Grundlagen zu Schnittstellen und Datenübertragung

Für die Datenübertragung von der Tastatur zum befehlsverarbeitenden Controller steht eine Vielzahl an Schnittstellen zur Verfügung. Standardprodukte auf dem Verbrauchermarkt sind fast immer mit den gängigen USB-Schnittstellen ausgestattet. Da je nach Anwendung und den technischen Gegebenheiten auf andere Schnittstellen zurückgegriffen werden muss, kommen solche Tastaturen oft schon wegen Ihres Kabelanschlusses nicht für speziellere Anwendungsbereich in Frage. Die Auswahl an möglichen Übertragungswegen ist groß und bringt durchaus Unterschiede mit sich. Einige technologische Grundlagen gelten jedoch gleichermaßen für jede Schnittstelle.

Beispielsweise werden bei allen Schnittstellen, die Befehle mithilfe einer elektrischen Matrix aus Zeilen- und Spaltenleitungen gebündelt. Dies ermöglicht die Verdichtung alle möglichen Tastenbefehle auf wenige Anschlüsse. So kann beispielsweise mithilfe einer gängigen 16x8-Matrix, mit der bis zu 128 Tasten realisierbar sind, die Datenübertragung zum Mikrocontroller der Tastatur mit 24 Leitungen erfolgen. Diese Funktionsweise ist auf nahezu alle modernen Eingabegeräte mit mehreren Tasten anwendbar. Der Tastendruck löst sowohl in der Matrix-Spalte als auch in der -Zeile eine niedrige elektrische Spannung aus, die vom Controller abgelesen wird. Mögliche Spannungsveränderungen werden dabei vom Controller kontinuierlich gescannt und bei Tastendruck wahrgenommen.

In den meisten Anwendungsfällen kann es vorkommen, dass gleichzeitig mehrere Tasten betätigt werden. Je nach Matrixanordnung und verwendetem Anschluss kann dies jedoch zu Erkennungsproblemen führen. Im schlechtesten Fall werden nur maximal zwei zeitgleiche Tastenbetätigungen erkannt, man spricht dabei von einem 2-key rollover, im besten Fall können alle Tasten parallel ausgewertet werden, (n-key rollover). Die Gründe für diese Beschränkungen sind unterschiedlich. Beispielsweise können USB-Schnittstellen aufgrund eines Protokolls nur maximal sechs gleichzeitige Tastenbetätigungen auslesen.  Der key rollover sollte bei der Auswahl einer geeigneten Schnittstelle demnach mitberücksichtigt werden.

Unsere Schnittstellentechnologien in Standardprodukten

Da wir alle gängigen Schnittstellen zu unseren Eingabesystemen anbieten und auf Anfrage auch jeden kundenspezifischen Anschluss verbauen, kann zu jedem Sonderfall eine passende Tastatur gefertigt werden. Je nach Anforderungen unserer Kunden bestücken wir unsere Tastaturen mit der entsprechenden Schnittstelle, der gewünschten Kabellänge, -farbe und -beschaffenheit, sodass unsere Eingabegeräte jedes Einsatzgebiet meistern.

Jede unserer Tastaturen bestücken wir mit einem eigenen, frei programmierbaren Controller. Unsere Schreibtastaturen werden natürlich programmiert und einsatzbereit ausgeliefert, auf Wunsch stellen wir jedoch auch ein Tool zur Verfügung, mit dem unsere Tastenfelder beliebig von unseren Kunden programmiert werden können. Standardmäßig verbauen wird die Schnittstellen-Standards USB, PS/2 und RS232 bei unseren Tastaturen, für kundenspezifische Lösungen bieten wir jedoch auch EtherCAT, I²C, Profibus und CAN-Bus an.

RS232 (Recommended Standard 232)

Im Verbrauchermarkt ist diese früher weitverbreitete Schnittstelle (dort der 9-polige D-Sub Stecker) inzwischen fast ausgestorben, da es weitaus schnellere und kompaktere Alternativen gibt. Aufgrund der niedrigen Datenrate, der relativ geringen Anforderungen an die Verkabelung und wegen des hohen und toleranten Signalpegels ist die RS-232 jedoch auch weiterhin gefragt, wenn es um Störsicherheit und lange Signalverbindungen geht.

PS/2-Schnittstelle

Auch der PS/2-Anschluss war bis zum Einzug des USB-Ports eine weit verbreitete Schnittstelle zwischen Tastatur und PC, die inzwischen aber weiterstgehend vom Markt verdrängt wurde. Der sechspolige Mini-DIN-Stecker ist für einige Einsatzbereich dennoch dem USB vorzuziehen, da er einen unbeschränkten Key rollover übertragen kann.

USB (Universal Serial Bus)

Dieses serielle Bussystem eignet sich für nahezu jede Art der Datenübertragung und hat sich wegen genau dieser Flexibilität und seiner kontinuierlichen Weiterentwicklung als gängiger Standard etabliert. Die Datenübertragungsrate der USB-Schnittstelle wurde durch Abwandlungen schon mehrfach verbessert ohne dabei die Abwärtskompatibilität zu verlieren, wodurch der Port schon über viele Jahre aktuell bleibt.

Unsere weiteren Möglichkeiten für kundenspezifische Lösungen

EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology)

Dieses Echtzeit-Ethernet ist ein in IEC-Standard 61158 offengelegtes Protokoll und eignet sich für harte und weiche Echtzeitanforderungen in der Automatisierungstechnik. Das EtherCAT ermöglicht besonders exakte Synchronisierung und Zykluszeiten von unter 100 µs.

I²C (Inter-Integrated Circuit)

Ein hauptsächlich geräteintern, zur Kommunikation zwischen verschiedenen Schaltungsteilen, genutzter Datenbus. Da ein I²C-Mikrocontroller ein gesamtes Netzwerk an integrierten Schaltungen mit nur zwei I/O-Pins und einfacher Software kontrollieren kann, verursacht er besonders geringe Produktionskosten.

Profibus (Process Field Bus)

Dieser Standard für die Feldbus-Kommunikation in der Automatisierungstechnik dient unter anderem in der Fertigungsindustrie zur schnellen Kommunikation in Maschinen und Anlagen zwischen Sensoren/Aktoren und Steuerungen aller Art. Die Normen des Profibus empfehlen für den Anschluss einen 9-poligen D-Sub Stecker zu verwenden.

CAN-Bus (Controller Area Network)

Hintergrund der Entwicklung des CAN-Bus war, Kabelbäume zu reduzieren und dadurch Fertigungskosten und Gewicht einzusparen. CAN-Protokolle haben sich in vielen sicherheitsrelevanten Bereichen etabliert, wie zum Beispiel in der Automobilindustrie, der Medizin-, Flugzeug- und Raumfahrt- und Pyrotechnik, dem Schiffs- und Schienenfahrzeugbau, sowie in Bereichen der Automatisierungstechnik.

Weiterführende Links

Funktionsweise der Computertastatur (Wikipedia Erläuterung)

Übertragung zum PC (Wikipedia Erläuterung)

Scancode (Wikipedia Erläuterung)

RS 232 (Wikipedia Erläuterung)

PS/2 (Wikipedia Erläuterung)

USB (Wikipedia Erläuterung)

EtherCAT (Wikipedia Erläuterung)

I²C (Wikipedia Erläuterung)

Profibus (Wikipedia Erläuterung)

CAN (Wikipedia Erläuterung)

IT-Wissen: CAN-Bus (Fachartikel)

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