，每組還包括一個第二個定時脈沖序列作為每組停止信號。
5.用于為通用計算機輸入/輸出總線提供接口的代碼解調器，其特征在于包括一個磁信號接收器，用于響應磁場中的變化產生一個電動勢，該磁場與磁信號接收器耦合;以及監測電路，該監測電路與所述磁信號接收器相連，用于檢測所述磁信號接收器中生成的電動勢尖峰信號，根據接收的定時的電動勢尖峰信號設定一個有數字值的輸出寄存器，并發出一個中斷到聯接到輸入/輸出總線的CPU。
6.權利要求5所述的代碼解調器，其中所述磁信號接收器包括至少一個連到監測電路的電導體回路，用于在每次耦合到至少一個回路的磁場突變時為所述監測電路提供一個電動勢。
7.權利要求5所述的代碼解調順，其中所述監測電路由CPU通過輸入/輸出總線操作，從而根據順序接收的電動勢脈沖由1和0設置輸出寄存器的順序位，其中，在一個位時間中的電動勢脈沖指示一個數字1而在一個位時間中沒有電動勢脈沖則指示一個數字0。
8.一個通用計算機，其特征在于包括一個CPU，用于管理計算機的操作;一個I/O總線，該總線與CPU接口，用于與外設通信;一個代碼解調器，該解調器與I/O總線接口，用于監測編碼的磁信號并響應編碼的磁信號把掃描碼送到CPU;以及一個鍵盤，該鍵盤包括一個磁場發生器，用于把鍵操作編碼為掃描碼，并通過由磁場發生器產生的各種磁信號把掃描碼送到代碼解調器。
9.權利要求8所述的通用計算機，其中所述鍵盤包括至少一個電導體回路，該回路由一個微處理器控制的電流發生器驅動，該微處理器根據控制程序對鍵動作和鍵組合進行編碼以提供順序傳輸的數字掃描碼，該順序傳輸隨至少一個電導體回路中的電流脈沖產生的磁脈沖發生。
10.把一個鍵盤上的鍵陣列上實現的鍵動作傳輸到通用計算機的CPU的方法，該方法的特征在于包括以下步驟由與所述鍵相關聯并連到一個微處理器的分離信號發生器的陣列讀鍵盤上的鍵運作;將該讀出結果根據特定的數字碼與鍵運作的對應關系轉換成掃描碼;通過把數字值轉換成由一個磁場發生器產生的一系列磁脈沖串行傳輸掃描碼;通過接到計算機本體中的一個解調電路的一個接收回路截取該串行磁脈沖;根據表示掃描碼的串行磁脈沖把一個數字寄存器設置為數字掃描碼，以及使來自所述輸出寄存器的數字掃描碼與CPU通信。
全文摘要
一個計算機鍵盤，用于把鍵入數據通過改變的磁場所編碼的掃描碼傳到主機，在一個最佳實施例中，鍵盤通過一個電導體回路產生磁脈沖。連到計算機本體中的接收回路根據鍵盤傳送的磁脈沖產生電動勢尖峰信號，解調器電路根據接收回路監測到的電動勢尖峰信號在一個寄存器中再現數字掃描碼以便與計算機的CPU通信。
文檔編號G06F3/02GK1100536SQ94114970
公開日1995年3月22日 申請日期1994年8月23日 優先權日1994年8月23日
發明者丹·基基尼斯 申請人:奧克利系統公司