Индустриални и специализирани дисплеи

ЕлектроникаСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 3, 2009

  Дисплеите днес са задължителен елемент от все повече и по-разнообразни устройства, като производството им нараства с всяка година. Появяват се нови типове дисплеи не само като конструкция, но и като принцип на действие. Същевременно параметрите, възможностите и външният вид на дисплеите силно зависят от областите на приложението им. Нещо повече, разработката на много дисплеи се прави именно в зависимост от него. С характерни особености са например дисплеите в електронните калкулатори и часовници, в черната и бяла техника, в компютрите и в индустриалните приложения. Настоящата статия е посветена на индустриалните и специализираните дисплеи, известни съответно като Industrial Display и Embedded Display.

Особености
Индустриалните дисплеи, независимо от своето наименование, се използват не само в производствени помещения, но и в центрове за управление, в автомати за продажба стоки и услуги, вграждат се в преносими устройства за измерване, контрол и управление, в транспортни и селскостопански машини. Специфични изисквания към индустриалните дисплеи са работата в широк температурен обхват и достатъчната издръжливост към външни влияния - влага, прах, удари и вибрации. Те трябва да функционират безотказно продължително време, поради което имат време до първа повреда (MTBF) до 70 000 часа. Не са малко устройствата с дисплеи, които не могат или не трябва да имат сервизно подържане поради трудното му осъществяване или нарушаване на производствения процес. В такива случаи се вгражда система за диагностика и оценка на качеството на изображението, която при нарушаване на нормалното функциониране изпраща информация към контролен център.
В много приложения на индустриалните дисплеи се налага обмен на информация в диалогов режим. Това обуславя съществуването на чувствителни към допир дисплеи (Touch Screen Display), като докосването може да се прави с пръст или специален маркер. И двата начина на задействане са възможни при резистивните дисплеи (Resistive Touch Screen), като при това ръката може да е в ръкавица. При натискане в тях се осъществява електрически контакт между проводящия слой и основата на екрана. По-бързи и с по-сигурно действие са капацитивните дисплеи (Surface Capacitive Touch Screen), при които докосването на екрана увеличава капацитета и намалява променливото напрежение на съответното място. Също капацитивни (Protective Capacitive Touch Screen) са дисплеите с промяна на капацитета само при доближаване. Те са особено подходящи за използване на открито. На двете перпендикулярни стени в дисплеите с повърхнинни акустични вълни има излъчватели, които създават такива вълни по повърхността на екрана. Когато той бъде докоснат, дори с ръкавица, част от енергията на вълните се отнема и мястото на докосване се локализира от контролер. Специфично предимство на тези дисплеи е устойчивата конструкция. По подобен начин действат инфрачервените дисплеи, но по повърхността им се излъчват инфрачервени лъчи.
Напоследък нараства делът на използваните дисплеи с повишена интелигентност. Докато при класическите дисплеи управлението се извършва обикновено с един интерфейс, тук възможностите са значително повече. В зависимост от модела тези дисплеи могат да имат няколко интерфейса (напр. LVDS, DVI, USB), вход за индустриалния видеостандарт EIA-861В и да бъдат управлявани с програмни продукти от високо ниво. Могат да съдържат алгоритми за подобряване на качеството на изображението, например гама и цветова корекция. За осигуряване на всичко това тези дисплеи имат значително по-сложно управление, което може да е вградено или да представлява външен модул. Разновидностите им, предназначени за устройства работещи на открито (Sunlight Readable Display), са с диагонал между 20 и 80 cm, като много от новите модели могат да осигуряват изображения с висока разделителна способност.
Много производители предлагат микроконтролери, разработени за управление на дисплеи. Типичен пример е серията PIC18F87J90 на Microchip, характеризираща се с ниска постояннотокова консумация и голям обем на паметта. За управление на специализирани дисплеи с 16-разредните микроконтролери PIC24F и PIC24H и 32-разредните PIC32MX, както и с 16-разредни цифрови сигнални контролери е разработен продуктът QVGA Graphic Solutions.

Основни параметри
Разделят се на 3 групи – електрически, оптични и механични. Към първите се отнасят постоянното захранващо напрежение VCC, консумираният постоянен ток ICC, логическите нива (например TTL и LVDS), продължителностите на фронтовете и времевите съотношения на управляващите импулси. Вместо VСС и ICC понякога се дава консумираната мощност PD. Тук се включва и работният температурен обхват, въпреки че не е електрически параметър. Той е по-широк в сравнение с дисплеите за битови приложения, като същото се отнася и за допустимата относителна влажност на въздуха (Relative Humidity) RH, чиято максимална стойност зависи от температурата - една типична крива е дадена на фиг. 1. За някои индустриални дисплеи се дават и допустимите вибрации и издръжливост на удари.
Оптичните параметри включват:
Яркост (Brightness, В) на дисплея, измервана за бяло изображение в cd/m2 (кандели на квадратен метър) или еквивалентната й единица нит (nt). Нейната големина за получаване на качествено изображение зависи от околната светлина, поради което при дисплеите за работа на открито тя е между 1000 и 2000 cd/m2, а при тези за помещения обикновено са достатъчни 250 - 500 cd/m2.
Контрастът (Contrast, Contrast Ratio) CR представлява отношението на яркостите на бяло и черно изображение, например 400:1, като по принцип с увеличаването му се подобрява качеството на изображението. Стойностите B се дават при определен интензитет на околната светлина, като CR намалява с нейното увеличаване.
Ъгъл на видимост (Viewing Angle). Той е спрямо перпендикуляра към повърхността на дисплея и при него контрастът намалява до определена стойност, често много по-малка от дадената като параметър. В действителност, ъглите са 4, по един за всяка от четирите посоки спрямо перпендикуляра. По-често вместо четирите ъгъла се дават хоризонталният и вертикалният. От дисплеите с информационни функции в производствени и други помещения обикновено се изисква да имат максимално голям ъгъл, който вече достига 88° във всяка посока.
Времената на реакция (Response Time) са от момента на подаване на електрически сигнал за промяна на яркостта до установяване на новата й стойност. С Tr се отбелязва това за промяна от черен в бял цвят (Rising) и с Tf - от бял в черен цвят (Falling). По-малките стойности позволяват точното предаване на по-бързо движещи се обекти, а с понижаване на температурата времената рязко нарастват. При ползването на каталози трябва да се има предвид, че някои фирми дават със същото наименование сумата на двете времена.
Брой на възможните цветови нюанси за всеки пиксел (Color Number). Параметърът се отнася само за цветните дисплеи, при които пикселът (Pixel) съдържа 3 сегмента (Dot) под формата на вертикални лентички с червен (R), зелен (G) и син (В) цвят. Най-често цветът на всеки сегмент се задава чрез 6- или 8-разредно число, при което броят на цветовете е съответно 218 (приблизително 262k) и 224 (приблизително 16М).
Механичните параметри включват на първо място различни геометрични размери. Диагоналът (Diagonal Size) се дава в mm или инчове. Размерите на сегментите на пиксела са изяснени на фиг. 2, а като параметри се дават само едни от тях. Освен това параметър е броят на сегментите (Number of Dots), например 800x600 означава 800 групи по 3 сегмента в хоризонтална посока и 600 във вертикална посока. В някои каталози този брой се нарича формат на пикселите (PixelFormat).

Едноцветни течнокристални дисплеи (Monochrome LCD)
По принцип всичките им пиксели са с един цвят, най-често червен, зелен, оранжев или син, като много производители предлагат набор от дисплеи, различаващи се само по цвета си. Съществуват и разновидности (Multi-Color Display) с различни цветове на отделни техни части.
В зависимост от структурата на течния кристал съществуват няколко разновидности на дисплеите. Първата са с означение TN (Twisted Nematic), при която молекулите на неактивирания (без приложено напрежение) кристал са усукани при ъгъл 90° между разположените в двата края. Чрез поляризационни филтри върху двете стъклени плочки се осигурява преминаването на светлината (кристалът е прозрачен). При прилагане на напрежение усукването се отстранява и кристалът става непрозрачен.
Подобна е структурата на STN (Super Twisted Nematic), но ъгълът е 240°. Този тип дисплеи са с по-голям CR от TN. Разновидност на STN с увеличени ъгли на видимост и контраст са FSTN (Film Super Twisted Nematic). С параметри между двата вида са HTN (High performance Twisted Nematic). Специално за индустриални приложения са дисплеите МVА (Multi-Domain Vertical Alignment), разположението на молекулите в чиято структура позволява увеличаване на ъглите на видимост. Специфичен тип са запомнящите дисплеи (Cholesteric LCD), при които след премахване на напрежението взаимното разположение на молекулите не се променя, т.е. изображението се запазва.
Конструктивното разположение на ИС на управляващия блок също определя няколко разновидности на дисплеите. При ТАВ (Tape Automated Bounding) на фиг. 3а ИС се монтират върху малки печатни платки (Tape-Carrier Package, TCP), които прикрепват дисплея към печатната платка (РСВ). За намаляване на размерите и цената на дисплея ИС се монтира непосредствено върху една от стъклените плочки (Chip-On-Glas, COG), което е показано на фиг. 3б, а връзката на дисплея с печатната платка се осъществява чрез гъвкава платка (Flexible Printed Circuit, FPC). Друг тип са COF (от Chip-On-Film), при които ИС се монтира върху гъвкава основа между дисплея и FPC (фиг. 3в). Масово използвана разновидност е и COS (Chip-On-Stick), дадена на фиг. 3г, при която ИС е специална стъклена пластинка. Последната от масово използваните конструкции е СОВ (Chip-On-Board), чието наименование показва, че модулът e с дисплей, монтиран върху печатна платка.
В много голяма част от съвременните дисплеи пикселите образуват обща матрица с m реда и n колони и означение mxn. Дисплеите от този тип се наричат графични (Graphic Display), тъй като на тях освен текст могат да се изписват графики и всякакви символи. Известна разлика има при буквено-цифровите дисплеи (Character Display) c n реда и m матрици в ред, във всяка от които се изписва една буква, цифра или препинателен знак.
Светлината, за която бе споменато че преминава през LCD, е от външен източник. В зависимост дали тя е околната, от източник зад дисплея (задно осветление, Backlight) или и двете има съответно отражателни (Reflective LCD), пропускащи (Transmissive Display) и отражателно-пропускащи (Transflective Display), подробности за които са дадени в статията “Съвременни дисплеи” - Инженеринг ревю бр. 4/2007 г. При едноцветните дисплеи преобладава първият вид. По принцип част от околната светлина се отразява от повърхността на екрана, което намалява качеството на изображението. Затова някои модели имат антиотражателно покритие (AntiReflective Coating). Когато има задно осветление, то може да е светодиодно (LED Back-light), електролуминесцентно (EL Back-light) или с лампа със студен катод (CCFL Back-light). Средният експлоатационен срок на осветлението с LED е над 50 хил. часа, на това с CCFL – 40 – 70 хил. часа и с EL – до десетина хиляди часа. Обикновено осветлението консумира по-голяма мощност от самия дисплей.
Последната особеност е свързана с наименованията пасивен дисплей (Passive Display) и дисплей с активна матрица (Active Matrix Display). Пикселите в първия вид съдържат само течен кристал, поради което са прости и евтини, но не могат да осигурят много високо качество на изображението. Все пак то е напълно достатъчно за едноцветните дисплеи, които са основно от този вид. Терминът активна матрица във втория вид се дължи на наличието на MOS транзистор (Thin Film Transistor, TFT) във всеки сегмент, идея за чието свързване е дадена на фиг. 4. Наличието на TFT увеличава преди всичко CR и намалява времето на реакция, и съответно осигурява значително по-добро изображение. Съкращението TFT често присъства в наименованието на дисплея (TFT LCD).
В табл. 1 са дадени основните параметри на едноцветни дисплеи, като буквата [T] в колоната “Тип” означава чувствителен към докосване дисплей, а трите размера са дължина (W), височина (Н) и дебелина (Т или D). Ъглите на видимост са в реда надясно/надолу/наляво/нагоре спрямо перпендикуляра към повърхността на дисплея. В първите 6 реда са дадени графични дисплеи, а в останалите – буквено-цифрови.

Цветни течнокристални дисплеи
Те са най-масово разпространените като се очаква през настоящата година броят на намиращите се в експлоатация да надхвърли 1 млрд. Сериозни са изискванията към качеството на тяхното изображение, което определя и големия брой на пикселите им. Практически няма буквено-цифрови цветни дисплеи, а значителна част използват международно приетите формати QVGA (320x240), VGA (640x480), VWGA (800x480), SWGA (800x600), XGA(1024x768), WXGA (1366x768), както и 1920x1080 (HD). Вместо тези стандартни означения често след първото число се прибавя RGB (например 800xRGBx600), за да се подчертае наличието на сегменти R, G и В. Съотношението дължина:височина на дисплеите най-често е 4:3 и значително по-рядко 3:4, а броят модели с 16:9 нараства. Сравнително малко са пасивните цветни дисплеи, най-често CSTN. Заради изискването на високо качество на изображението почти всички са пропускащо-отразяващи, а пропускащите са по-скоро изключение. Задното осветление като правило дава бяла светлина. Конструктивните разновидности са подобни на едноцветните дисплеи, а чрез управлението на някои модели може да се задават 218 или 224 цвята на пиксел. Друга възможност на част от дисплеите е регулиране на яркостта, обикновено с 6-разредно число. В някои специфични приложения е необходимо обратно сканиране (Reverse Scaning), при което за описване на един кадър от изображението лъчът се движи по редовете отдясно-наляво и започва от най-долния, премествайки се нагоре. Затова съществуват дисплеи с тази възможност като добавка към класическата развивка. Пример са дисплеите на CMO в табл. 2.
Идея за свързването на цветен дисплей към управляващия го блок е дадена на фиг. 5. Екранът е означен с Panel, а блокът е ИС IL9221 на Ampire. Вдясно от него е показано задното (B/L) светодиодно осветление. Активирането на пикселите (по сигнална шина от фиг. 4) се извършва чрез драйвер (Driver Circuit), а на TFT (по гейт шина от фиг. 4) – чрез Gate Driver Circuit. В ИС е вграден захранващ блок (Power Supply Circuit), включващ преобразувател на постоянно в постоянно напрежение (DC/DC). Чрез резистора OSC Resistor се установява желаната честота на тактовия генератор в ИС.
Типични цветни дисплеи с основните им параметри са дадени в табл. 2, като единственото число в колоната за Tr и Tf представлява сумата Tr + Tf.

Светодиодни дисплеи (LED Display)
За разлика от LCD те самите са източник на светлина и съответно не изискват нито външно, нито задно осветление. За сметка на това LED дисплеите имат значителна постояннотокова консумация, която определя приложението им само при наличие на мрежово захранване. За индустриални цели се използват главно буквено-цифрови и матрични дисплеи, като за всеки символ е предвидена класическа матрица 5x7 или 5x8. Те са с 1 и по-често с 3 цвята (Tricolor Display), като последните са червен, зелен и оранжев. Съществуват матрични дисплеи с възможност за задаване на височината на изписваните букви. Най-важните предимства на LED дисплеите са възможността за работа при силна околна светлина, включително навън (Outdoor Display) и много сигурното действие, дължащо се на качествата на LED и на споменатите системи за самодиагностика. Освен това реално няма ограничения за размерите им, което осигурява наблюдаване от значително разстояние, и съответно приложения в големи производствени помещения, паркинги, автомагистрали и др. Не по-малко важни са и големите ъгли на видимост. Управлението се извършва със стандартни интерфейси, например RS-232, RS-485, Ethernet протокол и др., а някои от последните модели имат и безжично управление. Скоростта на предаване на данните не е необходимо да е голяма – обикновено до 38,4 kbps. Съществуват дисплеи с вградена памет за запомняне на важна или повтаряща се информация, както и такива с възможност за запазване на най-важната й част (например показанието на часовника) при прекъсване на захранването. За определени приложения има дисплеи с вградени високоговорител и възможност за регулиране на силата на звука.

Дисплеи с органични светодиоди (OLED)
За разлика от предния тип OLED дисплеите са винаги матрични, цветни и с неголеми размери. Структурата на пасивен пиксел е дадена на фиг. 6, като в реално съществуващите само активни дисплеи (често използвано съкращение AMOLED) към него се прибавя TFT. Съществени предимства спрямо всички останали дисплеи са много големият CR и около 2 порядъка по-малкото време на реакция, които позволяват получаването на висококачествени изображения дори на твърде бързо движещи се обекти. Експлоатационният срок на съвременните модели е не по-малък от 20 000 часа, което вече позволява да се мисли за индустриалните им приложения. Поради все още малките им размери засега те ще се ограничат в преносими устройства. Няколко примера за OLED дисплеи са дадени в табл. 3, като тези на Truly Semiconductors са едноцветни. Освен дадените в таблицата Display Elektronik произвежда буквено-цифрови дисплеи с 1-4 реда и по 16 или 20 символа в ред.




Top