Технология компьютерных клавиатур включает в себя множество элементов. Среди наиболее важных из них — технология переключения , которую они используют. Компьютерные буквенно-цифровые клавиатуры обычно имеют от 80 до 110 надежных переключателей, обычно по одному на каждую клавишу. Выбор технологии переключения влияет на реакцию клавиши (положительную обратную связь о нажатии клавиши) и предварительный ход (расстояние, необходимое для нажатия клавиши для надежного ввода символа). Виртуальные клавиатуры на сенсорных экранах не имеют физических переключателей и вместо этого обеспечивают звуковую и тактильную обратную связь . В некоторых новых моделях клавиатур используются гибриды различных технологий для достижения большей экономии средств или лучшей эргономики .
Современная клавиатура также включает в себя процессор управления и световые индикаторы, которые сообщают пользователю (и центральному процессору ) о том, в каком состоянии находится клавиатура. Технология Plug-and-play означает, что ее раскладка «из коробки» может быть изменена. уведомляется в систему, что делает клавиатуру немедленно готовой к использованию без необходимости дальнейшей настройки, если пользователь того не пожелает.
Существует два типа мембранных клавиатур: плоские мембранные клавиатуры и мембранные клавиатуры с полным ходом:
Плоские мембранные клавиатуры чаще всего встречаются в таких приборах, как микроволновые печи или копировальные аппараты . Обычная конструкция состоит из трех слоев. На верхнем слое напечатаны этикетки спереди и проводящие полосы на обратной стороне. Под ним имеется разделительный слой, который удерживает передний и задний слои отдельно друг от друга, чтобы они обычно не вступали в электрический контакт. Задний слой имеет проводящие полосы, напечатанные перпендикулярно полосам переднего слоя. Собранные вместе, полосы образуют сетку. Когда пользователь нажимает вниз в определенной позиции, его палец толкает передний слой вниз через разделительный слой, чтобы замкнуть цепь в одном из пересечений сетки. Это указывает компьютеру или процессору управления клавиатурой, что была нажата определенная кнопка.
Как правило, плоские мембранные клавиатуры не создают заметной физической обратной связи. Поэтому устройства, использующие их, издают звуковой сигнал или мигают светом при нажатии клавиши. Их часто используют в суровых условиях, где желательна защита от воды или протечек. Хотя они использовались на заре появления персональных компьютеров (на Sinclair ZX80 , ZX81 и Atari 400 ), они были вытеснены более тактильными куполообразными клавиатурами и клавиатурами с механическими переключателями.
Полноходовые мембранные клавиатуры сегодня являются наиболее распространенными компьютерными клавиатурами. У них есть цельные пластиковые плунжеры клавиатуры/переключателя, которые нажимают на мембрану, чтобы активировать контакт в матрице электрического переключателя.
Клавиатуры с купольным переключателем представляют собой гибрид плоской мембранной клавиатуры и клавиатуры с механическим переключателем. Они объединяют две дорожки печатной платы под резиновой или силиконовой клавиатурой, используя либо металлические «купольные» переключатели, либо купола из полиуретана . Металлические купольные переключатели представляют собой детали из нержавеющей стали, которые при сжатии дают пользователю четкую положительную тактильную обратную связь. Эти металлические типы купольных переключателей очень распространены, обычно выдерживают более 5 миллионов циклов и могут быть покрыты никелем, серебром или золотом. Переключатели с резиновым куполом, иногда называемые поликуполами, представляют собой купола из полиуретана, внутренний пузырь которых покрыт графитом.
Хотя поликуполы обычно дешевле металлических куполов, им не хватает четкости, как у металлических куполов, и обычно они имеют меньший срок службы. Поликуполы считаются очень тихими, но пуристы склонны находить их «мягкими», потому что разрушающийся купол не дает такого четкого и положительного отклика, как металлические купола. Как для металлических, так и для многокупольных куполов при нажатии клавиши купол схлопывается, что соединяет две дорожки цепи и завершает соединение для ввода символа. Рисунок на плате ПК часто позолочен.
Обе технологии являются распространенными технологиями переключения, которые сегодня используются в клавиатурах массового рынка. Этот тип технологии переключателей чаще всего используется в портативных контроллерах, мобильных телефонах, автомобилях, бытовой электронике и медицинских устройствах. Клавиатуры с купольным переключателем также называются клавиатурами с прямым переключателем.
Особым случаем купольного переключателя компьютерной клавиатуры является ножничный переключатель. Клавиши прикреплены к клавиатуре с помощью двух пластиковых деталей, которые сцепляются по принципу «ножниц» и прикрепляются к клавиатуре и клавише. В ней по-прежнему используются резиновые купола, но специальный пластиковый механизм «ножницы» соединяет колпачок клавиатуры с поршнем, который нажимает на резиновый купол с гораздо более коротким ходом, чем у типичной клавиатуры с резиновым куполом. Обычно в клавиатурах с ножничным переключателем в качестве электрического компонента переключателя также используются трехслойные мембраны. Они также обычно имеют более короткий общий ход клавиш (2 мм вместо 3,5–4 мм для стандартных купольных переключателей). Этот тип переключателя часто встречается на встроенных клавиатурах ноутбуков и клавиатурах, продаваемых как «низкопрофильные». Эти клавиатуры, как правило, бесшумны, и для нажатия клавиш требуется небольшое усилие.
Клавиатуры с ножничным переключателем обычно немного дороже. Их труднее чистить (из-за ограниченного движения клавиш и множества точек их крепления), но в них с меньшей вероятностью попадет мусор, поскольку промежутки между клавишами часто меньше (поскольку нет необходимости в дополнительном пространстве для размещения «покачивание» клавиши, как это обычно бывает на мембранной клавиатуре). [1]
Клавиатуры из гибкого силикона или полиуретана можно свернуть в связку. Если плотно сложить клавиатуру, это может привести к повреждению внутренних мембранных цепей. Когда они полностью запечатаны резиной, они водонепроницаемы. Складные клавиатуры обеспечивают относительно небольшую тактильную отдачу, а силикон имеет тенденцию притягивать грязь, пыль и волосы.
В клавиатуре этого типа нажатие клавиши изменяет емкость рисунка контактных площадок конденсатора. Рисунок состоит из двух D-образных площадок конденсатора для каждого переключателя, напечатанных на печатной плате (PCB) и покрытых тонкой изолирующей пленкой паяльной маски , которая действует как диэлектрик .
Несмотря на сложность концепции, механизм емкостного переключения физически прост. Подвижная часть заканчивается плоским пенопластовым элементом размером с таблетку аспирина , покрытым алюминиевой фольгой. Напротив переключателя находится печатная плата с контактными площадками конденсатора. При нажатии клавиши фольга плотно прилегает к поверхности печатной платы, образуя шлейф из двух конденсаторов между контактными площадками и сама разделяясь тонкой паяльной маской, и тем самым «закорачивая» контактные площадки с легко обнаруживаемым падением емкостного напряжения . реактивное сопротивление между ними. Обычно это позволяет распознать импульс или последовательность импульсов. Поскольку переключатель не имеет реального электрического контакта, устранение дребезга не требуется.
Для активации клавиш не требуется полностью нажимать, что позволяет некоторым людям печатать быстрее. Датчик сообщает достаточно информации о положении клавиши, чтобы пользователь мог настроить точку срабатывания (чувствительность клавиши). Эту настройку можно выполнить с помощью прилагаемого программного обеспечения и индивидуально для каждой клавиши, если таковая реализована. [2] Клавиатура, использующая эти возможности, включает Realforce RGB.
Клавиатура IBM Model F представляет собой конструкцию с механическими клавишами, состоящую из изгибающейся пружины над емкостной печатной платой, аналогичную более поздней клавиатуре Model M, в которой вместо печатной платы использовалась мембрана.
В конструкции переключателей Topre Corporation используется коническая пружина под резиновым куполом . Купол обеспечивает сопротивление, а пружина обеспечивает емкостное действие. [3]
Каждая клавиатура такого типа содержит отдельный переключатель для каждой клавиши. Переключатель этого типа состоит из корпуса, пружины и ползунка, а иногда и других частей, таких как отдельная тактильная створка или панель щелчка. Эти переключатели выпускаются в трех вариантах: «линейные» с постоянным сопротивлением, «тактильные» с неслышимым тактильным ударом и «щелкающие» с тактильным откликом и слышимым щелчком. [4] [5]
В зависимости от механизма переключателю требуется различное давление для срабатывания (точка активации, при которой клавиша распознается клавиатурой) и для достижения нижнего предела (полное расстояние хода). Форма ползуна, а также конструкция корпуса переключателя изменяют дальность срабатывания и перемещения переключателя.
Звук можно изменить с помощью материала пластины, корпуса, смазки, профиля клавиатуры и даже модификации отдельного переключателя. Эти модификации, или «модификации», включают нанесение смазки для уменьшения трения, вставку «переключающих пленок» для уменьшения раскачивания между верхним и нижним корпусами, замену внутренней пружины для изменения сопротивления нажатия клавиш и многое другое. [6]
Механические клавиатуры обычно имеют более длительный срок службы, чем клавиатуры с мембраной или купольным переключателем. [7]
Крупнейшим производителем дискретных переключателей является компания Cherry , которая производит семейство переключателей Cherry MX с 1980-х годов. Система цветового кодирования переключателей Cherry по категориям была скопирована другими производителями переключателей, такими как Gateron и Kailh, среди многих других. [8] [9]
Клавиатуры, в которых используется эта технология, обычно называются «механическими клавиатурами», но не существует общепринятого четкого определения этого термина. [10]
Клавиатуры с возможностью горячей замены — это клавиатуры, переключатели которых можно вынимать и заменять без необходимости обычного паяного соединения. [11] [12] Вместо припаивания переключателя к печатной плате клавиатуры припаиваются разъемы для горячей замены . Розетки с возможностью горячей замены позволяют пользователям опробовать различные переключатели, не имея при этом инструментов или знаний, необходимых для пайки.
Пружинный механизм ( патент США № 4,118,611 с истекшим сроком действия ) наверху переключателя отвечает за щелкающий отклик клавиатуры. Этот механизм управляет небольшим молотком, который ударяет по емкостному или мембранному переключателю. [13]
В 1993 году, через два года после создания Lexmark , IBM передала производство клавиатур дочерней компании. Новые клавиатуры модели M продолжали производиться для IBM компанией Lexmark до 1996 года, когда была основана Unicomp и приобрела патенты на клавиатуры и инструментальное оборудование для продолжения производства.
IBM продолжала производить модели M на своем заводе в Шотландии до 1999 года .
В клавиатурах с эффектом Холла вместо переключателей с механическими контактами используются магниты и датчики Холла . Когда клавиша нажата, она перемещает магнит, который обнаруживается полупроводниковым датчиком. Поскольку для срабатывания клавиатуры с эффектом Холла не требуется физического контакта, они чрезвычайно надежны и могут выдерживать миллионы нажатий клавиш, прежде чем выйдут из строя. Они используются в приложениях сверхвысокой надежности, таких как атомные электростанции, кабины самолетов и критически важные промышленные среды. Их можно легко сделать полностью водонепроницаемыми и устойчивыми к большому количеству пыли и загрязнений. Поскольку для каждой клавиши требуются магнит и датчик, а также специальная управляющая электроника, их производство дорого.
Выключатель холла работает через магнитные поля. Внутри каждого переключателя закреплен небольшой магнит. Когда электричество проходит через основную цепь, оно создает магнитный поток. При каждом нажатии клавиши интенсивность магнитного поля меняется. Это изменение фиксируется схемой, и датчики отправляют информацию на материнскую плату. [15]
Лазерное проекционное устройство размером примерно с компьютерную мышь проецирует контуры клавиш клавиатуры на плоскую поверхность, например стол или письменный стол. Клавиатура этого типа достаточно портативна, чтобы ее можно было легко использовать с КПК и мобильными телефонами, а многие модели имеют убирающиеся шнуры и возможность беспроводной связи. Однако внезапное или случайное отключение лазера приведет к регистрации нежелательных нажатий клавиш. Кроме того, если лазер выйдет из строя, все устройство станет бесполезным, в отличие от обычных клавиатур, которыми можно пользоваться, даже если снять различные части (например, колпачки клавиш). Использование клавиатуры этого типа может быть неприятным, поскольку она подвержена ошибкам даже при обычном наборе текста, а полное отсутствие тактильной обратной связи делает ее еще менее удобной для пользователя, чем мембранные клавиатуры самого низкого качества.
Также известна как фотооптическая клавиатура, светочувствительная клавиатура, фотоэлектрическая клавиатура и технология обнаружения нажатия оптических клавиш.
Технология оптической клавиатуры была представлена в 1962 году Харли Э. Келшнером для использования в пишущей машинке с целью снижения шума, создаваемого при нажатии клавиш пишущей машинки.
Технология оптической клавиатуры использует светоизлучающие устройства и фотодатчики для оптического обнаружения нажатых клавиш. Чаще всего излучатели и датчики располагаются по периметру и монтируются на небольшой печатной плате . Свет направлен из стороны в сторону внутренней части клавиатуры, и его можно заблокировать только нажатыми клавишами. Большинству оптических клавиатур требуется как минимум два луча (чаще всего вертикальный и горизонтальный луч) для определения нажатой клавиши. В некоторых оптических клавиатурах используется специальная структура клавиш, которая блокирует свет определенным образом, позволяя использовать только один луч на ряд клавиш (чаще всего горизонтальный луч).
Механизм оптической клавиатуры очень прост – световой луч направляется от излучателя к приёмному датчику, а нажимаемая клавиша блокирует, отражает , преломляет или иным образом взаимодействует с лучом, в результате чего получается идентифицируемая клавиша.
Некоторые более ранние оптические клавиатуры были ограничены по своей конструкции и требовали специального корпуса для блокировки внешнего света, не поддерживалась функциональность нескольких клавиш, а конструкция была сильно ограничена толстым прямоугольным корпусом.
Преимущества технологии оптической клавиатуры заключаются в том, что она представляет собой настоящую водонепроницаемую клавиатуру, устойчивую к пыли и жидкостям; и он использует около 20% объема печатной платы по сравнению с клавиатурами с мембранными или купольными переключателями, что значительно сокращает электронные отходы . Дополнительные преимущества технологии оптической клавиатуры перед другими технологиями клавиатуры, такими как клавиатуры с эффектом Холла, лазерные, сворачивающиеся и прозрачные клавиатуры, заключаются в стоимости (клавиатура с эффектом Холла) и ощущениях – технология оптической клавиатуры не требует различных механизмов клавиш и тактильного ощущения набор текста оставался неизменным на протяжении более 60 лет.
В специальной клавиатуре DataHand используется оптическая технология для распознавания нажатия клавиш с помощью одного светового луча и датчика на каждую клавишу. Клавиши удерживаются в исходном положении магнитами ; когда магнитная сила преодолевается для нажатия клавиши, оптический путь разблокируется и нажатие клавиши регистрируется.
При нажатии клавиши она несколько раз колеблется ( отскакивает ) от своих контактов, прежде чем успокоиться. После отпускания он снова колеблется, пока не остановится. Хотя это происходит в масштабе, слишком маленьком, чтобы его можно было увидеть невооруженным глазом, этого может быть достаточно, чтобы зарегистрировать несколько нажатий клавиш.
Чтобы решить эту проблему, процессор клавиатуры устраняет дребезг нажатий клавиш, усредняя сигнал по времени, чтобы произвести одно «подтвержденное» нажатие клавиши, которое (обычно) соответствует одному нажатию или отпусканию. Ранние мембранные клавиатуры имели ограниченную скорость набора текста, поскольку им приходилось значительно устранять дребезг. Это была заметная проблема на ZX81 . [ нужна цитата ]
Колпачки клавиш используются на клавиатурах с полным ходом. Хотя современные колпачки для клавиш обычно имеют поверхностную печать, они также могут быть отлиты двойным способом , маркированы лазером , напечатаны сублимационной краской , выгравированы или изготовлены из прозрачного материала с печатными бумажными вставками. Существуют также колпачки для клавиш, в которых используются тонкие оболочки, надеваемые на основания клавиш, которые использовались на нескольких клавиатурах IBM PC.
Переключатели позволяют снимать и заменять колпачки клавиш с обычным типом стержня.
Почти все клавиатуры, на которых используются клавиши длиной 2 или более единицы (например, обычный пробел или клавиша ввода), используют стабилизаторы. Для уменьшения дребезжания компонентов можно использовать различные смазочные материалы и методы набивки.
Современная клавиатура ПК обычно включает в себя процессор управления и световые индикаторы, информирующие пользователя о том, в каком состоянии находится клавиатура. В зависимости от сложности программирования контроллера клавиатура может также предлагать другие специальные функции. Процессор обычно представляет собой однокристальный вариант микроконтроллера 8048 . Матрица переключателей клавиатуры подключена к ее входам, обрабатывает входящие нажатия клавиш и отправляет результаты по последовательному кабелю (шнуру клавиатуры) на приемник в главном корпусе компьютера. Он также управляет подсветкой индикаторов « caps lock », « num lock » и « scroll lock ».
Обычный тест на то, вышел ли компьютер из строя, — это нажатие клавиши «Caps Lock». Клавиатура отправляет код клавиши драйверу клавиатуры , работающему на главном компьютере; если главный компьютер работает, он дает команду на включение света. Все остальные индикаторы работают аналогично. Драйвер клавиатуры также отслеживает состояние Shift , Alt и управления клавиатурой.
Матрица переключателя клавиатуры часто изображается с горизонтальными и вертикальными проводами в сетке, которая называется матричной схемой . Он имеет переключатели на некоторых или всех перекрестках, подобно мультиплексному дисплею .
Почти все клавиатуры имеют только переключатель (но без диода) на каждом пересечении, что вызывает «призрачные клавиши» и «заедание клавиш» при нажатии нескольких клавиш ( опрокидывание ). Некоторые, часто более дорогие, клавиатуры имеют диод между каждым пересечением, что позволяет микроконтроллеру клавиатуры точно определять любое количество одновременно нажимаемых клавиш, не создавая ошибочных призрачных клавиш. [16]
Оптическое распознавание символов (OCR) предпочтительнее смены ключей для преобразования существующего текста, который уже записан, но не в машиночитаемом формате (например, книга, написанная на линотипе 1940-х годов). Другими словами, чтобы преобразовать текст из изображения в редактируемый текст (то есть строку кодов символов), человек может повторно набрать его или компьютер может посмотреть на изображение и определить, что представляет собой каждый символ. Технология оптического распознавания символов уже достигла впечатляющего состояния (например, Google Book Search ) и обещает больше в будущем.
Распознавание речи преобразует речь в машиночитаемый текст (то есть строку кодов символов). Эта технология также достигла продвинутого состояния и реализована в различных программных продуктах . Для некоторых целей (например, транскрипция медицинских или юридических диктантов; журналистика; написание эссе или романов) распознавание речи начинает заменять клавиатуру. Однако отсутствие конфиденциальности при подаче голосовых команд и диктовке делает этот вид ввода непригодным для многих сред.
Указывающие устройства можно использовать для ввода текста или символов в ситуациях, когда использование физической клавиатуры нецелесообразно или невозможно. Эти аксессуары обычно отображают символы на дисплее в макете, обеспечивающем быстрый доступ к наиболее часто используемым символам или комбинациям символов. Популярными примерами такого рода ввода являются Graffiti , Dasher и экранные виртуальные клавиатуры .
Известно, что незашифрованные клавиатуры Bluetooth уязвимы к краже сигнала для ввода ключей другими устройствами Bluetooth, находящимися в радиусе действия. Документально подтверждено, что беспроводные клавиатуры Microsoft 2011 года и более ранних версий имеют эту уязвимость. [17]
Регистрация нажатий клавиш (часто называемая кейлоггингом) — это метод захвата и записи нажатий клавиш пользователем. Хотя он может использоваться на законных основаниях для измерения активности сотрудников или правоохранительными органами для расследования подозрительной деятельности, он также используется хакерами для незаконных или злонамеренных действий. Хакеры используют кейлоггеры для получения паролей или ключей шифрования.
Регистрация нажатий клавиш может осуществляться как аппаратными, так и программными средствами. Аппаратные кейлоггеры подключаются к кабелю клавиатуры или устанавливаются внутри стандартных клавиатур. Программные кейлоггеры работают в операционной системе целевого компьютера и получают несанкционированный доступ к оборудованию, подключаются к клавиатуре с помощью функций, предоставляемых ОС, или используют программное обеспечение удаленного доступа для передачи записанных данных с целевого компьютера в удаленное место. Некоторые хакеры также используют снифферы беспроводных кейлоггеров для сбора пакетов данных, передаваемых с беспроводной клавиатуры и ее приемника, а затем взломают ключ шифрования, используемый для защиты беспроводной связи между двумя устройствами.
Антишпионские приложения способны обнаруживать многие кейлоггеры и удалять их. Ответственные поставщики программного обеспечения для мониторинга поддерживают обнаружение антишпионскими программами, предотвращая тем самым злоупотребление программным обеспечением. Включение брандмауэра само по себе не останавливает кейлоггеры, но может предотвратить передачу зарегистрированных материалов по сети, если они правильно настроены. Сетевые мониторы (также известные как обратные брандмауэры) можно использовать для оповещения пользователя всякий раз, когда приложение пытается установить сетевое соединение. Это дает пользователю возможность предотвратить « звонок домой » кейлоггера с введенной им информацией. Программы автоматического заполнения форм могут полностью предотвратить клавиатурный ввод, вообще не используя клавиатуру. Большинство кейлоггеров можно обмануть, чередуя ввод учетных данных для входа и ввод символов в другом месте окна фокуса. [18]
Известно также, что клавиатуры излучают электромагнитные сигнатуры, которые можно обнаружить с помощью специального шпионского оборудования, позволяющего восстановить нажатые на клавиатуре клавиши. Нил О'Фаррелл, исполнительный директор Совета по краже личных данных, рассказал InformationWeek, что «более 25 лет назад пара бывших шпионов показала мне, как они могут перехватить PIN-код банкомата пользователя из фургона, припаркованного через дорогу, просто захватывая и декодируя электромагнитные сигналы, генерируемые при каждом нажатии клавиши», — сказал О'Фаррелл. «Они могли даже фиксировать нажатия клавиш компьютеров в соседних офисах, но технология была недостаточно сложной, чтобы сосредоточиться на каком-либо конкретном компьютере». [19]
Использование любой клавиатуры может привести к серьезной травме (например, туннельному синдрому запястья или другим травмам, вызванным повторяющимися нагрузками ) кистей, запястий, рук, шеи или спины. [22] Риск травм можно снизить, делая частые короткие перерывы, чтобы встать и прогуляться пару раз в час. Пользователям также следует менять задачи в течение дня, чтобы избежать чрезмерного использования рук и запястий. При наборе текста на клавиатуре человек должен держать плечи расслабленными, локти отвести в сторону, а клавиатуру и мышь расположить так, чтобы не приходилось тянуться. Высоту стула и подставку для клавиатуры следует отрегулировать так, чтобы запястья были прямыми и не опирались на острые края стола. [23] При наборе текста не следует использовать подставку для запястий и рук. [24]
Некоторые адаптивные технологии , от специальных клавиатур, заменителей мыши и интерфейсов графических планшетов до программного обеспечения для распознавания речи, могут снизить риск травм. Программное обеспечение для паузы напоминает пользователю о необходимости частой паузы. Переключение на гораздо более эргономичную мышь, например, на вертикальную мышь или мышь-джойстик, может принести облегчение.
Используя сенсорную панель или стилус с графическим планшетом вместо мыши, можно уменьшить повторяющуюся нагрузку на руки и кисти. [25]
{{citation}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка )запястья не должны опираться на острые края стола.
... Переключение... на использование стилуса с графическим планшетом или трекпада, например...