Совместное использование цифровых устройств и компьютера

Компьютер обменивается информацией с внешним миром благодаря разнообразным периферийным устройствам (внешним устройствам). Периферийное устройство — часть технического обеспечения, конструктивно отделенная от основного блока вычислительной системы. Периферийные устройства только расширяют возможности компьютера, но не являются его составными частями — компьютер будет нормально работать и в их отсутствии.

Рис. 1. Общая классификация периферийных устройств компьютера

Периферийные устройства имеют собственное управление и функционируют по командам центрального процессора. Периферийные устройства предназначены для внешней обработки данных, обеспечивающий их подготовку, ввод, хранение, управление, защиту, вывод и передачу на расстояние по каналам связи.

Внешние устройства ввода преобразуют информацию в цифровую форму, понятную машине, после чего компьютер может ее обрабатывать и запоминать. Внешние устройства вывода переводят информацию машинного представления в образы понятные человеку. Только благодаря внешним устройствам человек может общаться с компьютером, а также со всеми подключенными к нему устройствами. Таким образом, периферийные устройства служат для ввода и вывода информации от основного блока вычислительной системы (рис. 1).

Для присоединения устройств ввода и вывода информации к компьютеру служат шнуры из одного и более проводов с разъемами на концах, которые называют интерфейсными кабелями. Как правило, кабели для разных соединений имеют уникальные разъемы, благодаря чему их невозможно использовать не по назначению. Когда прилагаемый к устройству кабель не имеет удовлетворяющей длины, то, скорее всего к нему можно приобрести удлинитель (если это допустимо). Основой электрических кабелей являются металлические проводники (жилы), изготавливаемые преимущественно из меди и алюминия. Жилы оптических кабелей (волокна) делают из кварцевого стекла.

Для подключения устройств ввода-вывода на системном блоке имеются разъемы различных портов:

СОМ — последовательные порты. Передают последовательно электрические импульсы, несущие информацию. К ним обычно подключают мышь и модем.

LРТ — параллельный порт. Передает одновременно 8 электрических импульсов. Реализует более высокую скорость информации, используют для подключения принтера.

USB — последовательная универсальная шина — обеспечивает высокоскоростное подключение нескольких периферийных устройств (сканер, цифровая камера и т.д.). Общая маркировка разъемов USB показана на рис. 2.

Персональные компьютеры, имеющие разъем USB, позволяют не только подключать различные устройства, но и осуществляют их автоматическое конфигурирование, как только устройство физически будет присоединено к машине, и при этом нет необходимость перезагружать или выключать компьютер, а так же запускать программы установки и конфигурирования. Использование USB доступно и для традиционных устройств, подключаемых к компьютеру, таких, как клавиатуры, мыши, джойстики, сканеры и др.

Стандартные разъемы USB есть на каждом ноутбуке и персональном компьютере, а его уменьшенные вариации (называемые mini-USB и miсго-USB) используются в портативной технике (мобильных телефонах, плеерах, цифровых фотокамерах и т.д.). USB стал универсальным стандартом и соответствующими разъемами оснащено уже множество цифровых устройств (рис. 3).

Разъем USB может быть использован как альтернативный источник питания, так как по USB-кабелю подается электропитание с напряжением 5 В и силой тока до 500 мА. Поэтому периферийные устройства могут работать, питаясь энергией напрямую от компьютера.

Рассмотрим некоторые стандартные периферийные цифровые устройства, подключаемые к компьютеру.

Flash-память. Это энергонезависимый тип накопителя информации, позволяющий записывать и хранить данные в микросхемах, помещенных в миниатюрный корпус. Устройства на основе Flash-памяти не имеют в своём составе движущихся частей, что обеспечивает высокую сохранность данных при их использовании в мобильных устройствах.

Для записи или считывания информации накопители подключаются к компьютеру через USB-порт. Flash-накопители удобно использовать для переноса информации с одного цифрового устройства на другое с помощью флэш-брелков (рис. 4). Для установки в цифровые устройства накопители изготовляют в виде карт памяти (рис. 5).

Благодаря своей компактности, дешевизне и низкому энергопотреблению Flash-накопители широко используется в портативных устройствах, работающих на батарейках и аккумуляторах: цифровых фотоаппаратах, плейерах, наладонных компьютерах, цифровых видеокамерах, мобильных телефонах и других миниатюрных устройствах.

Термин «Flash» появился как характеристика скорости стирания и записи информации в памяти микросхемы «in Flash», т.е. «в мгновение ока».

Flash-память, выдерживает около 100 тысяч циклов перезаписи — намного больше, чем способна выдержать дискета или CD-RW. Данные, записанные на Flash-микросхему, могут оставаться на ней очень длительное время: от 20 до 100 лет.

Рис. 6. Модем

Рис. 7. Схема подключения модема к телефонной линии

Модем (рис. 6). Это устройство, способное осуществлять МОдуляцию и ДЕМОдуляцию ин-формационных сигналов (отсюда следует его название). Работа модулятора заключается в преобразовании потока цифровых сигналов из компьютера в аналоговые сигналы, пригодные для передачи по телефонному каналу связи. Понятно, что демодулятор модема выполняет обратную задачу. К модему можно подключить обычный телефон и разговаривать по нему, если в это время модем не работает. Если модем подключается к телефонной линии не используя телефонный аппарат в качестве посредника, то про такой модем говорят, что он имеет прямое подключение.

Схема подключения модема к телефонной линии при разводке на два телефонных аппарата показана на рис. 7. При подключении модема необхо-димы еще два дополнительных устройства: сплиттер и микрофильтр. Сплит-тер — это устройство для разделения низкочастотного сигнала обычной те-лефонной связи и высокочастотного цифрового сигнала, при этом исключа-

ется взаимное влияние модема и телефонного аппарата. Для дополнительно-го телефонного аппарата вместо сплиттера может быть использован микро-фильтр. Микрофильтр устанавливают в разрыв линии между телефоном и те-лефонной розеткой.

Принтер — устройство для вывода ин-формации в виде печатных копий текста или графики. Различают следующие виды принтеров.

Рис. 8. Матричные прин-теры

Рис. 9. Работа головки мат­ричного принтера

Матричный принтер (рис. 8) — формирует знаки несколькими иголками, расположенными в головке принтера. Бумага втягивается с помощью вала, а между бумагой и головкой принтера располагается красящая лента. Печатающая головка матричного принтера ударного типа состоит из набора иголок, расположенных в одну или более вертикальных колонок. Каждая иголка действует как независимый молоточек и, прижимая красящую ленту к бумаге, отпечатывает точку. По мере движения головки вдоль строки иголки сотни раз ударяют в самых различных комбинациях, соответствующих форме печатаемых символов. На рис. 9 показана головка с девятью иголками, которая только что завершила печатание пяти колонок то-чек, составляющих букву R. Матричные принтеры, несмотря на то, что многие считают их устаревшими, все еще активно используются для печати, (в основном с использованием непрерывной подачи бумаги, в рулонах) в лабораториях, банках, бухгалтериях, в библиотеках для печати на карточках, для печати этикеток и наклеек, для печати на многослойных бланках (например, на авиабилетах), а также в тех случаях, когда необходимо получить второй экземпляр документа через копирку.

Рис. 10. Струйные принтеры

Струйный принтер (рис. 10). Формирование изображения у струйных принтеров осуществляется микроскопическими каплями чернил, которые выбрасывает головка принтера на лист бумаги.

Лазерный принтер (рис. 11). Печать формируется за счет эффектов ксерографии. Внутри у такого аппарата находится барабан (рис. 12), на который наводится электрический заряд, соответствующий выводимому отпечатку. Этот заряд притягивает к себе тонер — специальный порошок (черный, или цветной в зависимости от типа принтера). Затем этот порошок

переносится на лист бумаги (или на какой-либо промежуточный носитель, а только потом на бумагу). Чтобы картинка, образованная напыленным тонером, не осыпалась, лист проходит через печку — специальный нагреватель, который запекает тонер на бумаге.

Сублимационные принтеры (рис. 13). _

Рис. 11. Лазерный принтер

Это принтеры, работающие на основе прин-
ципа термической сублимации, используют
для печати твердые чернила, они испаряются,
не переходя предварительно в жидкое состоя-
ние (это и есть сублимация). Принцип работы
сублимационного принтера состоит в сле-
дующем: при поступлении задания на печать
нагревается пленка с нанесенным на нее твер-
дым красителем, в результате чего краситель
испаряется с пленки и наносится на специаль-
ную бумагу. Краситель фиксируется на отпе-
чатке. Печать осуществляется в не- Барабан
сколько проходов, поскольку на бу-
магу необходимо перенести в пра-
вильных сочетаниях три основных
красителя: пурпурный, бирюзовый и
желтый.

Зеркало Рис. 12. Схема работы лазерного принтера

Плоттер (графопостроитель) — рис. 14. Это устройство, которое чертит графики, рисунки и диаграммы под управлением компьютера. Изображение получается с помощью пера. Используется для получения сложных конструкторских чертежей, архитектурных планов, географических и метеорологических карт, деловых схем.

Рис. 13. Сублимационный прин- Рис. 14. Плоттер (графопострои-
тер тель)

Графический планшет (рис. 15) используется для рисования и ввода рукописного текста. С технической точки зрения графический планшет — довольно сложная конструкция, состоящая из собственно планшета и устройства ввода (пера или мыши). Планшет позволяет фиксировать не только координаты точки прикосновения пера, но и целый ряд других параметров, как основных (давление или силу нажатия, угол наклона, поворота), так и дополнительных (идентификатор пера, тип устройства — перо или мышь, коды клавиш и т. д.) — рис. 16.

Перо функционирует также как ластик (не только в графических редак торах, но и в Word).

Рис. 15. Графический планшет Рис. 16. Функции пера, передаваемые на

планшет

Цифровая фотокамера работает как любой пленочный фотоаппарат, но в отличие от обычного фотоаппарата отснятые кадры хранится не на пленке, а во внутренней памяти камеры. При желании, из памяти их можно стереть. Снимки в цифровом виде можно переслать из аппарата в компьютер, соединив их специальным шнуром.

а Рис. 17. Внешний вид цифровых фотокамер: Рис. 18. Устройство цифровой а — профессиональные; б — любительские зеркальной фотокамеры

Различают цифровые аппараты зеркальные (как правило, профессионального уровня) — рис. 17,а и незеркальные (рассчитанные на любительскую фотосъемку) — рис. 17,6. В зеркальных камерах фотограф при съемке может в буквальном смысле смотреть сквозь объектив. Это достигается с помощью специального зеркала, которое проецирует в видоискатель изображение, попадающее в объектив. В момент съемки зеркало поднимается, и изображение из объектива проецируется на светочувствительный сенсор.

Состоит камера из двух основных частей — корпуса и объектива. В корпусе находятся матрица, затвор (механический или электронный, а иногда и тот и другой сразу), процессор и органы управления — рис. 18. Цифровая фотокамера — это электрический прибор, а значит, у него обязательно есть кнопка включения питания.

Рис. 19. Расположение фильтров на однослойной матрице

Рис. 20. Трехслойная матрица

Объектив, съемный или жестко встроен­ный, состоит из группы линз, размещенных в пластиковом или металлическом корпусе. Изо­бражение снимаемого объекта формируется на матрице. Матрица состоит из множества свето­чувствительных ячеек — пикселей. Каждая ячейка при попадании на нее света вырабаты­вает электрический сигнал, пропорциональный интенсивности светового потока. Поскольку

используется информация только о яркости

токамеры

света, картинка получается черно-белой, а что-

бы она была цветной, приходится использовать цветные фильтры, которыми покрывают ячейки матрицы. В большинстве матриц каждый пиксель покрыт красным, синим или зеленым фильтром (только одним!), в соответствии с из­вестной цветовой схемой RGB (red-green-blue). Почему именно эти цвета?

Потому что эти цвета — основные, а все остальные получаются путем их смешения и уменьшения или увеличения их насыщенности. Расположение фильтров на матрице показано на рис. 19. Такое расположение фильтров на ячейках матрицы называется шаблоном Байера. В этом случае на матрице фильтры располагаются группами по четыре, так что на два зеленых приходится по одному синему и красному. Так делается потому, что человеческий глаз наиболее чувствителен именно к зеленому цвету. Световые лучи разного спектра имеют разную длину волн, поэтому фильтр пропускает в ячейку лучи только своего цвета. Полученная картинка со­стоит только из пикселей красного, сине­го и зеленого цвета— именно в таком виде записываются файлы формата RGB.Для записи файлов JPEG и TIFF процессор камеры анализирует цветовые значения соседних ячеек и рассчитывает цвет пикселей. Этот процесс обработки называется цветовой интерполяцией, и он исключительно важен для получения качественных фотографий. Рассмотренный тип матриц называют однослойными, но есть еще и трех

Рис. 22. Принципиальная

схема работы цифровой

фотокамеры

слойные, где каждая ячейка воспринимает одновременно три цвета, различая разноокрашенные цветовые потоки по длине волн (рис. 20). Внешний вид светочувствительной матрицы цифровой фотокамеры показан на рис. 21.

На задней панели фотокамеры расположен жидкокристаллический монитор, на котором во время съемки можно визировать изображение, делать те или иные установки, просматривать сделанные снимки.

Принципиальная схема работы цифровой фотокамеры объясняется рис. 22. Объектив проецирует и фокусирует уменьшенное изображение фотографируемого объекта на матрицу из светочувствительных элементов. Матрица— это аналоговое устройство: электрический ток возникает в каждом пикселе изображения в прямом соотношении с интенсивностью падающего света. Далее после усиления полученный аналоговый сигнал с помощью цифрового процессора преобразуется в оцифрованное изображение и затем записывается в память камеры. Емкостью этой па-

мяти определяется количество снимков. В качестве памяти цифровых фото-камер используются различные накопители (карточки флэш-памяти, оптические диски CD-RW и др.).

Видеокамера (рис. 23) позволяет производить одновременную запись движущихся объектов и звука для последующего их воспроизведения. Ряд моделей видеокамер позволяет их использовать в качестве фотокамеры. Общая схема устройства видео-камеры показано на рис. 24. Как можно заметить, устройство цифровой видеокамеры мало отличается от устройства цифровой фотокамеры. Электрические аналоговые сигналы, регистрируемые светочувствительной матрицей и микро-фоном, преобразуются в блоке обработки в цифровые и передаются в запоминающие устройства.

Как правило, сложные видео- и фотокамеры имеют важные дополнительные устройства: стабилизатор изображения снимаемого объекта и так называемый «зум». «Зум» позволяет производить съемку далеких объектов с большим увеличением за счет механического перемещения линз объектива или же электронными средствами. При работе с «зумом» видео- и фотокамеры необходимо устанавливать на штатив, так как неизбежно дрожание и не-произвольное смещение изображения объекта на матрице. Для компенсации и устранения микроколебаний изображения на матрице применяется стабилизатор.

Web-камера (рис. 25) представляет собой цифровое устройство, производящее видеосъемку, преобразование аналогового видеосигнала в цифровой, сжатие цифрового видеосигнала и передачу видеоизображения по компьютерной сети.

Принцип работы Web-камеры схож с принципом работы любой цифровой фото-камеры. Кроме оптического объектива и светочувствительной матрицы обязательным является наличие аналого-цифрового преобразователя, основное назначение которого — преобразовывать аналоговые сигналы матрицы в цифровой код. В Web-камерах видеоданные передаются в компьютер по USB-интерфейсу.

Наиболее распространенный способ подключения Web-камеры осуществляется через стандартный телефонный модем. Основной недостаток такого способа подключения — низкая скорость передачи данных (максимальная скорость загрузки данных — 56 кбит/с).

Мультимедийный проектор

(рис. 26) — это устройство, проецирующее изображение на экран посредством сигнала, полученного от компьютера, видеомагнитофона, CDили DVD-плеера, видеокамеры или телевизионного приемника. Мультимедийные проекторы способны не только отображать изображение, но и воспроизводить звук.

Сканер — это устройство ввода в
память компьютера изображений,

представленных в виде фотографий, рисунков, схем, а также текстов, чтобы не набирать их на клавиатуре.

Черно-белые сканеры могут считывать штриховые изображения и полутоновые. Цветные сканеры работают и с черно-белыми, и с цветными оригиналами. В цветных сканерах используется цветовая модель RGB (красный-зеленый-синий): сканируемое изображение освещается от последовательно зажигаемых трехцветных ламп. Отраженный свет проецируется на линейку с фотоэлементами, которые последовательно «считывают» изображение и преобразуют его в компьютерный формат.

Число передаваемых цветов колеблется от 256 до 65536 (стандарт High Со1ог) и даже до 16,7 млн. (стандарт Тше Со1ог). Разрешающая способность сканеров составляет от 75 до 1600 dpi (точек на дюйм).

Существуют разные типы сканеров.

Ручные сканеры. Это небольшие по размерам устройства. Для сканирования изображения надо самостоятельно провести сканером по листу.

Листовые сканеры. В таких сканерах лист перемещается автоматически, а линейка с фотоэлементами, которая располагается над листом, остается неподвижной.

Планшетные сканеры (рис. 27). В такие сканеры вкладывается лист с изображением, линейка с фотоэлементами перемещается вдоль листа, и весь

процесс сканирования выполняется автоматически. Они наиболее удобны в работе и дают хорошее качество получаемого изображения.

Рис. 29. Схема связи интерактивной доски с компьютером и мультимедийным проектором

Интерактивная доска (рис. 28) — это сенсорный дисплей, работающий, как часть системы, в которую также входят компьютер и мультимедийный проектор. Компьютер передает сигнал (изображение) на проектор. Проектор передает изображение на интерактивную доску.

Интерактивная доска работает одновременно и как обычный экран, и как устройство управления компьютером — рис. 29. Управлять компьютером можно, прикасаясь к поверхности доски. Имеется возможность создавать и удалять комментарии, используя электронные маркеры и резинку, которые находятся на лотке а так же различные инструменты.

Документ-камера — особый класс телевизионных камер, предназначенных для передачи изображений документов (например, оригиналов на бумаге) в виде телевизионного сигнала или в какой-либо другой электронной форме. По конструкции походит на кодоскоп, но с телекамерой на месте верхнего объектива-перископа.

Документ-камеры позволяют получить и транслировать в режиме реального времени четкое и резкое изображение практически любых объектов, в том числе и трехмерных.

Изображение, полученное с помощью документ-камеры, может быть введено в компьютер, показано на экране телевизора, передано через Интернет, спроецировано на экран посредством мультимедийного проектора.

Типы документ-камер:

Портативные

Достаточно лёгкие (как правило до 5 кг), изготовлены из ударостойких материалов, что делает их транспортировку более безопасной, оснащены ручкой для переноски или специальной сумкой. Несмотря на малый размер обладают высокими техническими характеристиками.

Стационарные

Массивные и тяжёлые (до 15 кг.), снабжены большим количеством разъёмов для передачи данных, отличаются от портативных более высоким разрешением и расширенным набором функциональных возможностей.

Потолочные

Такая камера устанавливается на уровне потолка, как проектор, или полностью встраивается в подвесной потолок, что делает устройство незаметным

Использование

С помощью документ-камеры можно отображать рекламные материалы, документы, слайды, рентгеновские снимки и просто образцы продукции или какие-либо предметы.

Документ-камеры применяются в учебном процессе, упрощая работу с аудиторией. Поскольку передача данных происходит в режиме реального времени, камеры позволяют проводить видеоконференции и идеально подходят для удалённого обучения.

В странах Европы документ-камеры применяются в качестве инструмента для метода медицинской диагностики - телепатологии.

Вопросы для конспекта:

1. Какие устройства по отношению к компьютеру называют периферийными (внешними)? Каково их назначение?

2. Каким образом могут подключаться периферийные устройства к компьютеру?

3. Каково назначение и в чем заключается особенность разъема USB?

4. Охарактеризуйте назначение и особенности Flash-памяти.

5. Каково назначение модема? Как можно подключить модем к компьютеру?

6. Назовите основные виды принтеров и опишите принцип их действия.

7. Каково назначение графического планшета?

8. Как устроена и работает цифровая камера?

9. Кратко опишите принцип действия светочувствительной матрицы цифровой фотокамеры.

10. Как устроена и работает видеокамера? Web-камера?

11. Каково назначение мультимедийного проектора?

12. Какие типы сканеров вам известны? Укажите их особенности.

13. Что такое интерактивная доска? Каково ее назначение?

14. Что такое документ-камера? К устройствам ввода или вывода информации можно отнести документ-камеру?

15. Какие виды документ-камер вы знаете? Для чего используют докумен-камеры?