Открыть сервис
Главная → Блог → Матрица клавиш

Матрица клавиш

Матрица клавиш — это схема электрических соединений проводников, применяемая в клавиатурах, пультах управления, кнопочных панелях и других устройствах ввода для уменьшения количества необходимых контактов микроконтроллера или контроллера при опросе большого числа переключателей (клавиш). Вместо того чтобы подключать каждую клавишу отдельным проводом к отдельному выводу микросхемы, клавиши организуются в виде сетки, образованной пересекающимися строками (рядами) и столбцами (колонками). Каждая клавиша располагается на пересечении одной строки и одного столбца.

Принцип работы

Основная идея матрицы заключается в последовательном опросе (сканировании) строк или столбцов. Микроконтроллер подаёт сигнал (обычно логический ноль) на одну из строк и считывает состояние всех столбцов. Если в данный момент на пересечении активной строки и какого-либо столбца клавиша нажата, цепь замыкается, и на соответствующем столбце появляется сигнал. Затем микроконтроллер переключается на следующую строку, повторяя процесс. Поскольку опрос происходит очень быстро (со скоростью, значительно превышающей скорость нажатия клавиш человеком), создаётся иллюзия одновременного считывания всех клавиш.

Методы сканирования

Существует два основных подхода к организации сканирования:

  • Пассивное сканирование (метод опроса). Микроконтроллер поочерёдно подаёт низкий уровень на каждую строку, а на столбцы подаёт высокий уровень через подтягивающие резисторы. При нажатии клавиши ток начинает течь от столбца к строке, и на столбце фиксируется низкий уровень. Это наиболее распространённый метод в простых клавиатурах.
  • Активное сканирование (метод прерываний). Используется реже. В этом режиме строки и столбцы могут быть сконфигурированы как входы с прерыванием. Нажатие клавиши вызывает прерывание, которое запускает процедуру определения координат. Этот метод позволяет экономить энергию, так как микроконтроллер может находиться в спящем режиме до нажатия.

История

Идея матричного соединения переключателей восходит к ранним электромеханическим системам, таким как телефонные станции, где для коммутации линий использовались координатные соединители (крестовые искатели). В электронике метод стал широко применяться с появлением микропроцессоров и микроконтроллеров в 1970-х годах. Первые компьютерные клавиатуры, такие как клавиатура IBM PC/XT (1981 год), использовали матричную схему, что позволяло подключать 83 клавиши к 16-контактному разъёму. С тех пор матрица клавиш остаётся стандартом для большинства устройств ввода, от калькуляторов до современных механических клавиатур.

Устройство и компоненты

Типичная матрица клавиш состоит из следующих элементов:

  • Проводящие дорожки (строки и столбцы). Обычно изготавливаются из меди или углеродистой пасты на печатной плате (PCB) или гибкой плёнке (мембранные клавиатуры).
  • Переключатели (клавиши). В механических клавиатурах — это отдельные механические переключатели (например, Cherry MX, Kailh). В мембранных — куполообразные резиновые колпачки с токопроводящим слоем. В ёмкостных — изменение ёмкости при нажатии.
  • Диоды защиты. В большинстве современных матриц (особенно в механических клавиатурах) на каждую клавишу устанавливается диод. Его задача — предотвратить возникновение паразитных токов (ghosting) при одновременном нажатии нескольких клавиш.
  • Подтягивающие резисторы. Резисторы, подключённые к линиям столбцов (или строк) к шине питания, обеспечивающие определённый логический уровень при отсутствии нажатия.
  • Микроконтроллер (MCU). Чип, который управляет процессом сканирования, обрабатывает сигналы и передаёт данные о нажатиях на хост-устройство (компьютер) через интерфейсы USB, PS/2, Bluetooth и т.д.

Классификация и виды

Матрицы клавиш можно классифицировать по нескольким признакам:

По типу переключателей

  • Механические. Используют отдельные механические переключатели. Обеспечивают высокую тактильную отдачу, долговечность (50–100 млн нажатий) и возможность замены. Популярны среди геймеров и энтузиастов.
  • Мембранные. Представляют собой три слоя плёнки: верхний с контактами, нижний с дорожками и разделительный с отверстиями. При нажатии верхний слой прогибается и замыкает цепь. Дешёвые, но менее долговечные (5–10 млн нажатий) и с плохой тактильной обратной связью.
  • Ножничные (Scissor-switch). Подтип мембранных, где для стабилизации клавиши используется механизм «ножницы». Часто применяются в ноутбуках и тонких клавиатурах.
  • Ёмкостные. Измеряют изменение ёмкости при нажатии. Не имеют физического контакта, что обеспечивает высокую надёжность и защиту от пыли. Используются в дорогих промышленных клавиатурах и некоторых моделях (например, Topre).

По способу обработки сигнала

  • Простые (без диодов). Дешёвые, но подвержены эффекту «призрачного нажатия» (ghosting) — когда одновременное нажатие трёх и более клавиш приводит к ложному срабатыванию четвёртой.
  • С диодной развязкой (N-Key Rollover, NKRO). Каждая клавиша имеет диод, что позволяет корректно обрабатывать любое количество одновременных нажатий. Стандарт для современных геймерских клавиатур.
  • Матрицы с мультиплексорами. Для уменьшения количества выводов микроконтроллера используются мультиплексоры (например, 74HC138), которые позволяют сканировать до 64 клавиш, используя всего 6–8 выводов.

Применение

Матрицы клавиш используются повсеместно:

  • Компьютерные клавиатуры (проводные и беспроводные).
  • Клавиатуры ноутбуков и нетбуков.
  • Пульты дистанционного управления (телевизоры, кондиционеры).
  • Панели управления в бытовой технике (микроволновые печи, стиральные машины, кофеварки).
  • Промышленные пульты и терминалы.
  • Музыкальные инструменты (синтезаторы, MIDI-контроллеры).
  • Игровые контроллеры и аркадные автоматы.
  • Системы безопасности (кодовые замки, домофоны).

Преимущества и недостатки

Преимущества

  • Экономия выводов микроконтроллера. Для опроса 64 клавиш требуется всего 16 выводов (8 строк + 8 столбцов), а не 64.
  • Упрощение трассировки печатной платы. Меньше проводников, что снижает стоимость и размер платы.
  • Возможность реализации NKRO (при использовании диодов).
  • Масштабируемость. Легко добавлять клавиши, увеличивая количество строк и столбцов.

Недостатки

  • Эффект «призрачного нажатия» (ghosting) в дешёвых матрицах без диодов. Возникает, когда нажатие трёх клавиш, образующих прямоугольник, приводит к ложному срабатыванию четвёртой.
  • Эффект «дребезга» (bouncing). При нажатии механический контакт может многократно замыкаться и размыкаться в течение нескольких миллисекунд. Требуется программная или аппаратная антидребезговая фильтрация.
  • Сложность реализации NKRO в беспроводных устройствах из-за ограничений пропускной способности канала связи (например, Bluetooth).
  • Зависимость от времени сканирования. При большом количестве клавиш и низкой частоте опроса может возникать задержка ввода.

Интересные факты

  • Первая компьютерная клавиатура с матричной схемой, использующая диоды для предотвращения ghosting, была разработана для компьютера Apple II в 1977 году.
  • В современных игровых клавиатурах часто используется частота опроса (polling rate) 1000 Гц, что означает, что матрица сканируется каждую миллисекунду.
  • Некоторые производители (например, Wooting) используют аналоговые матрицы, где измеряется не только факт нажатия, но и сила нажатия (аналоговый ввод).
  • В клавиатурах с ёмкостными переключателями Topre используется гибридная технология: матрица сканируется электрически, но сам переключатель работает на основе изменения ёмкости, а не замыкания контактов.

Источники

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →

Похожие материалы