Технология компьютерных клавиатур включает в себя множество элементов. Множество различных клавиатурных технологий было разработано для нужд потребителей и оптимизировано для промышленного применения. Стандартная полноразмерная (100%) компьютерная буквенно-цифровая клавиатура обычно использует от 101 до 105 клавиш; Клавиатуры, встроенные в портативные компьютеры , обычно менее совершенны.
Виртуальные клавиатуры , доступ к которым в основном осуществляется через интерфейс сенсорного экрана, не имеют физических переключателей и вместо этого обеспечивают искусственный звук и тактильную обратную связь . Такая разновидность клавиатуры может оказаться полезной, поскольку она не ограничена жесткостью физических компьютерных клавиатур.
Большинство современных клавиатур имеют 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 получать уведомление в систему, что делает клавиатуру немедленно готовой к использованию без необходимости дальнейшей настройки, если пользователь того не пожелает. Это также позволяет производить стандартные клавиатуры для различных языковых рынков, которые отличаются только символами, выгравированными на клавиатуре.
_--_membrane_assembly_4.jpg/1280px-AppleDesign_Keyboard_(NMB,B)_--_membrane_assembly_4.jpg)
Обычная конструкция мембраны состоит из трех слоев. Верхний и нижний слои имеют открытые дорожки электрической матрицы, а средний слой представляет собой прокладку, предотвращающую пассивное прохождение тока через верхние и нижние проводящие дорожки. Когда к верхней мембране прикладывается давление, оно соединяет верхнюю и нижнюю проводящие контактные площадки, позволяя току передаваться.
Двумя наиболее распространенными типами мембранных клавиатур являются полноходовые резиновые куполообразные мембранные клавиатуры и плоские мембранные клавиатуры. Плоские мембранные клавиатуры чаще всего встречаются в таких приборах, как микроволновые печи или копировальные аппараты .
Полноходовые резиновые куполообразные мембранные клавиатуры — наиболее распространенная конструкция клавиатуры, выпускаемая сегодня. В этих клавиатурах над мембранами расположен резиновый купол, обеспечивающий совмещение куполов с контактными площадками. Резиновый купол служит двойной цели: он действует как тактильная возвратная пружина и обеспечивает мягкую поверхность для передачи усилия на верхнюю мембрану. Чтобы перекрыть соединение между двумя контактными площадками, резиновый купол должен быть полностью вдавлен.
Мембранные клавиатуры с резиновым куполом стали очень популярны среди производителей компьютеров, поскольку они стремились сократить расходы на фоне падения цен на ПК.
Распространенным компактным вариантом резинового купола над мембраной является ножничный переключатель, основанный на ножничном механизме . Поскольку многие ноутбуки требуют тонкости, клавиатура должна быть низкопрофильной. Поэтому эта технология чаще всего используется в ноутбуках. Клавиши прикреплены к клавиатуре с помощью двух пластиковых деталей, которые сцепляются по принципу «ножниц» и прикрепляются к клавиатуре и колпачку клавиатуры. 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]
Плоские мембранные клавиатуры часто используются в суровых условиях, где желательна защита от воды или утечек. Они могут иметь бестактильные, поликупольные тактильные и тактильные клавиши с металлическим куполом. Тактильные мембранные переключатели Polydome изготовлены из полиэстера или ПЭТ и имеют форму жесткого пластикового купола. Когда жесткий полидом нажимается, проводящие чернила на задней стороне полидома соединяются с нижним слоем схемы. Мембранные переключатели с металлическим куполом изготовлены из нержавеющей стали и обеспечивают повышенную долговечность и надежность, а также могут иметь куполообразную конструкцию по индивидуальному заказу. [2] Нетактильные плоские мембранные клавиатуры почти не ощущают нажатия клавиш и часто при нажатии издают звуковой сигнал или вспышку света.
Хотя этот дизайн клавиатуры широко использовался на заре существования персональных компьютеров (на Sinclair ZX80 , ZX81 и Atari 400 ), он был вытеснен более отзывчивым и современным дизайном.
Компьютерные клавиатуры из гибких силиконовых или полиуретановых материалов можно сворачивать в связку. Клавиатура этого типа может использовать преимущества тонких гибких пластиковых мембран, но все равно представляет риск повреждения. Когда они полностью запечатаны резиной, они водонепроницаемы. Складные клавиатуры обеспечивают относительно небольшую тактильную отдачу. Поскольку эти клавиатуры обычно изготавливаются из силикона, они склонны притягивать грязь, пыль и волосы. [3]
В клавиатуре с металлическими контактными переключателями обычно используются отдельные модули для каждой клавиши. Переключатель этого типа обычно состоит из корпуса, пружины и ползунка, а иногда и других частей, таких как отдельная тактильная створка или панель управления.
В состоянии покоя металлические контакты внутри переключателя раздвинуты. Когда переключатель нажат, контакты удерживаются вместе, проводя ток для срабатывания. Во многих конструкциях переключателей в качестве материала контактов используется золото, чтобы продлить срок службы переключателя, предотвращая выход переключателя из строя из-за окисления. В большинстве конструкций используется металлический лист, где подвижным контактом является листовая пружина.
Крупнейшим производителем переключателей с дискретными металлическими контактами 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. [4] [5]
Клавиатуры, использующие эту технологию, обычно называют «механическими клавиатурами», но не существует общепринятого четкого определения этого термина. [6]
Клавиатуры с возможностью горячей замены — это клавиатуры, переключатели которых можно вынимать и заменять без необходимости обычного паяного соединения. [7] [8] Вместо того, чтобы контакты переключателя припаивались непосредственно к печатной плате клавиатуры , вместо этого припаиваются разъемы для горячей замены . Разъемы с возможностью горячей замены позволяют пользователям заменять различные переключатели на клавиатуре, не имея при этом инструментов или знаний, необходимых для пайки.
Герконовый модуль геркона состоит из двух металлических контактов внутри стеклянного пузыря, обычно герметизированного инертным газом, например азотом, чтобы предотвратить накопление частиц. Ползунок в корпусе толкает магнит вниз перед герконовой капсулой, и магнитное поле заставляет герконовые контакты притягиваться друг к другу и вступать в контакт. Механизм герконового переключателя был первоначально изобретен в 1936 году У.Б. Элвудом в Bell Telephone Laboratories .
Хотя в герконовых переключателях используются металлические пластинчатые контакты, они считаются отдельными от всех других форм металлических контактных переключателей, поскольку контакты приводятся в действие магнитом, а не с помощью физической силы со стороны ползунка, который необходимо сжать вместе.
В емкостном механизме 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 .
В наиболее распространенной реализации этой технологии из пенопласта и фольги 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.
Преимущество емкостной технологии заключается в том, что срабатывание переключателя не зависит от протекания тока через металлические контакты. Нет необходимости в дебаунсировании .
Датчик сообщает достаточно информации о расстоянии нажатия клавиши, чтобы пользователь мог настроить точку срабатывания (чувствительность клавиши). Эту настройку можно произвести с помощью идущего в комплекте программного обеспечения и индивидуально для каждой клавиши, если таковая реализована. [9] Клавиатура, использующая эти возможности, включает Realforce RGB.
Клавиатура IBM Model F представляет собой конструкцию, состоящую из изгибающейся пружины над емкостной печатной платой, аналогичную более поздней клавиатуре Model M, но вместо печатной платы используется мембранный датчик.
В конструкции переключателей Topre Corporation используется коническая пружина под резиновым куполом. Купол обеспечивает сопротивление, а пружина оказывает емкостное действие. [10]
В клавиатурах с эффектом Холла используются датчики Холла для обнаружения движения магнита по разности потенциалов напряжения. 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 со сверхвысокой надежностью, 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. [11]
Технология оптического переключателя была представлена в 1962 году Харли Э. Келчнером для использования в пишущей машинке с целью снижения шума, создаваемого клавишами 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.
Основным преимуществом технологии оптического переключателя является то, что она очень устойчива к влаге, пыли и мусору, поскольку в ней отсутствуют металлические контакты, которые могут подвергнуться коррозии.
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.
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 эта конструкция подвержена ошибкам, поскольку случайное нарушение работы лазера приведет к нежелательным нажатиям клавиш. Присущее этому типу клавиатуры отсутствие тактильной обратной связи часто делает его нежелательным.
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. [12]
Серия клавиатур IBM Model F была первой, в которой использовались пружинные переключатели с изгибом, которые использовали для срабатывания емкостные датчики. Оригинальный патент никогда не использовался в реальной серийной клавиатуре, но он устанавливает основную предпосылку изгибающей пружины.
IBM Model M — это большое семейство компьютерных клавиатур, созданное IBM, начало которому было положено в конце 1983 года, когда IBM запатентовала конструкцию клавишного переключателя с мембранной пружиной. Основная цель этого проекта заключалась в том, чтобы вдвое снизить стоимость производства модели F. [13] Самая известная полноразмерная модель M официально известна как IBM Enhanced Keyboard.
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 .
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, очень похоже на мультиплексный дисплей .
Почти все клавиатуры имеют только переключатель (но без диода) на каждом пересечении, что вызывает «фантомные 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. [15]
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. [16]
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 и ввод символов в другом месте окна фокуса. [17] [ нужно обновить ]
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». [18]
Использование любой клавиатуры может привести к серьезной травме (например, туннельному синдрому запястья или другим травмам, вызванным повторяющимися нагрузками ) кистей, запястий, рук, шеи или спины. [19] 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 стороны, 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. [20] При наборе текста не следует использовать подставку для запястий и рук. [21]
Некоторые адаптивные технологии, начиная от специальных клавиатур, замены 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. [22]
{{citation}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка )запястья не должны опираться на острые края стола. ... Переключение... на использование стилуса с графическим планшетом или трекпада, например...