一種PC鍵盤的革命性設(shè)計(jì)

1 引言

當(dāng)電腦上別的配件都跟著摩爾定律越來越時(shí)髦的時(shí)候，鍵盤總是顯得比較落寞，而“掌心鍵”的問世則將傳統(tǒng)PC鍵盤的設(shè)計(jì)引領(lǐng)至一個(gè)全新的領(lǐng)域。掌心鍵，是放在單手掌中使用，對(duì)應(yīng)于五個(gè)手指各有一個(gè)多功能按鍵，并通過五指同時(shí)組合操作，從而實(shí)現(xiàn)字符的輸入；自帶有點(diǎn)陣顯示屏，通過其指示各種操作狀態(tài)，考慮到用戶使用習(xí)慣和人體特征，掌心鍵的外形設(shè)計(jì)大小適中，適合大眾人群的手形，不論男女，皆可輕松的一手掌握，獨(dú)特的按鍵凹槽設(shè)計(jì)將使手指的放位倍感舒適，而且降低了對(duì)坐姿的要求，同時(shí)支持左右手互換使用，且保證長時(shí)間使用也不易感到疲勞。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

掌心鍵是通過五指組合方式進(jìn)行輸入，共有2⁵=32種組合，其中包括一種無任何鍵按下的組合，實(shí)際可用組合則為31種。為了設(shè)計(jì)中描述、編程方便，將五指對(duì)應(yīng)一個(gè)5位二進(jìn)制數(shù)的5個(gè)位，D₄D₃D₂D₁D₀，母指對(duì)應(yīng)D₄位，食指對(duì)應(yīng)D₃位，中指對(duì)應(yīng)D₂位，無名指對(duì)應(yīng)D₁位，小指對(duì)應(yīng)D₀位，按下手指的位值為1，不按的位值為0，這樣每次組合按鍵時(shí)產(chǎn)生了一個(gè)按鍵值n，將32種組合定義為K_m（m=0…31）。

為了單手能方便輸入PC鍵盤的所有按鍵，首先要將PC按鍵分集，分為數(shù)字集、小寫字母集、大寫字母集、標(biāo)點(diǎn)符集、編輯鍵集、功能鍵集等，表2-1列出了部分鍵集詳細(xì)說明；輸入時(shí)先選鍵集，再輸入字符。在任何狀態(tài)下都將K₃₁定義為集切換，然后按K_n（n=1…30）可選30種鍵集，再按鍵集下相應(yīng)字符對(duì)應(yīng)的K_n即可完成一個(gè)字符的輸入。如果接下來的字符是同一個(gè)鍵集的，就不必再切換鍵集，直接輸入即可，這樣可提高輸入速度。輸入任一個(gè)字符最多按3次鍵，即先按集轉(zhuǎn)換，再選子集，然后輸入指定字符，大部分時(shí)間都只需一次按鍵即可。

子集中以字母集用鍵值K_N最多，從K₁到K₂₆，所有子集中的K₂₇、K₂₈、K₂₉、K₃₀很少用到，當(dāng)前統(tǒng)一定義成最常用的全局通用功能鍵，就如集切換K₃₁；分別定義為K₂₇：空格，K₂₈：回刪，K₂₉：后移，K₃₀：回車。為了方便使用，用戶可以自己配置，重新定義以上鍵值的功能。

表2-1：鍵集分類表

對(duì)于PC鍵上多個(gè)鍵組合操作的情況，這里設(shè)置一個(gè)本地KeepLock狀態(tài)，有三個(gè)鍵處理該狀態(tài)，KeepStart是進(jìn)入KeepLock，KeepRep是保持此前按的所有鍵不松開，稱為重復(fù)鍵組KeepGroup，其后每按一次鍵與KeepGroup組合一起發(fā)給PC，直到KeepEnd結(jié)束KeepLock狀態(tài)。比如在文本編輯時(shí)，要選擇光標(biāo)后的兩個(gè)字符，在PC上應(yīng)按兩次Shift+ArrowR，操作過程是：KeepStart、ShiftL、KeepRep、ArrowR、ArrowR、KeepEnd；如果要輸入兩次Ctrl+Alt+Del，過程是：KeepStart、CtrlL、AltL、KeepRep、Del、Del、KeepEnd。

3 硬件設(shè)計(jì)

掌心鍵系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。硬件以PHILIPS公司含ARM7核的LPC2114單片機(jī)為中心，具有背光、黑白128X64點(diǎn)陣LCD屏，五個(gè)獨(dú)立式多功能按鍵，配有PS2接口。

圖3-1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

電源來自PS2鍵盤接口，或電池，5V電源經(jīng)過LM1117-3.3和LM1117-1.8穩(wěn)壓后供給各部分電路。顯示部分選用COG的128X64點(diǎn)陣黑白LCD液晶，以I/O方式接入LPC2114單片機(jī)，LCD用來提示各種狀態(tài)，以及輸入的信息，亦用于脫機(jī)錄入的信息顯示。MAX3232構(gòu)成RS-232串行通信接口，實(shí)現(xiàn)掌心鍵與PC機(jī)之間資料相互傳送。五個(gè)獨(dú)立按鍵都以外部電平中斷方式輸入，沒有按鍵時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入節(jié)電狀態(tài)，只有按鍵時(shí)系統(tǒng)才短時(shí)工作，在脫機(jī)狀態(tài)下工作時(shí)，電池供電的節(jié)電問題顯得非常重要。設(shè)置蜂鳴器是為了協(xié)助提示按鍵操作。而JTAG接口是保留給軟件開發(fā)和升級(jí)時(shí)使用。

正確檢測掌心鍵的按鍵操作是硬件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。普通按鍵檢測時(shí)，可以用軟件方法處理按鍵機(jī)械抖動(dòng)問題，程序過濾按鍵前后20ms時(shí)間即可解決抖動(dòng)。而掌心鍵是多個(gè)鍵組合按下實(shí)現(xiàn)單PC鍵，不但要對(duì)每個(gè)按鍵去抖動(dòng)，還要解決多鍵同時(shí)按下的時(shí)間差問題。剛開始使用掌心鍵時(shí)，操作速度較慢，隨著使用時(shí)間的延長，按鍵速度越來越快，這樣就有一個(gè)熟練的過程。為此，將去抖動(dòng)的時(shí)間設(shè)成可配置的，設(shè)為JitterTime，當(dāng)有操作時(shí)，保持JitterTime時(shí)間鍵Kn沒有變化，即認(rèn)為是Kn，從一個(gè)Kn變?yōu)镵m，也是用JitterTime時(shí)間去抖動(dòng)，當(dāng)Km=0時(shí)就表明沒有任按鍵操作。JitterTime的范圍從20ms到2000ms。

4 軟件設(shè)計(jì)

軟件以u(píng)Cos實(shí)時(shí)嵌入式操作為核心，按功能分為多個(gè)任務(wù)，軟件采用C語言編寫，主要完成兩部分功能，其一是本地按鍵和顯示，其二是將按鍵變?yōu)镻C鍵掃描碼通過PS2接口送給PC機(jī)。軟件結(jié)構(gòu)如圖4-1所示。

圖4-1 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

算法的關(guān)鍵是對(duì)按鍵值的處理。由于PC鍵盤中的每個(gè)鍵都具有通碼（接下）和斷碼（松開），產(chǎn)生的鍵盤掃描碼由多個(gè)字節(jié)組成，而掌心鍵是多次操作才能構(gòu)成PC鍵盤的單次操作，所以在算法中要設(shè)置很多狀態(tài)變量來記憶操作過程，在完成一個(gè)PC鍵操作后才通過PS2接口輸出通碼或斷碼。下面給出了詳細(xì)的原碼程序和注釋。

首先說明以下重要的全局變量：

char KeySet; //存入子鍵集號(hào)，因?yàn)椴煌蛹腒n值代表不同的鍵

char KeyStatus; //記憶處理狀態(tài)，在不同階段Kn有不同的意義

char …….

函數(shù)KeyMessage( )將按鍵原始值分集處理，分集后的值調(diào)用函數(shù)KeySend( )保存或發(fā)送，函數(shù)KeySendOn( )發(fā)送通碼的掃描碼，而函數(shù)KeySendOff( )發(fā)送斷碼的掃描碼。

void KeySend( unsigned char OnCode ) //發(fā)送通碼

{ if( KeepLock==1){ //保存組合通碼KeepGroup

KeepGroup[KeepPtr++] = OnCode;

return; //只保存，不發(fā)送

}

If(KeepLock==2)……..

KeySendOn( OnCode ); //發(fā)送通碼的掃描碼

}

void KeySendOn( unsigned char OnCode )

{ KeyOnCodeOff = 0; //設(shè)標(biāo)志，要求發(fā)斷碼

KeyOnCode = OnCode; //記憶通碼，以便發(fā)相應(yīng)斷碼

switch( KeyOnCode ){ //根據(jù)KeyOnCode發(fā)送通碼

OnCode_A: Ps2Out(0x1C); break;

OnCode_ArrowR: Ps2Out(0xE0); Ps2Out(0x74); break;

……..}}

void KeySendOff( void ) //發(fā)送斷碼的掃描碼

{ if( KeyOnCodeOff ) return; //沒發(fā)過通碼，所有沒有斷碼

KeyOnCodeOff = 1; //防止連續(xù)發(fā)斷碼

switch( KeyOnCode){ //根據(jù)最后發(fā)送的通碼KeyOnCode補(bǔ)發(fā)斷碼

OnCode_A: Ps2Out(0xF0); Ps2Out(0x1C);

………}}

void KeyMessage( unsigned char Kn) //Kn是原始按鍵值

{ if( Kn==31){ KeyStatus=1; return; }

if( KeyStatus==1){ if(Kn != 0 ){ KeySet=Kn; KeyStatus=2; } return; }

if( KeyStatus==2){

if( Kn==0){ KeySendOff(); return; }

if( KeySet==1){

switch( Kn ){

1: CapsLock =! CapsLock; KeySend(OnCapsLock); break;

2: NumLock=! NumLock; KeySend(OnNumLock); break;

3: ScrollLock=!ScrollLock; KeySend(OnScrollLock); break;

………… //其它情況處理同上

}

return;

}

if(KeySet==2){ //處理數(shù)字 }

if(KeySet==3){ //處理字母 }

…………}}

5 結(jié)束語

以目前PC鍵盤設(shè)計(jì)中比較突出的布局設(shè)計(jì),反手操作，坐姿，坐高等問題為中心，以模擬試驗(yàn)的方法獲得掌心鍵設(shè)計(jì)的基本原則，它非常適用于現(xiàn)代的青少年人群，在部分學(xué)生用戶中實(shí)際測試，結(jié)果一周左右的時(shí)間，他們就能熟練操作掌心鍵，實(shí)現(xiàn)單手快速輸入。此外，該方案還可以用到大部分的掌上移動(dòng)設(shè)備中，比如PDA和手機(jī)。掌心鍵的進(jìn)一步完善，是增加按鍵的上推下?lián)芄δ埽@樣將一個(gè)鍵變?yōu)槿齻€(gè)鍵，具有4⁵=1024種組合值，選擇其中部分容易操作的組合，即可實(shí)現(xiàn)更快的輸入速度；配合拇指的軌跡球使用，單手即可實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)和鍵盤雙操作。

本文作者的創(chuàng)新點(diǎn)：掌心鍵設(shè)計(jì)充分體現(xiàn)了后PC時(shí)代“功能主導(dǎo)型”這一特質(zhì)，它不僅具備傳統(tǒng)鍵盤的所有功能，且可將其置于手掌中，單手五鍵組合操作，并具有脫機(jī)輸入文本文件，聯(lián)機(jī)拷貝文件的功能，該設(shè)計(jì)具有良好的市場前景和推廣應(yīng)用價(jià)值。掌心鍵不再受到傳統(tǒng)PC鍵盤置放位置的約束，而成為真正的可隨意移動(dòng)的掌中鍵盤，相信在不久的將來，掌心鍵必將成為PC用戶的“掌中乾坤”。

參考文獻(xiàn)

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