Модули на дисплеи

ЕлектроникаСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 9, 2013

Стефан Куцаров

Наименованието им (Display Module) се дължи на съчетаването на дисплея не само с електронни блокове за генериране на изображението, но и за получаване на данните за него от външни устройства или мрежа чрез подходящ интерфейс. Някои производители използват термина Monitor Module, като конструктивното оформление на модулите позволява както самостоятелни приложения, така и монтирането им като част от други устройства.

В зависимост от предназначението съществуват разновидности за представяне на полутонови изображения, на графики и на буквено-цифрова информация, често съчетавана със специфични символи за допълване на смисъла й. Първата разновидност са практически изцяло цветни, каквито са и част от модулите за графики, докато в буквено-цифровите модули преобладават монохромните.

Голяма част от дисплеите са течнокристални на основата на аморфен силиций с вградени NMOS транзистори в пикселите (TFT LCD и Active Matrix LCD), като във всички модели от последните няколко години подсветката е светодиодна (LED Backlight). Нараства относителният дял на дисплеите с органични светодиоди (OLED Display), засега главно в модулите със сравнително малки размери.

Структура на модулите
Сред задължителните блокове на модулите са драйверите за активиране на пикселите чрез подаване на необходимите напрежения и токове, контролер за управление на работата и захранващ блок. Това се изяснява с помощта на дадената на фиг. 1 блокова схема на модула от ред 10 на табл. 1.

Чрез подаване на подходящо логическо ниво на един от изходите на драйвера за редове (V-driver) и на трите изхода (за червения, зеления и синия субпиксел – Dot, Subpixel) на този за колони (H-driver) се активира пикселът (Pixel) в пресечната точка на пътечките от изходите. Яркостта и интензитетът на неговата светлина се определят от напрежението на блока Power supply for gradation и двоичните числа, намиращи се в този момент на входове R0-R5 (за светлината от червения субпиксел), на G0-G5 за зеления и на В0-В5 за синия субпиксел.

Следва аналогично активиране на пиксела на същия ред вдясно и т. н. Времето за изписване на един ред се определя от честотата на импулсите на вход Hsync, която е параметърът честота на развивка по редове (Hsync Frequency) fH на модула. Аналогично се изписват следващите редове, като времето за изписване на един кадър се определя от честотата на импулсите на вход Vsync, която е параметърът честота на развивка по кадри (Vsync Frequency) fv.

Двете честоти са пропорционални на честотата на тактовите импулси (Clock Frequency) fCLK от външен генератор, подавани на вход CLK. Цялото действие се управлява от контролера Controller, като твърде често производителите отбелязват неговия тип в каталога на модула. Чрез подходящо логическо ниво на вход DE се разрешава работата на дисплея, а чрез нивото на DSP се избира посоката на активиране на пикселите – от ляво надясно по редовете или обратно.

Съществуват и модули с възможност за изписване на редовете и от долу нагоре. Преобразувателят DC/DC converter осигурява необходимите захранващи напрежения на двата драйвера, като на входа му VCC постъпва напрежението VDD. Блокът Backlight представлява подходящо свързани LED за подсветка - в случая тя е от 4 групи с по 4 последователни светодиода, като за всяка група има отделна двойка изводи Anode-Cathode, между които се прилага напрежението VLED.

Описаното управление е известно като RGB или CMOS RGB, тъй като използва CMOS логически нива. Постепенно се увеличават управленията чрез някой от съществуващите интерфейси, като засега най-масово е използването на LVDS.

Пример за блоковата схема на модул с него е дадена на фиг. 2, драйверите за редове и колони, в която са означени съответно с Gate Driver и Source Driver, основните сигнали (Signals) на входа на блока за интерфейса (LVDS Receiver) са съвкупността от тактовите импулси, тези за развивка по редове и колони и за разрешаване работата на дисплея, а блокът LED Control Circuit може да регулира интензитета на подсветката (димиране) чрез входа си Dim. Описанието на работата на самия интерфейс е дадено в документацията на модула от ред 8 на табл. 1.

За разлика от фиг. 1 по-голямата част от модулите съдържат и генератор на тактови импулси, а в зависимост от предвидените области на приложение може да имат и памет (най-често Flash), часовник за реално време (RTC), изписвано на екрана им, и видеодекодер за работа с видеокамери.

В отговор на стремежа за намаляване на размерите и повишаване на надеждността съществуват модели, при които част от модулите са вградени в дисплея. Характерен пример е технологията VIT на производителя NLT Technologies, три разновидности на която са дадени на фиг. 3.

Основни параметри
Първата група са механичните параметри на екрана. Размерите му при модулите за изображения се определят от неговия диагонал d, измерван обикновено в инчове и отношението на дължината W и височината Н, наричано формат. Засега преобладават модулите с формат 4:3 с рядко използвана разновидност 5:4, но драстично нараства делът на екраните 16:9, отново с редки разновидности 16:10 и 5:3.

Разрешаващата способност (Resolution) показва броя на пикселите по хоризонтала и вертикала и почти винаги съответства на приетите по света стандарти – например WVGA е с 800x480. Друг параметър е размерът на пиксела (дължина и височина WxH), като с много малко изключения се използват квадратни пиксели (W=H). Субпикселите са вертикални ивици с дължина W/3 и твърде често разрешаващата способност се изразява чрез техния брой – за примера тя е 800 x 3(RGB) x 480.

На самия модул също се дават W, H и дебелината D, като тя придобива все по-голямо значение поради подчертания стремеж за намаляването й. Към тази група параметри можем да причислим и броя на LED за подсветка, като в техническата документация се дава тяхното свързване и разположение под екрана.

Втората група включва оптичните параметри, един от които е броят на дискретните стойности на интензитета на светлината (Number of Cоlor) на пикселите. Тъй като интензитетът на всеки от субпикселите са определя от 6- или 8-разредно число (по-рядко 10-разредно), този на пикселите може да е 218 = 262 144 (означава се като 262 К), 224 = 16 777 216 (означение 16,7 М) и 230 = 1 073 741 824 (означение 1,07 G).

Оптични параметри са яркостта на излъчваната светлина, измервана когато е бяла (Brightness of White) BW и имаща мерна единица cd/m2 (равна на остарялата nit) и контрастът (Contrast Ratio) CR като отношение на яркостта на бял и черен пиксел (например 500:1 или 500) в центъра на екрана.

Стойността на CR е най-голяма и съответно качеството на образа е най-добро при наблюдаване на екрана перпендикулярно на неговата повърхност. Когато то се прави под ъгъл, стойността на CR намалява и качеството се влошава, но субективно остава непроменено в границите на т. нар. ъгъл на видимост (Viewing Angle) q. В съвременните дисплеи ъгълът q се дава при намаляване на CR до определена стойност, практически винаги равна на 10.

Освен това се дават 4 стойности на q, като се приема, че върху равнината на екрана е разположена координатна система с абсцисна ос между цифрите 3 и 9 на часовниковата стрелка и ординатна ос между 6 и 12. Ъгълът спрямо положителната абсциса, т. е. към цифрата 3 (означавана с 3 o’clock, right или f=0°), е qх, този спрямо отрицателната абсциса (към цифрата 9 и, съответно, 9 o’clock, left или f=180°) е qх’, ъгълът qу е към положителната ордината (към числото 12, съответно, 12 o’clock, up или f=90°) и qу’ е спрямо отрицателната ордината (към цифрата 6, съответно, 6 o’clock, down или f=270°). Обикновено ъглите са равни или близки, поради което в дадените тук таблици е използван само qх.

Последни от основните оптични параметри са двете времена на реакция (Response Time). При скокообразна промяна на електрическото напрежение върху пиксел, което трябва да предизвика смяна от черен в бял цвят, тя става за времето на нарастващия интензитет (Response Time Rising) Tr, през което той се променя от 10% до 90% от този на бялата светлина. Аналогично е времето на намаляващия интензитет (Response Time Failing) Tf за понижаване от 90% на 10% при смяна от бял в черен цвят. В немалко каталози се дава само сумата Tr+Tf.

Третата група параметри са електрическите, давани поотделно за екрана (LCD Characteristics) и подсветката му (Backlight Characteristics). За екрана те са захранващото му напрежение VDD, консумираният от него ток IDD, а за подсветката – съответно LED Input Voltage VLED и LED Forward Current ILED. Към последните се прибавя експлоатационният срок на светодиодите (LED Lifetime), при изтичане на който интензитетът на светлината им намалява наполовина. Не по-малко важният експлоатационен срок на екрана се дава рядко, например на този в модула на ред 4 на табл. 2 е 43 000 часа.

Специфични LCD технологии
В зависимост от предназначението на модулите към тях се предявяват различни специфични изисквания, за удовлетворяване на които са разработени съответстващи технологии за конструиране на дисплеите.

Типичен представител на дисплеите с малки размери (диагонал между 2,8 cm и 7,4 cm) са Color STN модулите на Orient Display, пример за какъвто е даденият на ред 12 от табл. 1. Друг пример е KWH014TG01-F01 на Formike Electronic с d = 3,68 cm и разрешаваща способност 128x128. Технологията IPS (от In-Plane-Switching) на производителя KOE осигурява широк ъгъл на видимост във всички посоки, съчетан с големи BW и CR и малки Tr и Tf, Пример за базиран на нея дисплей е даден в ред 8 на табл. 1.

Многобройни са случаите на работа на модулите в тежки експлоатационни условия, например широк температурен обхват и/или наличие на удари и вибрации (индустриални, и транспортни приложения). Към тях е ориентирана серията Rugged+ Display на същия производител, част от която са дисплеите в ред 1 на табл. 1 и в ред 7 на табл. 2.

От дисплеите за приложение на открито (Outdoor Application), например в банкомати, ПОС терминали и информационни табла, също се изисква да могат да работят в широк температурен обхват и да имат големи BW и CR, тъй като е необходимо да осигуряват добро възприемане на информацията дори при попадане на пряка слънчева светлина върху тях (Sunlight Readable).

Един от начините за постигане на това е чрез допълнително нанасяне върху външната повърхност на екрана на специални слоеве за намаляване на отразената светлина до няколко десети от процента от падналата. Пример е модулът в ред 1 на табл. 2.

Същевременно за осигуряване на малка консумация на енергия дисплеят трябва да работи без подсветка при достатъчна околна светлина, като подсветката да се включва само при намаляването на осветлението под определен праг. Това са т. нар. пропускащо-отразяващи дисплеи (Transflective Display), пример за каквито е серията R-EVT на NLT Technologies.

При вграждане на модули в различни устройства към дисплеите се предявяват специфични изисквания в зависимост от приложенията. Сред тях са необходимостта от изобразяване на много малки детайли, за което са подходящи SuperFine TFT, известни и като SFT, или осигуряване на естествени цветове от Super-Transmissive Natural Light TFT.

Последните са особено важни за някои медицински приложения, където освен голям брой цветове (Wide Color Gammut) често е необходимо дисплеят да е с голяма яркост и размери, пример за какъвто е даденият в ред 10 на табл. 1.

Добилите бързо популярност в екрани с докосване намират все повече приложения за реализация на модули, като се използват главно такива от резистивен (Resistive) и капацитивен тип (Capacitive). Техни специфични допълнителни параметри са коефициентът на пропускане (Light Transmission), който показва каква част от светлината преминава през тях (обикновено около 80%) и гарантираният брой докосвания (Lifetime) с типични стойности няколко десетки милиона.

Полезно е да се добави, че сензорната част на дисплея обикновено се поставя допълнително върху основния му блок, може да се захранва с постоянно напрежение, различно от неговите, и да се управлява с друг интерфейс. Такива модули са отбелязаните със звездички в таблици 1 и 2.

Съществуват специализирани приложения, където се ползват модули с дисплей тип портрет (Portrait Display) с височина, по-малка от дължината при същия формат. Те са със сравнително малки размери, а примери са дадените в редове 5, 7 и 12 на табл. 1. Предлагат се, макар и все още рядко, модули с дистанционно управление, например FOX-12R на AAEON. С наименование Open Frame Display са модулите, предназначени за вграждане в стени и други вертикални плоскости.

LCD модули за изображения
В зависимост от формата на дисплея, могат да се обособят три вида модули.

Формат 4:3. Това е първият исторически появил се формат, който засега е с най-голямо приложение. Примери за такива модули са дадени в табл. 1, а от сравнително рядката им разновидност с формат 5:4 включва няколко модула на фирмата Alpha Display с диагонали 43 cm и 48 cm.

Формат 16:9. Основните параметри на характерни техни представители са дадени в табл. 2. Особеност на модулите в редове 3 и 5 е изборът на броя на цветовете чрез логически сигнал на един от входовете, а този в ред 11 осигурява работа при едновременно докосване до 10 точки на екрана (10-Point Multi-Touch Screen).

Сравнително рядко се използват модули с формат 16:10, например APR L2202 на Alpha Display с диагонал 56 cm и разрешаваща способност 1680x1050 и формат 5:3.
Характерни приложения на модули с тези два формата са в контролни прибори на индустриални системи, битови апаратури, медицински прибори, автомобилостроене, телекомуникационни устройства и системи, мултимедийни устройства.

Дисплеи със специфични формати. Известни са още като панорамни дисплеи (Panoramic Display), тъй като са с дължина поне 2 пъти по-голяма от височината. Отношението им не е фиксирано и затова диагоналът обикновено не се дава като параметър. Типичен пример е TX31D38VM2ВAA на КОЕ с размери 320 x 130 mm и разрешаваща способност 1280 x 480.

Графични LCD модули
Освен това точно наименование (Graphic Liquid Crystal Module, Graphic LCM) се използва и Graphic Display, въпреки че освен дисплей модулите съдържат контролер, а в много случаи и блокове за постояннотоково захранване и подсветка. По-рядко имат и вградена оперативна памет, например модулът в ред 3 на табл. 3. Все още има немалко модели с подсветка, реализирана чрез флуоресцентна лампа със студен катод (CCFL), както и такива с две разновидности – с CCFL и с LED.

Пример са модулите в редове 4 и 5 на табл. 3, като CCFL на последния работи с напрежение 268 V и ток 5 mA. Наименованието на модулите е в известна степен условно, тъй като освен графики, таблици и други подобни, върху дисплея може да се изписва и текст. Това се дължи на структурата му, която е подобна на дисплеите за изображения, но обикновено с по-малко пиксели. Поради това параметърът за размерите им е Dot Size (DS), а разстоянието между началото на два съседни пиксела е Dot Pitch (DP).

Полезен за приложенията е размерът на самия екран (Viewing Area) VA. Друга практическа особеност са по-малките CR (до около 30:1) и q (до около 40°), при това обикновено определян за CR=2:1. Бързодействието също е по-малко в сравнение с модулите за изображения – например този в ред 1 на табл. 3 има Tr = 250 ms и Tf = 300 ms.

Естеството на приложенията на тези модули определя ползването главно на едноцветни дисплеи, като даден модел може да има няколко разновидности с различни цветове, определяни от подсветката. Съществуват модели без подсветка, при които цветът  зависи от материала на пикселите.

В табл. 3 са дадени основните параметри на характерни модули, като при ползването на каталожна информация трябва да се обръща внимание, че има модули без вградени контролери.

Графичните цветни LCD модули са сравнително по-малко, а пример за такъв е AN9664A-11-S2 на Orient Display с разрешаваща способност 96RGB64, което означава 96 пиксела в ред, всеки с класическите 3 субпиксела и 64 реда. Диагоналът му е 2,44 cm при CR=4,5 и q < 30°. Сред интересните новости са модулите с дисплеи с две състояния (Bi-stable LCD) на същия производител.

Наименованието се дължи на запазване на изображението след изключване на захранващото напрежение, а за изписване на ново е достатъчно напрежението да се подаде за кратко време. Друго предимство са по-големите стойности на CR (типично 30:1) и на q (около 80° във всички посоки).

Буквено-цифрови LCD модули
Изписваната информация има х символа в ред (обикновено между 4 и 40) и у реда (типично между 1 и 4). Специфични параметри за тези модули са размерите на самите символи (Character Size) CS и размерите заедно с разстоянието между два съседни символа - стъпката (Character Pitch) CP.

От своя страна, символите са матрица от пиксели с m колони и n реда (означение m x n), всеки от които с размер (Dot Size) DS, даван аналогично като дължина x височина, и стъпка (Dot Pitch) DP, включваща разстоянието между тях. Много от модулите се предлагат в разновидности със и без подсветка BL, като тя може да е реализирана с LED или електролуминесцентна лампа, а за цвета й също има няколко възможности с означенията в табл. 4 (W - бял, Y - жълт, G - зелен, O - оранжев, В - син).

Информацията се изписва чрез подаване на вградения в модула микроконтролер (обикновено в каталога се дава типът му) на N-разредни двоични числа с логически нива VIL и VIH, а в част от модулите (дадените в редове 1, 4 и 5 на табл. 4) за целта има вградена оперативна памет. Част от модулите са с възможност за двупосочен обмен на данните с устройството, към което са свързани.

Последното е в сила за модулите, работещи с един или повече от масово използваните интерфейси. Параметрите CR и q се задават рядко в каталозите, тъй като са твърде малки в сравнение с модулите за изображения (например модулът в ред 6 има CR=5 и qх=40°).

OLED модули
Сериозните предимства на OLED пред LCD, сред които малката консумация на електрическа енергия, големите CR и q и малките Tr и Tf, все още са в сянката на сравнително високата им цена и къс експлоатационен срок.

Поради това и приложенията засега са по-малко от възлаганите надежди, като предлаганите на пазара модули са с малки размери и се ограничават главно в преносими апаратури, чийто дисплей може да се изгаси след прочитане на информацията върху него. Характерен пример са преносимите медицински устройства.

Най-много се използват едноцветните графични и буквено-цифрови модули, примери за каквито има в редове 1, 3 и 4 на табл. 5, като модулът от ред 1 има експлоатационен срок 24 000 часа. В ред 2 на таблицата са дадени основните параметри на модул с цветен дисплей.

Сред последните новости е модулът mOLED-32028P1T на 4D Systems, съдържащ дисплей с активна матрица (AMOLED) и сензорен екран. Диагоналът му е 7,19 cm при разрешаваща способност 320x 240 и 218 цвята, а управлението се осъществява чрез I2C интерфейс.

Новият Специален брой: Машини, технологии, оборудване за Industry 4.0/2018

Специален брой: Машини, технологии, оборудване за Industry 4.0-2018

ВСИЧКИ СТАТИИ | АРХИВ

ЕКСКЛУЗИВНО

Top