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Fachartikel: Voll in die Tasten! Universelle, frei programmierbare Tastaturcontroller

Veröffentlichung in der Fachzeitschrift Design&Elektronik

Autor: Dipl.-Phys. Gert Breidenbach ist Leiter Entwicklung und Marketing bei GeBE Elektronik und Feinwerktechnik GmbH in Germering bei München
Universelle, frei programmierbare Tastaturcontroller - die Alleskönner
Industrielle Folientastaturen
Die Anwendung von PCs in der Industrie zur Lösung von Steuerungsaufgaben erfordert den Anschluss spezieller Tastenordnungen zur Bedienung der Maschinen. Oft sollen bei möglichst kleiner Tastenanzahl in zwei Ebenen verschiedene Funktionen, z.B. zur Konfiguration und zur anschliessenden Routinebedienung, realisiert werden. Dabei will man natürlich beim PC auf die Standardanschlussmöglichkeiten und -tastaturtreiber zurückgreifen können. Immer mehr setzt sich auch bei Tastaturfunktionen neben der etablierten PS/2 Schnittstelle der USB-Bus durch. Er ist die kommende, flexible Einkabelverbindung, an die zugleich mehrere periphere Geräte angeschlossen werden können. Bei industriellen Tastaturanwendungen sind die Fertigungsstückzahlen meist nicht hoch, so dass die spezielle Integration eines Tastaturcontrollers mit nur einer Schnittstellenmöglichkeit wenig ratsam erscheint. Auch kann durch einem universell einsetzbaren Controller bei der Anwendung in verschiedenen Projekten eine gewisse Hardwarestandardisierung eingeführt werden. In diesem Sinne birgt die Trennung von Tastaturplatine und Controllerplatine einige Vorteile. Diesen Umständen und dem deutlch erkennbaren Trend zum USB-Bus trägt GeBE Rechnung und bietet auf dem Markt die universell einsetzbare Tastaturcontrollerserie GCK-980 an. Wesentliche Merkmale sind die Kompatibilität zu PS/2, USB und ADB (Apple Macintosh) , sowie die Möglichkeit zusätzlich zu einer Tastenmatrix auch einen Trackball und - bei Verwendung der PS/2 Schnittstelle - über eine integrierte Weiche eine zusätzliche PS/2 Tastatur anschliessen zu können. Der vorliegende Beitrag beschreibt die Funktionen der frei programmierbaren GeBE Tastaturcontroller und ihre verschiedenen Einsatzmöglichkeiten.
Übersichtlicher Aufbau
In 8 Reihen und 16 Spalten können von einer bis zu 128 Tasten über den Tastaturcontroller GCK-982 von GeBE direkt PC-kompatibel an den Host angeschlossen werden (siehe Bild 2 Blockschaltung). Dabei lassen sich in der Tastenmatrix praktisch alle gängigen Metall- sowie Folien- und Leitgummikontakte mit Kontaktwiderständen kleiner 200 Ohm einsetzen. Dabei wird der N-Key-Rollover-Mode, bei dem nacheinander gedrückte und dann gleichzeitig geschlossene Tasten alle getrennt erkannt werden, störungsfrei möglich, indem zur Vermeidung von Schattentasten Entkoppelungsdioden vorgesehen werden.
Die "Blocktaste" ermöglicht eine zweite, virtuelle Tastenebene
Eine der angeschlossenen Tasten kann als die sogenannte "Blocktaste" deklariert werden. Mit Hilfe dieser Taste wird eine zweite, virtuelle Tastaturebene eröffnet, so dass praktisch mit der gleichen Tastenanordnung zwei unabhängige Tastaturen dargestellt werden. Dieses wird ausschließlich von der auf dem Tastaturcontroller laufenden Software bewerkstelligt. Durch Drücken der Blocktaste schaltet der Controller in die andere Tastenebene um. Der Tastaturtreiber im Host bleibt davon unberührt und interpretiert alle über die Schnittstelle gesendeten Signale so, als würden sie von nur einer Tastatur herrühren. Da der im Host vorhandene Tastaturtreiber annimmt, es sei eine Standardtastatur angeschlossen, ist zu beachten, dass die im Standardlayout einer PC-Tastatur festgelegte Mehrfachbelegungen einer Taste auch in der frei programmierbaren Tastenanordnung -- also auch in der zweiten Blockebene -- erhalten bleiben. In diesem Sinne kann die zweite Tastaturebene, die nach der Installation der "Block-Taste" erreichbar ist, auch in gewissem Umfang helfen, diese starre Zuordnung auf einer Taste zu umgehen, ohne dass der Tastaturtreiber im PC umgeschrieben werden muss.
Voll bestückter Controller für die Entwicklung
In der bei GeBE lieferbaren Standardbestückung besitzt der Controller GCK-982-USB-O-EVAL eine 99polige Stiftleiste, an die bereits bestehende Tastaturmatrixen mit verschiedenster Orientierung der Anschlüsse -- Reihen und Spalten wechseln miteinander ab oder sind in Gruppen von Spalten und Reihen auf den Anschlusskabeln angeordnet -- übersichtlich angeschlossen werden können. Treiber für 3 Leuchtdioden zur Anzeige der Funktionen CAPS-LOCK, NUM-LOCK, SCROLL-LOCK sind vorhanden.
Freie Programmierbarkeit mit Hilfe eines PC Programms
Alle auf einer Standard PC Tastatur befindlichen Tasten, auch die mit besonderer Bedeutung, wie beispielsweise SHIFT, CONTROL, NUM-LOCK, RETURN u.s.w. sind in der Tastenmatrix frei wählbar. Die Programmierung erfolgt mit Hilfe eines PC-Programms über die USB Schnittstelle in einem auf dem Controller befindlichen EEPROM. Dabei wird auf dem PC die der Tastenanordnung entsprechende Tabelle mit den eindeutigen Usage-Codes für USB generiert. Aus der EEPROM Tabelle entnimmt der Controller die für USB gültige Tastencodierung. Ist der Controller über USB oder eine PS/2- bzw. ADB-Schnittstelle (Apple) an den Host angeschlossen, wird dies vom Controller automatisch erkannt. Dann werden die ermittelten USB-Usage-Codes in die entsprechenden Codierungen umgesetzt.
Hilfreiche Strings
Auf den Tastenpositionen können auch Strings derart abgespeichert werden, dass mit einem Tastendruck Tastenbetätigungsfolgen mit bis zu 8 Anschlägen abgesendet werden. In einem umfangreichen Manual sind die Programmierprozeduren ausführlich beschrieben. Zur Unterstützung bei der Entwicklung liefert GeBE das PC-Programm auf Diskette.
Archivieren und Downloaden vom PC, Programmierservice
Die einmal erstellten Tastaturprogrammierungen können im PC archiviert und von dort während einer Serienproduktion in weitere Tastaturcontroller kopiert werden. GeBE bietet seinen Kunden auch den vollständigen Programmierservice an, so dass vom Anwender nur die gewünschte Matrixbelegung festgelegt werden muss. Auch verwendet GeBE die Controller in kundenspezifischen Applikationen und im eigenen Produktspektrum.
Mausfunktionen
Die Hardware des Controllers GCK-982 kann durch entsprechende Bestückung für zwei verschiedene Cursorsteuerfunktionen konfiguriert werden, nämlich für einen mit Quadraturausgang versehenen (optischen) Trackball und einen Mikro-Joystick (Versa Point). Für USB und ADB Anwendungen werden diese Funktionen vorteilhaft mit in den BUS-Anschluss eingeschleift, so dass der Controller mit Mausersatzfunktion an den Host über USB oder ADB nur mit einem Kabel angeschlossen wird. Für konventionelle PCs wird die Tastaturfunktion des Controllers über ein PS/2 Kabel realisiert und die Mausersatzfunktion entweder über ein PS/2 Anschlusskabel oder über ein serielles RS232 Schnittstellenkabel angeschlossen.
Weiche
Vorteilhaft ist, dass die PS/2 Tastaturschnittstelle zusätzlich über eine Weichenfunktion verfügt. Über einen zusätzlichen Steckverbinder kann, von aussen kommend, eine weitere, komplette PS/2 Tastatur angeschlossen werden, so dass z.B.bei der PS/2-Version eine Erweiterung mit separatem Nummernblock möglich wird.
Andere frei programmierbare Tastaturkontroller mit Teach-In
Weiterhin bietet GeBE die zur Serie GCK-980 mechanisch kompatible, frei programmierbare Tastaturcontrollerserie GCK-972 an. Diese Controller sind sowohl für die Ansteuerung einer PS/2 Schnittstelle als auch für RS232 Anschluss vorbereitet. Ihre Vorteile liegen in der grösseren Stringlänge, die jeweils hinter eine Taste gelegt werden kann. Dabei können in die Strings sogar in der Länge programmierbare Pausen eingefügt werden, was zur Überbrückung von Programmaufrufzeiten hilfreich sein kann. Insbesondere dann, wenn man Arbeiten mit einem einzigen Tastendruck starten und durchführen will. Ausserdem ist der Programmieraufwand bei diesen Controllern gering, weil sie über umfangreiche Hilfen zur Programmierung verfügen. Das implementierte Teach-In-Verfahren vereinfacht die Programmierprozedur wesentlich, weil auf Spezialkenntnisse bei der Erstellung der Programmierung verzichtet werden kann. Das Teach-In-Verfahren stützt sich lediglich auf die Anwendung einer zusätzlichen Standard-PC-Tastatur. Auch sind die Controller zur Vervielfältigung der Programmierung mit einem Stand-Alone-Kopieralgorithmus ausgestattet. Nähere Beschreibung siehe unter www.tastaturen.com.
GeBE passt die Hardware kundenspezifisch an
Werden Tastaturen in bestimmten mechanischen Formen oder auch grösseren Stückzahlen benötigt, bietet sich die Möglichkeit den Bauteileaufwand auf das Nötigste zu reduzieren und die Schaltung z.B. direkt in die Tastaturplatine , auf der sich auch die Tasten befinden, zu integrieren. Dies ist z.B.bei der folienabgedeckten Industrietastatur GFK-97 von GeBE der Fall, die zwar heute noch überwiegend mit PS/2 Anschlüssen eingesetzt wird, aber andererseits auch als USB-Version geliefert werden kann, ohne dass eine andere Hardware eingebaut werden müsste.