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Die
Erfindung betrifft eine Schaltmatrix für ein Eingabegerät, z. B.
eine Tastatur oder ein Zeigergerät,
zum Detektieren verschiedener Schaltzustände sowie ein Verfahren hierzu.
Insbesondere betrifft die Erfindung eine Schaltungsanordnung zum
Detektieren der Schaltsignale bei gleichzeitigem Drücken von
zwei Schaltelementen einer Tastatur.
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Elektronische
Produkte, wie z. B. Computer, benötigen zu ihrer Bedienung oftmals
Eingabegeräte,
die mit mehreren Tasten bzw. Schaltelementen bestückt sind.
Bei der Betätigung
dieser vorbelegten oder frei konfigurierbaren Schaltelemente werden elektronische
Signale ausgelöst,
die von einem Mikrocontroller verarbeitet werden und nachfolgend
in eine von einem Anwender gewünschte
Operation gewandelt werden.
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Nicht
selten werden mehrere Tasten der Tastatur zufällig oder gewollt gleichzeitig
gedrückt,
was zu Problemen beim Detektieren der sich gegebenenfalls überlagernden
Schaltsignale führt.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Lösungen bekannt, um die Schaltzustände gleichzeitig
betätigter Schaltelemente
mit mehr oder weniger technischem Aufwand zu detektieren.
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Bekannt
aus der
US 6,020,833 sind
ein Verfahren und eine Schnittstelle zum Erfassen von Schaltzuständen von
Tasten und Widerständen
einer Tastatur. Die Schnittstelle umfasst eine Einheit mit mehreren
Eingangs- und Ausgangsleitungen. Einige der Eingangs- und Ausgangsleitungen
sind mit den Schaltleitungen zum Zwecke der Erstellung einer Schaltmatrix
gekoppelt. An Knotenpunkten zwischen den Schaltleitungen und den
Ausgangsleitungen sind Schaltelemente und zwischen einer Schaltleitung und
einer Ausgangsleitung ist jeweils ein zugehöriger Widerstand platziert.
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Des
Weiteren ist aus der
US 4,607,251 ein System
zum Erkennen geschlossener Kontakte eines blattartigen Schalters
bekannt. Die Schaltelemente sind hierbei, zum Zwecke des Anhebens
des elektrischen Potenzials der Schaltleitungen, mit den Widerständen parallel
verschaltet sind. Diese Schaltelemente eignen sich, um das elektrische
Potenzial der Schaltleitungen beschleunigend wiederherzustellen.
Damit können
geschlossene Kontakte korrekt erkannt werden, wenn die Operationsgeschwindigkeit erhöht wird.
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In
der
US 5,448,236 ist
ein Schaltkreis zum Detektieren mehrerer gleichzeitig gedrückter Tasten offenbart.
Hierbei besteht der Schaltkreis aus einer Anzahl von Schaltelementen,
die matrixartig mit einer Anzahl von Ausgangsleitungen und Steuerleitungen mittels
Schaltleitungen verbunden sind. Zu jedem Schaltelement ist ein Vorwiderstand
in Serie geschaltet. Jede Ausgangsleitung ist hierbei zusätzlich mit
einer Vorrichtung zur Strommessung verbunden.
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Schließlich sei
noch die in der
US 4,906,993 A beschriebene
Schaltungsanordnung unter Verwendung von Dioden genannt, bei der
jeweils eine Leitung als Ausgang, eine Leitung als Eingang und alle anderen
Leitungen hochohmig ausgebildet sind.
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Die
vorgenannten Erfindungen haben gemeinsam, dass zur Reduzierung der
benötigten
Eingangs- und Ausgangsleitungen ein nicht unerheblicher technischer
Aufwand an elektronischen Komponenten erforderlich ist.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Schaltmatrix zum Detektieren
von Schaltzuständen
von mehreren gleichzeitig betätigten
Schaltelementen mit einem geringen Hardwareaufwand sowie ein Verfahren
hierzu zu entwickeln.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale der Schaltmatrix zum Detektieren von Schaltzuständen gemäß Patentanspruch
1 und durch die Merkmale des Verfahrens zum Detektieren von Schaltzuständen gemäß Patentanspruch
4 gelöst.
Die rückbezogenen
Unteransprüche
zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
dass die Schaltmatrix für
ein Eingabegerät,
insbesondere eine Tastatur oder ein Zeigergerät, zum Detektieren von Schaltzuständen von
einem, zwei oder mehr gleichzeitig betätigten Schaltelement(en), eine
mit einem Mikrocontroller elektrisch verbundene Gruppe mit N Eingangs-
und Ausgangsleitungen (E/A-Leitungen) mit jeweils einem seriell
verschalteten Abschlusswiderstand gegen Masse sowie eine Gruppe
von K Schaltleitungen mit jeweils einem Schaltelement aufweist,
wobei jede E/A-Leitung genau einmal mit einer anderen E/A-Leitung über eine
Schaltleitung verbunden ist, und dass die K Schaltleitungen zusätzlich jeweils
einen seriell angeordneten Vorwiderstand aufweisen, und gemäß einem
Abfragemuster eine E/A-Leitung als Ausgangsleitung mit einem hohen Potenzial,
eine davon verschiedene E/A-Leitung als Eingangsleitung und jede
weitere davon verschiedene E/A-Leitung als Ausgangsleitung mit einem
niedrigen Potenzial des Mikrocontrollers ausgebildet sind, wobei
die maximale Anzahl K der Schaltleitungen sich aus der Anzahl N
der E/A-Leitungen nach der Gleichung
bestimmen lässt.
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Zum
Detektieren eines Schaltzustandes sind zwei Abfragemuster vorgesehen,
wobei zwei mit der Schaltleitung des betätigten Schaltelements verbundene
E/A-Leitungen wechselseitig als Ausgangsleitung mit einem hohen
Potenzial oder als Eingangsleitung ausgebildet sein können und
die nicht mit der Schaltleitung des zu prüfenden Schaltelements verbundenen
E/A-Leitungen als Ausgangsleitung mit einem niedrigen Potenzial
des Mikrocontrollers ausgebildet sind.
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Da
unter Verwendung von nur zwei E/A-Leitungen nur eine Schaltleitung
mit einem zugehörigen Schaltelement
und einem Vorwiderstand zwischen den E/A-Leitungen angeordnet werden
kann, muss die Anzahl n der E/A-Leitungen mindestens drei betragen.
Drei E/A-Leitungen gestatten den Einsatz von bis zu drei Schaltleitungen
mit einem zugehörigen Schaltelement
und einem Vorwiderstand.
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Die
maximale Anzahl von K Schaltleitungen mit der Anzahl von N Schaltelementen,
die mit der Anzahl von N E/A-Leitungen koppelbar sind, entsprechen
dabei der Gleichung
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Die
Beträge
der Abschlusswiderstände
der N E/A-Leitungen, die gegen Masse geschaltet sind, sind wesentlich
größer als
die Beträge
der Vorwiderstände
der K Schaltleitungen. Bevorzugt beträgt jeder einzelne Abschlusswiderstand
ein Vielfaches des Betrages der Vorwiderstände.
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Als
Schaltelemente können
Schalter, Taster, Relais und dgl. vorgesehen werden.
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Nach
der Konzeption der Erfindung umfasst das Verfahren zum Detektieren
von Schaltzuständen von
einem, zwei oder mehr gleichzeitig betätigten Schaltelementen) unter
Verwendung einer Schaltmatrix für
ein Eingabegerät
gemäß der Ansprüche 1 bis 3
die nachfolgend beschriebenen Verfahrensschritte:
- (A)
Bereitstellung eines Bits für
jedes der K Schaltelemente, Verwendung dieses Bits als Tastenstatusbit
und Setzen dieses Tastenstatusbits auf 0 für jedes der K Schaltelemente,
- (B) Setzen aller Ausgangsregister des Mikrocontrollers auf 0,
- (C) Setzen aller Richtungs-Register des Mikrocontrollers auf
OUTPUT,
- (D) Durchlaufen einer äußeren Schleife,
wobei die Anzahl der Schleifendurchgänge der Anzahl der N E/A-Leitungen
entspricht,
- (E) Durchlaufen einer inneren Schleife, wobei die Anzahl der
Schleifendurchgänge
der Anzahl der K Schaltelemente entspricht, und wobei diejenigen Schleifendurchgänge übersprungen
werden, bei denen der innere Schleifenindex und der äußere Schleifenindex
gleich sind und damit die Gesamtzahl der Abfragen 2*K Schaltelemente
entspricht,
- (F) Auswertung der Eingangssignale und Detektierung der Schaltsignale
durch eine „ODER-Verknüpfung" des Tastenstatusbits
TS mit dem neuen Eingangssignal und
- (G) Prüfen,
ob eine erlaubte Tastenkombination vorliegt.
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Dieses
Verfahren umfasst im Wesentlichen eine Hauptroutine und mindestens
eine Subroutine, bevorzugt jedoch vier Subroutinen.
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Die
signifikanten Merkmale und Vorteile der Erfindung sind im Wesentlichen:
- • sehr
geringe Anzahl von benötigten
E/A-Leitungen,
- • neben
Einfach- und Doppeltastendrücken
können
auch Mehrfachtastendrücke
detektiert werden und
- • besonders
preisgünstige
Schaltungsmatrix durch Verwendung von Widerstandsarrays bzw. durch
aufgedruckte Widerstände.
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Weitere
Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme
auf die zugehörigen
Zeichnungen.
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Dabei
zeigen:
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1:
Schaltmatrix aus dem Stand der Technik,
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2:
Schaltmatrix aus dem Stand der Technik mit Dreiecksform,
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3:
erfindungsgemäße Schaltmatrix,
jede Schaltleitung mit jeweils einem Schaltelement und einem seriell
verschalteten Vorwiderstand,
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4:
tabellarische Darstellung aller Schaltzustände mit jeweils zwei Abfragemustern,
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5 Programmablaufplan
des gesamten Auslesevorgangs,
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6 Programmablaufplan
der Subroutine Tastenstatusbits,
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7 Programmablaufplan
der Subroutine Ausgangsregister,
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8 Programmablaufplan
der Subroutine Richtungsregister und
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9 Programmablaufplan
der Subroutine Tastenindex.
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1 illustriert
schematisch eine Schaltmatrix aus dem Stand der Technik. Zum Detektieren
der Schaltzustände
sind acht Eingangs- und Ausgangsleitungen (E/A-Leitungen) 5.1 bis 5.8 eines
Mikrocontrollers 1 vorgesehen, wobei die im dargestellten
Beispiel oberen vier E/A-Leitungen 5.1 bis 5.4 mit
vier Schaltleitungen 6.1 bis 6.4 gekoppelt sind.
Der Mikrocontroller weist ferner eine elektrische Spannungsquelle 2 auf.
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Jede
dieser vier Schaltleitungen 6.1 bis 6.4 weist
vier Schaltelemente 4 auf und ist damit mit den im dargestellten
Beispiel unteren vier E/A-Leitungen 5.5 bis 5.8 elektrisch
verbunden. Die unteren vier E/A-Leitungen 5.5 bis 5.8 weisen
zudem einen Abschlusswiderstand 3.1 bis 3.4 gegen
Masse 9 auf. Zum Schalten bzw. Detektieren von 16 Schaltelementen 4 werden
demnach acht E/A-Leitungen 5.1 bis 5.8 benötigt. Beim
Betätigen
des Schaltelements 4.1 fließt ein Signal vom Mikrocontroller über die
Ausgangsleitung 5.4, weiter über das Schaltelement 4.1 und
die Eingangsleitung 5.5 zurück zum Mikrocontroller. Grundsätzlich kann
die E/A-Leitung 5.5 auch als Ausgangsleitung ausgebildet
sein. Der Mikrocontroller 1 ist in der Lage, zwischen der
Betätigung
eines einzelnen Schaltelements 4 und einem gleichzeitigen
Betätigen
von zwei Schaltelementen 4 zu unterscheiden.
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Die 2 illustriert
eine weitere Schaltmatrix mit Dreiecksform aus dem Stand der Technik.
Hierbei sind sechs E/A-Leitungen 5.1 bis 5.6 vorgesehen,
deren erstes Ende mit dem Mikrocontroller 1 und deren zweites
Ende mit der Masse 9 verbunden ist. Jeder dieser E/A-Leitungen 5.1 bis 5.6 weist
wiederum einen Abschlusswiderstand 3.1 bis 3.6 gegen
Masse 9 auf. Zum Schalten bzw. Detektieren von 15 Schaltelementen 4 sind
eine Gruppe mit einer Vielzahl von K Schaltleitungen 6 mit
jeweils einem Schaltelement 4 vorgesehen, wobei jede Schaltleitung 6 jeweils
zwei der E/A-Leitungen 5.1 bis 5.6 miteinander
verbindet. Diese Anordnung reduziert gegenüber der Schaltmatrix in 1 die
benötigten
E/A-Leitungen 5 am Mikrocontroller 1. Diese Anordnung
ist dann besonders vorteilhaft, wenn ein Zweiplattendesign Anwendung findet.
Bei einem Zweiplattendesign sind der Mikrocontroller 1 und
die Tastenmatrix auf unterschiedlichen Platinen angeordnet, womit
Steckerpins eingespart werden können.
Der Mikrocontroller 1 fragt die Tastenmatrix ab, indem
er nacheinander jede E/A-Leitung 5 als Ausgang schaltet
und die Zustände der
anderen E/A-Leitungen 5 am Mikrocontroller 1 einliest.
Zum Detektieren eines einzeln gedrückten Schaltelements 4 werden
alle an den Mikrocontroller 1 angeschlossenen E/A-Leitungen 5 nacheinander als
Ausgang geschaltet und die entsprechenden Bitmuster der anderen
E/A-Leitungen 5 eingelesen. Da in den Schaltleitungen 6 über den
Schaltelementen 4 üblicherweise
kein messbarer Spannungsabfall zu verzeichnen ist, können einige
Doppeltastendrücke nicht
erkannt werden. So liefert das gleichzeitige Drücken der Schaltelemente 4.1.
und 4.2 das gleiche Signalbild wie das gleichzeitige Drücken der
Schaltelemente 4.1 und 4.6. Ursächlich dafür ist die
Tatsache zu nennen, dass die Eingangsleitungen 5.1, 5.2 und 5.3 das
gleiche elektrische Potenzial annehmen.
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Die
erfindungsgemäße Schaltmatrix
ist in 3 dargestellt, wobei die grundlegende Struktur, also
die Anordnung der E/A-Leitungen 5 derer der in 2 identisch
ist. Es sind wiederum sechs E/A-Leitungen 5.1 bis 5.6 vorgesehen,
die einerseits mit dem Mikrocontroller 1 und andererseits
mit Masse 9 verbunden sind. Jede dieser E/A-Leitungen 5 weist
einen Abschlusswiderstand 3.1 bis 3.6 gegen Masse 9. Diese
Abschlusswiderstände 3.1 bis 3.6 weisen
beispielhaft einen Betrag von 100 kOhm auf, und ziehen die E/A-Leitungen 5.1 bis 5.6 auf
niedriges Potenzial, solange keines der Schaltelemente 4 betätigt wird und
eine entsprechende E/A-Leitung 5 als Eingang geschaltet
ist.
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Zum
Schalten bzw. Detektieren von 15 Schaltelementen 4 sind
eine Gruppe mit einer Vielzahl von Schaltleitungen 6 mit
jeweils einem Schaltelement 4 vorgesehen, wobei jede Schaltleitung 6 jeweils
zwei der E/A-Leitungen 5 miteinander verbindet. Das signifikante
und damit unterscheidungskräftige
Merkmal gegenüber
der Darstellung in 2 ist jedoch der Vorwiderstand 7,
der seriell zu jedem Schaltelement 4 angeordnet ist und
bei Betätigung eines
Schaltelements 4 damit einen messbaren Spannungsabfall
erzeugt. Jede dieser Schaltleitungen 6.1 bis 6.15 weist
bevorzugt einen Vorwiderstand 7.1 bis 7.15 mit
einer Größe von 10
kOhm auf. Diese Vorwiderstände 7.1 bis 7.15 verhindern
einen Kurzschluss, wenn eine dieser E/A-Leitungen 5 auf
hohes Potenzial und eine weitere E/A-Leitung 5 auf niedriges
Potenzial geschaltet wird und Schaltelemente 7 betätigt werden,
die in den Schaltleitungen 6 angeordnet sind, die diese
beiden E/A-Leitungen 5 miteinander verbinden. Jede Schaltleitung 6,
die jeweils zwei E/A-Leitungen 5 verbindet, weist damit
ein zugehöriges
Schaltelement 4 und einen zugehörigen Vorwiderstand 7 auf.
Dadurch können
die einzelnen Schaltelemente 4 voneinander entkoppelt werden. Die
Gesamtheit der Vorwiderstände 7 sind
beispielhaft als ein Widerstandsarray ausgebildet. Mit der nachfolgend
beschriebenen Abfragemethode können
das Betätigen
einzelner Schaltelemente 4, das gleichzeitige Betätigen von
zwei Schaltelementen 4 und gegebenenfalls das gleichzeitige
Betätigen
mehrerer Schaltelementen 4 detektiert werden. Ein Detektieren
von mehreren gleichzeitig betätigten
Schaltelementen 4 kann dann zweifelsfrei realisiert werden,
wenn sich die gedrückten
Schaltelemente 4 in einer Reihe oder Spalte befinden.
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Als
Spalte wird diejenige Gruppe von Schaltleitungen 6 bezeichnet,
deren vorwiderstandsseitiges Ende der Schaltleitungen 6 mit
einer gemeinsamen E/A-Leitung 5 gekoppelt sind. Als Beispiel
ist dazu die Anordnung der Schaltleitungen 6.10 bis 6.12 mit den
Schaltelementen 4.10 bis 4.12 zu nennen. Als Reihe
dagegen wird diejenige Gruppe von Schaltleitungen 6 bezeichnet,
deren schalterseitige Enden mit einer gemeinsamen E/A-Leitung 5 gekoppelt
sind. Als Beispiel hierzu sind die Schaltleitungen 6.4, 6.8, 6.11 und 6.13 mit
ihren zugehörigen
Schaltelementen 4.4, 4.8, 4.11, 4.13 zu
nennen. Für
jeden Ausleseschritt wird nunmehr eine der E/A-Leitungen 5 auf Ausgang
mit hohem Potenzial, eine weitere E/A-Leitung 5 auf Eingang
und alle weiteren E/A-Leitungen 5 auf Ausgang mit niedrigen
Potenzial gesetzt. Die Eingangsleitung und die Ausgangsleitung mit
hohem Potenzial können
wechselseitig auch vertauscht werden, so dass pro Schaltelement 5 zwei
Auslesevorgänge
bzw. Abfragemuster vorgesehen sind.
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Beim
Betätigen
eines einzelnen Schaltelements 4, beispielsweise des Schaltelements 4.1, kann
einerseits die Line-A auf hohes Potenzial gesetzt werden, die Line-B
auf Eingang gesetzt werden und die Line-C bis Line-F auf Ausgang
mit niedrigen Potenzial gesetzt werden. Anderseits kann die Line-A
auf Eingang gesetzt werden, die Line-B auf Ausgang mit hohen Potenzial
und die Line-C bis Line-F auf niedrigen Potenzial gesetzt werden.
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In
beiden Fällen
wird an der Eingangsleitung, also wahlweise Line-A oder Line-B, ein hohes Potenzial-logisch
1- verzeichnet, wenn das Schaltelement 4.1 betätigt wird.
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Beim
Detektieren von zwei gleichzeitig betätigten Schaltelementen 4,
beispielsweise der Schaltelemente 4.1 und 4.2,
erfolgt für
jedes der beiden betätigten
Schaltelemente 4.1 und 4.2 der zuvor beschriebene
Auslesevorgang. Im ersten Fall, dem Auslesevorgang für das Schaltelement 4.1,
kann einerseits die Line-A auf hohes Potenzial gesetzt werden, die
Line-B auf Eingang gesetzt werden und die Line-C bis Line-F auf
Ausgang mit niedrigen Potenzial gesetzt werden. In dieser Variante
wird am Eingang des Mikrocontrollers 1 ein hohes Potenzial-logisch
1- eingelesen.
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Anderseits
kann die Line-A auf Eingang gesetzt werden, die Line-B auf Ausgang
mit hohen Potenzial und die Line-C bis Line-F auf niedrigen Potenzial
gesetzt werden. In dieser Variante erhält man an der Eingangsleitung
des Mikrocontrollers 1 ein hohes Potenzial – logisch
1 –, wenn
nur das Schaltelement 4.1 betätigt wird, oder ein niedriges
Potenzial – logisch
0, wenn beide Schaltelemente 4.1 und 4.2 betätigt werden.
Durch die Reihenschaltung der beiden Vorwiderstände 7.1, 7.2 im
Sinne eines Spannungsteilers wird sich die Line-A auf etwa halber
Versorgungsspannung des Mikrocontrollers 1 befinden.
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Im
zweiten Fall, dem Auslesevorgang für das Schaltelement 4.2,
kann einerseits die Line-A auf hohes Potenzial gesetzt werden, die
Line-C auf Eingang gesetzt werden und die Line-B und Line-D bis Line-F
auf Ausgang mit niedrigem Potenzial gesetzt werden. In dieser Variante
erhält
man an der Eingangsleitung des Mikrocontrollers 1 ein hohes
Potenzial – logisch
1 –, wenn
nur das Schaltelement 4.2 betätigt wird, oder ein niedriges
Potenzial – logisch
0, wenn beide Schaltelemente 4.1 und 4.2 betätigt werden.
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Anderseits
kann die Line-A auf Eingang gesetzt werden, die Line-C auf Ausgang
mit hohen Potenzial und die Line-B und Line-D bis Line-F auf niedrigen
Potenzial gesetzt werden. In dieser Variante erhält man an der Eingangsleitung
des Mikrocontrollers 1 ein hohes Potenzial – logisch
1 –, oder
ein niedriges Potenzial – logisch
0, wenn das Schaltelement 4.1 betätigt wird. Durch die Parallelanordnung
der beiden Vorwiderstände 7.1, 7.3 im
Sinne eines Spannungsteilers wird sich die Line-A auf etwa halber
Versorgungsspannung des Mikrocontrollers 1 befinden.
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Für den Fall,
dass mehrere Schaltelemente 4 gleichzeitig betätigt werden,
wird der Auslesevorgang wie folgt realisiert. Einerseits wird Line-A
auf ein hohes Potenzial gesetzt, die Line-B auf Eingang gesetzt
und die Line-C bis Line-F auf Ausgang mit niedrigen Potenzial gesetzt.
Anderseits kann die Line-A auf Eingang gesetzt werden, die Line-B
auf Ausgang mit hohen Potenzial und die Line-C bis Line-F auf niedrigen
Potenzial gesetzt werden. In beiden Fällen erhält man an der Eingangsleitung
ein niedriges Potenzial – logisch
0, wenn das Schaltelement 4.1 nicht betätigt wird.
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Zusammenfassend
lässt sich
feststellen, dass während
des gleichzeitigen Betätigens
zweier Schaltelemente 4 jedes Schaltelement 4 ein
korrektes Eingangssignal und ein mit einem zweiten Schaltelement 4 verkoppeltes
undefiniertes Eingangssignal vom Mikrocontroller 1 erfasst
wird. Während
eine Knotenleitung zwischen zwei betätigten Schaltelementen 4 auf
ein hohes Potenzial gesetzt ist, kann an den beiden anderen beteiligten
E/A-Leitungen 5 ein korrektes Schaltsignal zurückgelesen
werden. Wenn die Knotenleitung bei zwei betätigten Schaltelementen 4 als
Eingang geschaltet ist, kann nur ein undefiniertes Signal zurückgelesen
werden. Im zuletzt genannten Fall befindet sich das Eingangssignal
auf halben Versorgungspotenzial und ist für den Digitaleingang des Mikrocontrollers 1 undefiniert.
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Des
Weiteren ist festzustellen, dass, wenn ein Schaltelement 4 nicht
betätigt
wird, beide Einlesevorgänge
für dieses
Schaltelement 4 nur ein niedriges Potenzial – logisch
0 – liefern.
Zum Detektieren mehrerer gleichzeitig betätigter Schaltelemente 4 ist es
notwendig, dass alle erlaubten Tastenkombinationen an einem Schaltelement 4 nur
einen Knoten mit den anderen Kombinationen bilden.
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In
4 sind
alle Schaltzustände
tabellarisch dargestellt, die sich am Beispiel von fünfzehn Schaltelementen
4 und
sechs E/A-Leitungen (Line-A bis Line-F)
5 mit jeweils zwei
Abfragemustern pro Schaltelement
4 maximal ergeben können. Somit muss
der Mikrocontroller
1 maximal 30 verschiedene Schaltzustände erfassen
und verarbeiten. Die Anzahl der Variationen möglicher Schaltzustände ermittelt sich
nach der Gleichung
bzw. V
= N(N – 1)wobei
N die Elemente bzw. die Anzahl der E/A-Leitungen
5 und
K die Klasse bzw. die Anzahl der Eingangs- oder Ausgangsleitungen
darstellen. Mit LINE-A bis LINE-F (sechs Elemente), die pro Schaltzustand
jeweils einen Eingang, einen Ausgang mit hohem Potenzial und vier
Ausgänge
mit niedrigem Potenzial aufweisen (zwei Klassen), ergeben sich gemäß den voranstehenden
Gleichungen folglich
V = 6(6 – 1) = 30 -
Schaltzustände. Für beispielsweise
acht E/A-Leitungen 5 ergibt sich dann sinngemäß eine maximale
Anzahl der Schaltzustände
von sechsundfünfzig,
wobei maximal achtundzwanzig Schaltelemente 4 mit den acht
E/A-Leitungen 5 elektrisch verschaltet werden können.
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In
den Spaltenköpfen
der Tabelle sind die Line-A bis Line-F aufgetragen, wobei diese
Lines den E/A-Leitungen 5.1 bis 5.6 entsprechen.
Die am rechten Tabellenrand dargestellten Zeilenköpfe bezeichnen
die Schaltelemente 4.1 bis 4.15, wobei pro Schaltelement
zwei Abfragemuster bzw. Schaltzustände abgefragt werden.
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Zur
besseren Verständlichkeit
der nachfolgend beschriebenen 5 bis 9 werden
folgende Variablen vereinbart:
- N
- – Anzahl der Eingangs (I)-
und Ausgangsleitungen (O) des Mikrocontrollers,
- K
- – maximale Anzahl der Tasten/Schaltelemente
und Schaltleitungen eines Eingabegerätes,
- TS[1...K]
- – Tastenstatus Register (1
Bit für
Tastenstatus je Taste),
- IOR [1...N]
- – Richtungsregister (1 Richtungsbit
je E/A-Leitung),
- IN[1...N]
- – Eingangsregister (1 Inputbit
je Leitung),
- OUT[1...N]
- – Ausgangsregister (1 Outputbit
je Leitung),
- LO
- – Laufvariable für Output,
- LI
- – Laufvariable für Input,
- I
- – Laufvariable,
- OFFSET
- – Zwischenvariable zur Berechnung des
Tastenindex und
- INDEX
- – Zwischenvariable für den Tastenindex,
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In 5 ist
der Programmablaufplan der Hauptroutine zum Detektieren der Schaltzustände schematisch
dargestellt. Die Hauptroutine umfasst neben einer äußeren und
einer inneren Schleife vier Subroutinen, nämlich die Subroutine zum Setzen
aller Tastenstatusbits TS [1 ... K] 8.1, die Subroutine zum
Setzen der Ausgangsregister OUT [1 ... N] 8.2, die Subroutine
zum Setzen der Richtungsregister IOR [1 ... N] 8.3 und
die Subroutine zum Ermitteln des Tastenindexes INDEX 8.4.
Nach Abarbeitung der Subroutinen 8.1 bis 8.3 wird
der Laufvariable für
den Ausgang LO der Wert eins zugewiesen, wobei die Schrittweite
bzw. der Diskretisierungsschritt für jeden Schleifendurchlauf
der äußeren Schleife
eins beträgt. Die äußere Schleife
wird solange wiederholt, bis der Wert der Laufvariable LO für den Ausgang
größer als der
Wert der gelesenen E/A-Leitungen 5 ist. Solange der Wert
der Laufvariable LO kleiner ist, wird für jedes Ausgangsregister der
E/A-Leitungen 5 eine innere Schleife durchlaufen, in der
der Tastenindex abgefragt wird. Es werden mittels der Hauptroutine
alle möglichen
Schaltzustände
mit jeweils zwei Abfragemustern für jede Taste 4 bzw.
Schaltelement erfasst und damit die betätigten Schaltelemente 4 eindeutig detektiert.
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6 illustriert
einen Programmablaufplan einer ersten Subroutine zum Setzen aller
Tastenstatusbits TS [1 ... K] auf den Wert null. Die allgemeine Laufvariable
I wird zunächst
auf den Wert eins gesetzt. Die sich daran anschließende Schleife
wird für die
Gesamtheit aller Schaltelemente 4 eins bis K nur solange
wiederholt, bis die allgemeine Laufvariable I einen größeren Wert
annimmt als durch die maximale Anzahl der K Schaltelemente 4 vorgegeben
ist. Die allgemeine Laufvariable I erhöht sich bei jedem Schleifendurchlauf
um den Wert eins. Innerhalb der Schleife werden dann die Tastenstatusbits
TS aller Tasten [1...K] auf den Wert null gesetzt.
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7 illustriert
einen Programmablaufplan einer zweiten Subroutine zum Setzen der
Ausgangsregister OUT [1... N] auf den Wert null. Die allgemeine
Laufvariable I wird zunächst
auf den Wert eins gesetzt. Die sich daran anschließende Schleife
wird für die
Gesamtheit aller E/A-Leitungen 5 nur solange wiederholt,
bis die allgemeine Laufvariable I einen größeren Wert annimmt als durch
die maximale Anzahl der N E/A-Leitungen 5 vorgegeben ist.
Die allgemeine Laufvariable I erhöht sich bei jedem Schleifendurchlauf
um den Wert eins. Innerhalb der Schleife werden dann alle Ausgangsregister
der N E/A-Leitungen 5 auf den Wert null gesetzt.
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8 illustriert
einen Programmablaufplan einer dritten Subroutine zum Setzen der
Richtungsregister IOR [1 ... N] auf den Wert null. Die Laufvariable I
wird zunächst
auf den Wert eins gesetzt. Die sich daran anschließende Schleife
wird für
die Gesamtheit aller E/A-Leitungen 5 nur solange wiederholt,
bis die allgemeine Laufvariable I einen größeren Wert annimmt als durch
die maximale Anzahl der N E/A-Leitungen 5 vorgegeben ist.
Die allgemeine Laufvariable I erhöht sich bei jedem Schleifendurchlauf
um den Wert eins. Innerhalb der Schleife werden dann alle Richtungsregister
IOR der N E/A-Leitungen 5 auf
den Wert null gesetzt.
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Die
in den 6 bis 8 beschriebene Abbruchbedingung
ist eine Abbruchbedingung vor dem Durchlaufen der Schleife. Es versteht
sich von selbst, dass die Abbruchbedingung auch nach dem Durchlaufen
der Schleife in die betreffende Routine 8.1 bis 8.3 implementiert
werden kann.
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9 illustriert
einen Programmablaufplan einer vierten Subroutine zum Ermitteln
des Tastenindexes INDEX. Zunächst
wird die Zwischenvariable OFFSET zur Berechnung des Tastenindexes
INDEX auf den Wert null und die allgemeine Laufvariable I auf den
Wert eins gesetzt. Die sich daran anschließende Schleife wird nur solange
wiederholt, bis die allgemeine Laufvariable I den Wert der Laufvariable LI
für den
Input oder den Wert für
die Laufvariable LO für
den Output erreicht. Die allgemeine Laufvariable I erhöht sich
bei jedem Schleifendurchlauf um den Wert eins. Der aktuelle Wert
der Zwischenvariablen OFFSET ergibt sich aus der Summe des Wertes
der Zwischenvariablen OFFSET des vorangegangenen Schleifendurchlaufs
und der dem Schleifendurchlauf zugeordneten Wert der E/A-Leitung 5,
welcher um den Wert der Laufvariable I vermindert ist. Mit dem Erreichen
der zuvor genannten Abbruchbedingung für die Schleife erfolgt nachfolgend
ein Vergleich zwischen den Werten der Laufvariablen LO für den Output
und der Laufvariablen LI für
den Input. In Abhängigkeit
des Ergebnisses der Prüfung
wird der Tastenindex INDEX wie folgt ermittelt: Für den Fall,
dass die Laufvariable LI einen größeren Wert als die Laufvariable
LO aufweist, ermittelt sich der Tastenindex aus der Summe des Wertes
der aktuellen Zwischenvariablen OFFSET und der Differenz der Werte
der Laufvariablen LI und LO. Für
den umgekehrten Fall, also dass die Laufvariable LO einen größeren Wert
als die Laufvariable LI annimmt, wird der kleiner Wert der Laufvariable
LI von dem größeren Wert
der Laufvariable LO abgezogen und zum Wert der aktuellen Zwischenvariablen
OFFSET summiert.
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Zusammenfassend
kann festgestellt werden, dass durch Verwendung von Vorwiderständen 7,
die seriell zu den Schaltelementen 4 der zugehörigen Schaltleitungen 6 angeordnet
sind, die Anzahl der benötigten
E/A-Leitungen 5 zum Detektieren einzeln oder gleichzeitig
betätigter
Schaltelemente 4 verringert werden konnte.
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- 1
- Mikrocontroller
- 2
- elektrische
Spannungsquelle
- 3
- Abschlusswiderstände der
Eingangs- und Ausgangsleitungen (E/A-
-
- Leitung)
- 3.1
bis 3.N
- Abschlusswiderstände
- 4
- Schaltelemente
der Schaltleitungen
- 4.1
bis 4.K
- Schaltelemente/Tasten
- 5
- Gruppe
der E/A-Leitungen des Mikrocontrollers
- 5.1
bis 5.N
- E/A-Leitungen
- 6
- Gruppe
der Schaltleitungen
- 6.1
bis 6.K
- Schaltleitungen
- 7
- Vorwiderstände der
Schaltleitungen
- 7.1
bis 7.K
- Vorwiderstände
- 8
- Routine
zur Detektion von Schaltzuständen
- 8.1
- Subroutine-Tastenstatusbits
- 8.2
- Subroutine-Ausgangsregister
- 8.3
- Subroutine-Richtungsregister
- 8.4
- Subroutine-Tastenindex
- 9
- Masse
