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1. Anwendungsgebiet
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltung zum Kodieren und Dekodieren
von Tastatureingabedaten, z. B. für die Tastaturschaltung einer
Fernsteuerung aus einer Matrix von Schaltern mit Eindraht-Übertragung,
welche eine Schaltung zur Selbstkalibrierung enthält.
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Eine
solche Schaltung ist aus dem Dokument JP-A-6018734 bekannt.
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2. Beschreibung des Standes
der Technik einschließlich
der Informationen, welche unter 37 CFR §§ 1.97–1.99 benannt wurden
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Es
wurden bisher verschiedene Schaltungen zur Kodierung der Position
einer Mehrzahl von Schaltern in Tastaturschaltungen für Fernsteuerungen
vorgeschlagen. Verschiedene Beispiele von analogen und nicht analogen
Schaltungen zum Kodieren/Dekodieren von Tastatur-Eingabedaten für Fernsteuerungen
sind in den folgenden US-Patenten beschrieben:
| US-Patent
Nr. | Patentanmelder |
| 4 015
254 | Strandt |
| 4 118
700 | Leniham |
| 4 580
138 | Morrison |
| 4 695
840 | Darilek |
| 4 817
010 | Dobbins |
| 4 884
070 | Hannaford |
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Das
US-Patent Nr. 4 015 254 von Strandt beschreibt eine Tastatur-Kodierschaltung
unter Verwendung eines A/D-Wandlers, der eine Gruppe von Widerständen besitzt,
die in Reihe eine positive Referenzspannung mit der Masse der Schaltung
verbinden. Die in Reihe angeordneten Widerstände stellen ein Spannungsteilernetzwerk
dar, von welchem eine Mehrzahl von Spannungen erzeugt werden. Die
Schalter werden als Gruppe gemeinsam mit dein Eingang eines Analog-Digital-Wandlers,
sowie einzeln mit einer der Mehrzahl von Spannungen, die durch das
Spannungsteilernetzwerk erzeugt werden, derart verbunden, dass,
wenn einer der Schalter geschlossen ist, die Spannung, mit welcher
der Schalter verbunden ist, dem Eingang des Analog-Digital-Wandlers
zugeführt
wird, welcher den Schalter kodiert, der gedrückt wurde.
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Das
US-Patent Nr. 4 118 700 von Leniham beschreibt eine Schaltung mit
Eindraht-Übertragung
einer Mehrzahl von Schaltoperationen. Jeder einer Mehrzahl von Schaltern
ist parallel mit einer Impedanz verbunden, und die Schalter sind
so gekoppelt, dass sie eine Reihenschaltung bilden. Eine Referenzspannung
ist mit einem Ende der Reihenschaltung verbunden, und eine Endimpedanz
ist mit dem anderen Ende verbunden, um einen Spannungsteiler zu
bilden. Die Betätigung
einer Kombination von Schaltern erzeugt eine Spannungsteilung, welche
mit einem Analog-Digital-Wandler verbunden wird, um die Kombination
der betätigten Schalter
zu kodieren.
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Das
US-Patent Nr. 4 580 138 von Morrison beschreibt eine Schaltung zur
Anzeige des Zustandes von jedem einer Gruppe von Schaltern. Jeder
Schalter ist parallel mit einem Widerstand verbunden. Alle Schalter sind
in Reihe miteinander verbunden, wobei jedes Ende der Reihenverbindung
der Schalter mit einem Analog-Digital-Wandler zur Kodierung der
Kombination der gedrückten
Schalter verbunden ist. Die Widerstandswerte werden durch Multiplikation
der Größe eines
Basiswiderstandswertes in der zweiten Potenz berechnet. Die Gruppe
von Fernschaltern wird verwendet, um den Strom für eine Konstantstromquelle
festzusetzen. Ein Zeitmechanismus, der von der Konstantstromquelle
abhängig
ist, triggert den Schaltmechanismus, um sein Signal zu erzeugen,
welches einen Arbeitszyklus besitzt, der von den gedrückten Schaltern
abhängig
ist.
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Das
US-Patent Nr. 4 695 840 von Darilek beschreibt eine Schaltung zur
Bestimmung der Position einer Gruppe von Fernbedienungsschaltern,
welche eine Impulsfaktor-Modulation nutzt. Jeder Schalter ist in
Reihe mit einem Widerstand geschaltet. Jede Kombination aus Schalter
und Widerstand ist allen anderen Schalter-Widerstands-Kombinationen
parallel geschaltet. Die Widerstandswerte werden durch Multiplikation
der Größe eines
Basiswider standswertes in der zweiten Potenz berechnet. Die Gruppe
von Fernbedienungsschaltern wird verwendet, um den Strom für eine Konstantstronquelle
festzulegen. Ein Zeitsteuermechanismus, der auf die Konstantstromquelle
reagiert, triggert den Schaltmechanismus, um ein Signal mit einem
Impulsfaktor zu erzeugen, welcher von dem gedrückten Schalter abhängig ist.
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Das
US-Patent Nr. 4 817 010 von Dobbins beschreibt eine Schaltung zur
Ermittlung und Kodierung des Schalters eines Verkaufsautomaten.
Die Schaltung enthält
eine Gruppe von Widerständen
in Reihe. Jedes Ende der in Reihe verbundenen Gruppe von Widerständen ist
mit den unterschiedlichen Eingängen
eines 555-Taltgebers verbunden. Eines der Enden der in Reihe verbundenen
Gruppen von Widerständen
ist auch mit einer Spannungszuführung
verbunden. Zwischen jedem Paar von Widerständen ist ein Schalter angeordnet,
wobei das andere Ende des Schalters mit der Spannungszuführung verbunden
ist. In Abhängigkeit
davon, welcher Schalter geschlossen ist, wird ein unterschiedlicher
Gesamtwiderstand mit den Eingängen
des 555-Taktgebers verbunden. Der 555-Taktgeber erzeugt ein Signal
mit einer Frequenz, die von dem Widerstand an den Eingängen abhängig ist,
und welche dann durch einen Mikroprozessor dekodiert wird, um zu
bestimmen, welcher Schalter betätigt
wurde.
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Das
US-Patent Nr. 4 884 070 von Hannaford beschreibt eine Schaltung
zur Ermittlung des Zustandes einer Mehrzahl von Schaltern. Jeder
Schalter ist parallel mit einem Widerstand verbunden. Alle Schalter
sind in Reihe miteinander verbunden. Die Enden der in Reihe verbundenen
Schalter sind sowohl mit einer Konstantstromquelle als auch mit
einem Analog-Digital-Wandler
verbunden. Die Widerstände
werden als Funktion der Energie von der selben Basis bewertet. Bei
der Betätigung
eines Schalters wird der dem betätigten
Schalter parallele Widerstand geshunted, so dass der Wert des geshunteden
Widerstandes für
den Gesamtwiderstand der Widerstände/Schalter
in Reihe nicht relevant ist. Die Konstantstromquelle erzeugt einen
Spannungsabfall über
die Widerstände/Schalter
in Reihe, der von dem Gesamtwiderstand abhängig ist. Der Spannungsabfall
wird durch den Analog-Digital-Wandler
dekodiert, um zu bestimmen, welche Kombination von Schaltern gedrückt wurde.
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Zusammenfasssung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird eine
Schaltung zum Kodieren und Dekodieren von Tastatur-Eingabedaten aus einer
Matrix von Schaltern mit Eindraht-Übertragung geschaffen, die
eine Schaltung zur Selbstkalibrierung enthält.
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Die
Schaltung zum Kodieren und Dekodieren von Tastatur-Eingabedaten
mit Eindraht-Übertragung umfasst
eine Steuerschaltung, eine Ladungsspeicherschaltung und eine Tastatur-Matrix-Schaltung.
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Die
Tastatur-Matrix-Schaltung umfasst eine Gruppe von Widerständen, die
in Reihe miteinander verbunden sind. Jeder Widerstand ist über einen
manuell betätigten
Schalter mit Masse verbunden. Wenn einer der Schalter betätigt oder
geschlossen wird, schafft der Schalter über die Widerstände, welche
vor dem Schalter angeordnet sind, eine elektrische Verbindung zur
Masse und schließt
die Widerstände
kurz, die dem Schalter folgen. Ein Ende der in Reihe geschalteten
Widerstände
ist sowohl mit der Ladungsspeicherschaltung als auch mit einem Eingangs-/Ausgangsanschluss
der Steuerschaltung verbunden.
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Wenn
keiner der Schalter betätigt
wurde, wird die Ladung, die in der Ladungsspeicherschaltung gespeichert
ist, auf einem hohen logischen Pegel gehalten. Wenn einer der Schalter
geschlossen ist, fällt
die in der Ladungsspeicherschaltung gespeicherte Ladung über die
elektrische Verbindung zur Masse, die durch den betätigten Schalter
hergestellt wird, in einem Maße
ab, das im Verhältnis
zur Summe der Widerstände
steht, die vor dem Schalter angeordnet sind. Die Steuerschaltung
bestimmt durch Anzeige der Zeit für eine gespeicherte Ladung
in der Ladungsspeicherschaltung, die über den betätigten Schalter, der mit Masse
verbunden ist, abfließt,
welcher Schalter betätigt
wurde.
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In
dieser Weise wird eine Schaltung zum Kodieren und Dekodieren von
Tastatur-Eingabedaten,
vorzugsweise zur Anwendung in einer Feinsteuerung realisiert, welche
im Gegensatz zu den Mehrdrahtübertragungen,
die bei vielen Tastaturen des Standes der Technik verwendet werden,
eine Eindraht-Übertragung
aufweist.
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Die
Schaltung zum Kodieren und Dekodieren von Tastatur-Eingabedaten
von einer Matrix von Schaltern mit Eindraht-Übertragung besitzt zusätzlich Schaltmittel
zur Kalibrierung der übrigen
Bereiche der Schaltung, um zeitliche Inkonsistenzen der Schaltung
aus unterschiedlichen Gründeu
in Betracht zu ziehen.
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Weitere
Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung sollen durch die
folgende detaillierte Beschreibung und die Zeichnungen verdeutlicht
werden.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist ein Blockschaltbild
einer Schaltung zum Kodieren und Dekodieren von Tastatur-Eingabedaten
von einer Matrix von Schaltern mit Eindraht-Übertragung.
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2 ist ein schematiscles
elektrisches Schaltbild der Schaltung zum Kodieren und Dekodieren
von Tastatur-Eingabedaten von einer Matrix von Schaltern mit Eindraht-Übertragung, welche in 1 dargestellt ist.
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Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsform
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Nunmehr
soll auf die Zeichnungen detaillierter Bezug genommen werden, und
in 1 ist ein Blockschaltbild
einer Schaltung 10 zum Kodieren und Dekodieren von Tastatur-Eingabedaten dargestellt,
z. B. für die
Tastaturschaltung einer Fernsteuerung, die eine Matrix von Schaltern
mit Eindraht-Übertragung
aufweist. Die Schaltung 10 zum Kodieren und Dekodieren
von Tastatur-Eingabedaten aus einer Matrix von Schaltern mit Eindraht-Übertragung umfasst eine Steuerschaltung 12,
die mit einer Ladungsspeicherschaltung 14 und einer Tastatur-Matrixschaltung 16 gekoppelt
ist. Die Tastatur-Matrixschaltung 16 ist außerdem mit
einer Kalibrierungsschaltung 18 gekoppelt.
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2 ist ein detaillierteres
schematisches Schaltbild der Schaltung 10 zum Kodieren
und Dekodieren von Tastatur-Eingabedaten von einer Matrix von Schaltern
mit Eindraht-Übertragung
nach 1.
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Die
Steuerschaltung 12 umfasst einen Mikroprozessor 20,
der eine Speichervorrichtung 22 zum Speichern von Programmanweisungen
und Programmdaten aufweist. Der Mikroprozessor 20 einpfängt Energie über zwei
Versorgungsanschlüsse 24, 26.
Der erste Versorgungsanschluss 24 ist mit der positiven
Spannungszuführung
verbunden, die mit VCC bezeichnet ist, und der zweite Versorgungsanschluss 26 ist
mit der Spannungsabführung
verbunden, die mit dem Erdzeichen bezeichnet ist.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist die Speicherschaltung 22 zur Speicherung von Programmanweisungen
und Programmdaten unter Verwendung eines Halbleiterspeichers realisiert.
Der Halbleiterspeicher ist ein Direktzugriffsspeicher (RAM), ein
Nur-Lesespeicher
(ROM) oder eine Kombination von beiden. Der Typ des verwendeten
Halbleiterspeichers ist abhängig
von dem genauen Verfahren der Durchführung. Die Programmanweisungen
werden bevorzugt in ROM angeordnet, während Programmdaten bevorzugt
sowohl in ROM als auch in RAM hinterlegt werden.
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Der
Mikroprozessor 20 besitzt ein Eingangs-/Ausgangsterminal 28,
welches sowohl mit der Ladungsspeicherschaltung 14 als
auch mit der Tastatur-Matrixschaltung 16 gekoppelt ist.
Die Ladungsspeicherschaltung 14 umfasst einen Kondensator 30 und
einen Widerstand 32. Der Kondensator 30 verbindet
das Eingangs-/Ausgangsterminal 28 des Mikroprozessors 20 mit
Masse. Der Kondensator 30 wird verwendet, um eine Ladung
am Eingangs-/ Ausgangsterminal 28 zu speichern. Der Widerstand 32 verbindet
das Eingangs-/ Ausgangsterminal 28 des Mikroprozessors 20 mit
der positiven Spannungszuführung
VCC 24. Der Widerstand 32 zieht den Spannungspegel
des Eingangs-/Ausgangsterminals 28 langsam auf den Spannungspegel
der positiven Spannungszuführung
VCC 24.
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Die
Tastatur-Matrixschaltung 16 umfasst eine Gruppe von Widerständen R1
bis RN, die in Reihe miteinander verbunden sind. Jeder Widerstand
ist über
einen von einer Gruppe manuell betätigter Schalter SW1 bis SWN
mit Masse 26 verbunden. Die Schalter SW1 bis SWN sind normalerweise
offen und verhindern eine elektrische Verbindung mit Masse 26 durch
die Schalter SW1 bis SWN in ihrem unbetätigten Zustand. Der erste Widerstand
R1 in Reihe mit dem Schalter SW1 ist mit dem Eingangs-/Ausgangsanschluss 28 des
Mikroprozessors 20 verbunden.
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Mit
dem letzten Widerstand RN der Tastatur-Matrixschaltung 16 ist
die Kalibrierungsschaltung 18 verbunden, welche einen Kondensator 34 umfasst.
Der Kondensator 34, welcher am Ende des Widerstandes RN der
in Reihe verbundenen Widerstände
R1 bis RN angeordnet ist, stellt den Mechanismus zur Kalibrierung
der Schaltung 10 zum Kodieren und Dekodieren von Tastatur-Eingabedaten
mit Eindraht-Übertragung
dar.
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Wenn
keiner der manuell betätigten
Schalter geschlossen ist, wird der Spannungspegel des Eingangs-/Ausgangsanschlusses 28 des
Mikroprozessors 20 und die in der Ladungsspeicherschaltung 14 gespeicherte
Ladung auf einem logischen Pegel „hoch" gehalten. Der Spannungspegel wird auf
einem logischen Pegel „hoch" gehalten, weil keine
elektrische Verbindung von dem Eingangs-/Ausgangsanschluss 28 zur
Masse 26 besteht. Der Spannungspegel wird durch den Widerstand 32 der
Ladungsspeicherschaltung 14 gehalten, welcher die Ladungssteuerschaltung 14 ausreichend
geladen hält
und jeglichen Ladungsverlust durch die Kondensatoren 30 und 34 kompensiert.
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Wenn
einer der manuell betätigten
Schalter SW1 bis SWN betätigt
oder geschlossen wird, erzeugt der Schalter eine elektrische Verbindung
zur Masse 26, die einen äquivalenten Widerstand aufweist,
welcher der Summe aller Widerstände
gleich ist, die in Reihe dem geschlossenen Schalter vorausgehen.
Alle folgenden Widerstände
werden durch die Verbindung mit Masse 26 über den
geschlossenen Schalter kurzgeschlossen. Jeder Schalter SW1 bis SWN
besitzt einen charakteristischen äquivalenten Widerstand zur
Masse 26, wenn der betreffende Schalter geschlossen ist.
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Die
in der Ladungsspeicherschaltung 14 gespeicherte Ladung
besitzt einen hohen logischen Pegel, wenn keiner der Schalter SW1
bis SWN betätigt
ist. Wenn einer der Schalter SW1 bis SWN betätigt ist, wird eine Verbindung
zur Masse hergestellt und verwendet, um die in der Ladungsspeicherschaltung 14 gespeicherte
Ladung abfließen
zu lassen und den logischen Pegel des Eingangs-/Ausgangsanschlusses 28 des
Mikroprozessors 20 auf einen niedrigen logischen Pegel
zu bringen. Der niedrige logische Pegel an dem Eingangs-/ Ausgangsanschluss 28 des
Mikroprozessors 20 signalisiert dem Mikroprozessor 20 der
Steuerschaltung 12, dass mindestens einer der Schalter
SW1 bis SWN gedrückt
wurde.
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Der
Mikroprozessor 20 lädt über den
Eingangs-/Ausgangsanschluss 28 den Kondensator 30 der
Ladungsspeicherschaltung 14 auf einen logischen Pegel „hoch" und misst die Zeit,
die vergeht, bevor die Ladungssteuerschaltung 14 über den
betätigten
Schalter, das heißt
einen von SW1 bis SWN, entladen ist. Der Kondensator 34 der
Kalibrierungsschaltung 18 kann unbeachtet bleiben, weil
der Kondensator 34 über
den betätigten
Schalter mit Masse kurzgeschlossen ist. Die Zeitdauer, um die Ladungssteuerschaltung 14 zu
entladen, ist von dem äquivalenten
Widerstand gegenüber
Masse abhängig,
die von dem betätigten
Schalter, das heißt
einem von SW1 bis SWN, abhängt.
Weil jeder Schalter SW1 bis SWN einen charakteristischen äquivalenten
Widerstand aufweist, ist die Zeitdauer für die Entladung der Ladungssteuerschaltung 14 über jeden
der betätigten
Schalter SW1 bis SWN auch charakteristisch. Der Mikroprozessor 20 ist
in der Lage zu bestimmen, welcher von den Schaltern SW1 bis SWN
betätigt
wurde, indem er die Entladezeit der Ladungsspeicherschaltung 14 ermittelt.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
wiederholt der Mikroprozessor 20 der Steuerschaltung 12 die Messung,
bis stabile Ergebnisse ermittelt sind. In dieser Weise können widersprüchliche
Ergebnisse von nur teilweise gedrückten oder zurückgesprungenen
Schaltern ausgefiltert und exakte Ergebnisse gesichert werden.
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Als
Beispiel für
die Anzahl von Schaltern, welche durch die vorliegende Schaltung
kodiert und dekodiert werden können,
gilt folgendes: Ein bevorzugter Widerstand 32 ist größenordnungsmäßig zehnmal
größer als
die Summe der in Reihe geschalteten Widerstände R1 bis RN. Wenn der Widerstand 32 einen
Wert von 10 MΩ aufweist,
sollte die Summe aller Widerstände
der Tastatur-Matrixschaltung 16 geringer sein als 1 MΩ. Wenn jeder
der Widerstände
R1 bis RN einen Wert von 4 KΩ aufweist,
kann die Schaltung 10 mit bis zu 250 Schaltern zusammenwirken.
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Die
Schaltung 10 zum Kodieren und Dekodieren von Tastatur-Eingabedaten
von einer Matrix von Schaltern mit Eindraht-Übertragung umfasst zusätzlich einen
Mechanismus zur Kalibrierung der Schaltung. Die Selbstkalibrierung
wird durch beide Kondensatoren 30 und 34 durchgeführt, welche über den
Eingangs-/Ausgangsanschluss 28 des Mikroprozessors 20 vollständig entladen
werden. Der Eingangs-/Ausgangsanschluss 28 lädt dann
schnell den Kondensator 30 auf. Der Kondensator 34 bleibt
aus zwei Gründen im
wesentlichen ungeladen: Der erste Grund besteht darin, dass der
Kondensator 34 einen größeren Kapazitätswert besitzt,
der bevorzugt mindestens zehnmal so groß ist, wodurch die Ladung länger dauert.
Der zweite Grund besteht darin, dass dem Kondensator 34 die
Summe aller Widerstände
R1 bis RN, die in Reihe mit der Tastatur-Matrixschaltung verbunden
sind, vorgeschaltet sind, was den Stromfluss zum Kondensator 34 begrenzt.
Der Kondensator 30 ist direkt mit dem Eingangs-/Ausgangsanschluss 28 des
Mikroprozessors 20 verbunden.
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Nachdem
der Kondensator 30 geladen wurde, während der Kondensator 34 im
wesentlichen ungeladen blieb, erfasst der Eingangs-/Ausgangsanschluss 28 des
Mikroprozessors 20 den Spannungspegel der Ladung, die im
Kondensator 30 gespeichert wurde, sowie die Zeit, die erforderlich
ist, um die Ladung über
die Summe aller Widerstände
R1 bis RN in Reihe in den Kondensator 34 zu entladen. In
Folge seiner Größe wirkt der
Kondensator 34 tatsächlich
als Kurzschluss gegenüber
Masse. Die durch den Mikroprozessor 20 gemessene Zeit,
um den Kondensator 30 über
die Widerstände
R1 bis RN zu entladen, ist der Wert der maximalen Entladezeit und
der neue Kalibrierungswert für
folgende Tastenbetätigungen.
In der bevorzugten Ausführungsform
wird eine Selbstkalibrierung zwischen jedem Tastendruck durchgeführt.
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Die
bevorzugte Ausführungsform
ist außerdem
durch einen Eingangs-/Ausgangsanschluss 28 des Mikroprozessors 20 gekennzeichnet,
welcher Unterbrechungseigenschaften aufweist, welche aktiv niedrig
sind. In dieser Weise kann der Mikroprozessor 20, während er
das Entfernen der Ladung, welche in der Ladungsspeicherschaltung 14 gespeichert
ist, abwartet, andere Aufgaben erfüllen, bis er durch den Spannungspegel des
Eingangs-/ Ausgangsanschlusses 28 unterbrochen wird, der
einen Wert mit dem logischen Pegel „niedrig" aufweist.
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In
dieser Weise wird eine Schaltung 10 zum Kodieren und Dekodieren
von Tastatur-Eingabedaten
von einer Matrix von Schaltern mit Eindraht-Übertragung realisiert.
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Aus
der vorstehenden Beschreibung wird klar, dass die erfindungsgemäße Eindraht-Kodier-Dekodierschaltung 10 eine
Reihe von Vorteilen aufweist, von denen einige vorstehend beschrieben
wurden und andere inhärenter
Bestandteil der Erfindung sind. Ebenso wird verständlich,
das Modifikationen an der zuvor beschriebenen Schaltung 10 ausgeführt werden
können,
ohne von den Lehren der Erfindung abzuweichen.