Kiedy projektanci wybierają wyświetlacze do sterowania przemysłowego, sprzętu medycznego i innych kompaktowych systemów, muszą nie tylko wyświetlać więcej informacji na mniejszych ekranach, ale także muszą poprawić widoczność, użyteczność i niezawodność. Ponadto konieczna jest redukcja kosztów przy jednoczesnym przyspieszeniu rozwoju.
Przy zastosowaniu tradycyjnych rozwiązań trudno jest uzyskać rozsądną kombinację wielkości, rozdzielczości, jasności i wydajności przemysłowej. Problemem staje się zatem poziom trudności integracji. Małe wyświetlacze przemysłowe zazwyczaj przybierają formę paneli lub modułów wyświetlaczy, ale wymagają od projektantów włożenia dużego wysiłku w rozwiązywanie problemów, takich jak sterowniki niskiego poziomu, podświetlenie i łagodzenie zakłóceń elektromagnetycznych (EMI).
W artykule tym pokrótce przedstawiono wyzwania stojące przed projektantami podczas opracowywania systemów kompaktowych. Następnie przedstaw 3,5-calowy wyświetlacz typu plug and play firmy Newhaven Display i zademonstruj, jak szybko zintegrować i wdrożyć ten wyświetlacz.
Zapotrzebowanie na rynku na kompaktowe ekrany o wysokiej rozdzielczości stale rośnie
Małe urządzenia zawsze ledwo mogły korzystać z wyświetlaczy o niskiej rozdzielczości. Ze względu na ograniczenia funkcjonalne te tradycyjne systemy wymagają jedynie prostych menu i podstawowych etykiet wskaźników. Jednak nowoczesne urządzenia wymagają wyświetlaczy o wysokiej rozdzielczości, aby prezentować złożone dane i zapewniać doskonałe wrażenia użytkownika.
Wprowadzenie łączności z Internetem rzeczy (IoT) i złożonych możliwości analitycznych spowodowało te zmiany. Biorąc za przykład przenośne narzędzia diagnostyczne i urządzenia pomiarowe, funkcje takich urządzeń wykraczają daleko poza dostarczanie danych pomiarowych ze sprzężeniem zwrotnym. Muszą także generować szczegółowe analizy wydajności działania urządzenia i zapewniać wizualne wskazówki dotyczące obsługi podczas rozwiązywania problemów.
Rozwój platform również napędza zapotrzebowanie na rozwiązania rozdzielczości. Ponieważ tradycyjne wbudowane środowiska RTOS ustępują miejsca nowoczesnym platformom, takim jak Linux, Windows Embedded i Raspberry Pi, projektanci stają przed praktycznym ograniczeniem: nowoczesne systemy operacyjne wymagają rozdzielczości wyświetlacza co najmniej 640 × 480, której tradycyjne wyświetlacze małych urządzeń po prostu nie są w stanie spełnić.
Z punktu widzenia programowania ponowne wykorzystanie struktur interfejsu użytkownika, widżetów i bibliotek ikon pierwotnie opracowanych dla komputerów stacjonarnych, tabletów lub systemów wbudowanych o wyższej rozdzielczości stało się rzeczywistością. To ponowne wykorzystanie pomaga zapewnić spójność marki i funkcji w różnych liniach produktów, unikając jednocześnie jednorazowej pracy z graficznym interfejsem użytkownika (GUI) niskiego poziomu.
Dlaczego tradycyjne małe wyświetlacze komplikują integrację
Aby sprostać tym wymaganiom, projektanci odchodzą od zwykłej rozdzielczości 320 × 240 w małych wyświetlaczach na rzecz wyraźnych i responsywnych wyświetlaczy na cienkowarstwowych tranzystorach (TFT) o rozdzielczości 640 × 480 i wdrażają technologie takie jak przełączanie w płaszczyźnie (IPS), aby uzyskać precyzyjne kolory i szersze kąty widzenia. Czterokrotny wzrost liczby pikseli zapewnił doskonały interfejs użytkownika, ale spowodował także dwa powiązane ze sobą wyzwania.
Wyświetlacze o wysokiej rozdzielczości poniżej 5 cali są zwykle dostarczane w formie gołego ekranu i można je podłączyć za pomocą interfejsów takich jak 24-bitowy RGB, LVDS lub MIPI-DSI. Aby zintegrować te ekrany, projektanci muszą uwzględnić takie kwestie, jak konstrukcja obwodów o dużej prędkości, złożone okablowanie i zakłócenia elektromagnetyczne generowane przez sygnały o wysokiej częstotliwości. Podobnie podświetlenie małych ekranów to zwykle tylko „najbardziej podstawowa” konfiguracja, dlatego projektanci muszą sami zakupić sterowniki LED i wdrożyć funkcje kontroli przyciemniania.
Jeśli chodzi o oprogramowanie, nagim ekranom brakuje standardowych mechanizmów wykrywania. Projektanci muszą ręcznie skonfigurować taktowanie wyświetlania i opracować niestandardowe sterowniki do wprowadzania danych dotykowych i sterowania podświetleniem. Jednak wykonanie tego zadania wymaga specjalistycznej wiedzy na temat grafiki i systemów operacyjnych, która może nie być głównym przedmiotem zainteresowania zespołu ds. produktu i może sprawić, że testowanie, produkcja i konserwacja na miejscu będą bardziej złożone.
Uprość integrację małych ekranów za pomocą HDMI i USB
3,5-calowy wyświetlacz IPS HDMI TFT firmy Newhaven Display (rysunek 1) łączy panel wyświetlacza o rozdzielczości 640 × 480, sterownik podświetlenia o wysokiej jasności, strukturę ekranowania EMI i opcjonalny pojemnościowy moduł dotykowy w kompletny element wyświetlacza, z łatwością rozwiązując wyżej wymienione problemy. Gęstość pikseli tych paneli wyświetlacza wynosi 228 pikseli na cal (PPI), co spełnia wymagania rozdzielczości interfejsów człowiek-maszyna intensywnie przetwarzających informacje (HMI) i pozwala uniknąć problemów tradycyjnych projekt sprzętu.
Newhaven Display 3,5-calowy ekran IPS HDMI TFT
Rysunek 1: 3,5-calowy wyświetlacz IPS HDMI TFT zawiera przejrzysty panel wyświetlacza o rozdzielczości 640 × 480 w kompletny element typu plug and play. (Źródło obrazu: Newhaven Display)
Oprogramowanie interfejsu wideo HDMI może uprościć debugowanie systemu. Jeśli chodzi o system hosta, ten ekran wyświetlacza przypomina standardowy monitor HDMI, a nie nieznany, goły panel wyświetlacza, który wymaga dostosowanego timera. Jak każdy standardowy monitor HDMI, ten interfejs deklaruje tryb 640x480 za pomocą rozszerzonych danych identyfikacyjnych wyświetlacza (EDID) i może osiągnąć automatyczne wykrywanie na popularnych platformach komputerów jednopłytkowych (SBC), takich jak Windows, Linux i Raspberry Pi. W ten sposób nie ma potrzeby opracowywania niskopoziomowych sterowników graficznych, a ryzyko błędów w konfiguracji rozdzielczości można maksymalnie zminimalizować.
Czuły na dotyk NHD-3.5-HDMI-HR-RSXP-CTU (rysunek 2) rozszerza koncepcję projektową standardowego interfejsu na jego projektowane pojemnościowe wejście dotykowe (PCAP). W tym pojemnościowym produkcie dotykowym złącze micro USB może jednocześnie zapewniać zasilanie 5 V i dane dotykowe. Kontrolery dotykowe wyświetlają się jako standardowe urządzenia USB Human Interface Device (USB-HID) w systemach Windows i Linux, dzięki czemu system operacyjny automatycznie instaluje sterowniki bez konieczności stosowania modułów jądra określonych dostawców.
Newhaven Display NHD-3.5-HDMI-HR-RSXP-CTU (kliknij, aby powiększyć)
Rysunek 2: NHD-3.5-HDMI-HR-RSXP-CTU integruje przejrzysty panel wyświetlacza o rozdzielczości 640 × 480 w kompletny zespół wyświetlacza, a wokół komponentów o wysokiej częstotliwości zainstalowano urządzenia ekranujące EMI. (Źródło obrazu: Newhaven Display, modyfikacja autora)
Moduły te upraszczają także cały proces montażu. Korzystając z rozwiązania z pustym panelem wyświetlacza, projektanci muszą przeprowadzić wieloetapową integrację: zainstalować szkło TFT w dostosowanej ramie, zamocować niezależne płytki sterownika w innych miejscach wewnątrz obudowy, ułożyć precyzyjne kable taśmowe pomiędzy komponentami i określić przestrzeń instalacyjną dla dyskretnego obwodu sterownika LED. 3,5-calowy IPS HDMI TFT upraszcza powyższy proces i można go zmontować wyłącznie poprzez otwory montażowe znajdujące się w czterech rogach.
Architektura podwójnego kabla (HDMI dla wideo, Micro USB dla zasilania i dotyku) zastępuje delikatne, elastyczne obwody standardowymi kablami, a złącza są rozmieszczone wzdłuż jednej krawędzi płytki drukowanej (płyty PC), co ułatwia bezpośrednie okablowanie. Zintegrowana struktura ekranująca EMI dodatkowo zmniejsza wymagania przeciwzakłóceniowe na poziomie powłoki.
Wykorzystanie technologii IPS w celu uzyskania widoczności w świetle słonecznym
W porównaniu z tradycyjnymi panelami wyświetlaczy typu Twisted Nematic (TN) lub o wyrównaniu pionowym (VA), wyświetlacze IPS charakteryzują się doskonałą wydajnością optyczną. IPS osiąga szeroki kąt widzenia 85° we wszystkich kierunkach i utrzymuje spójne kolory i kontrast pod różnymi kątami widzenia. Typowa jasność modelu pojemnościowego wynosi 810 świec na metr kwadratowy (cd/m²), co pozwala na użytkowanie w silnym oświetleniu otoczenia, dzięki czemu instrumenty ręczne, panele sterowania i inne zastosowania w środowiskach zewnętrznych i przemysłowych są wyraźnie widoczne.
Niedotykowy ekran wyświetlacza NHD-3.5-HDMI-HR-RXP (rysunek 3) ma tę samą ogólną architekturę, ale eliminuje nakładanie się PCAP. Dzięki temu jasność wyświetlacza wynosi 950 cd/m², co zapewnia lepszą czytelność w świetle słonecznym w zastosowaniach przetwarzających dane wejściowe za pośrednictwem fizycznych przycisków lub innych zewnętrznych kontrolerów. Pobór prądu w modelach bezdotykowych jest również nieco niższy (typowa wartość to 460 miliamperów (mA) zamiast 490 mA). Model ten wykorzystuje również metody połączenia HDMI i USB, ale USB zapewnia tylko zasilanie.
Ekran wyświetlacza NHD-3.5-HDMI-HR-RSXP firmy Newhaven Display o konkretnych wymiarach zaznaczonych na obrazku (kliknij, aby powiększyć)
Rysunek 3: Model NHD-3.5-HDMI-HR-RXP ma fabrycznie zintegrowany ekran o rozdzielczości 640 × 480 i ma konstrukcję z otwieraną ramką zamiast pojemnościowej konfiguracji dotykowej. (Źródło obrazu: Newhaven Display, modyfikacja autora)
Zakres temperatur pracy obu modeli wynosi -20°C do +70°C, a zakres temperatur przechowywania -30°C do +80°C. Badania weryfikacyjne obejmują cykle termiczne, wibracje i wyładowania elektrostatyczne, przy napięciu probierczym ± 8 kV w powietrzu i ± 4 kV w kontakcie. Te cechy umożliwiają zastosowanie obu produktów w przemyśle, transporcie i lekkich środowiskach zewnętrznych, a projektanci nie muszą samodzielnie przeprowadzać certyfikacji poziomu wyświetlacza.
Szybko rozpocznij ustawienia sprzętu i oprogramowania
Na poziomie sprzętowym integracja koncentruje się głównie na trzech głównych interfejsach (rysunek 4). Złącze HDMI typu A służy do zapewnienia wejścia wideo; Złącze USB Micro-B służy do zapewnienia napięcia 5 V, a jeśli jest to model pojemnościowy, może także przesyłać dane dotykowe USB-HID. Mały blok zacisków wyprowadza pin sterujący sterownika podświetlenia, który może przyjmować proste sygnały włączające lub przebiegi modulacji szerokości impulsu od 5 kHz do 100 kHz. Lampka wskaźnika stanu LED może wskazywać zasilanie, wykrywanie łącza HDMI i działania dotykowe w wersji pojemnościowej, co jest pomocne przy debugowaniu podczas uruchamiania i rozwiązywaniu problemów na miejscu.
Główne funkcje Newhaven Display 3,5" IPS HDMI TFT
Główne cechy IPS HDMI TFT na rysunku 4:3.5 obejmują interfejsy HDMI (1) i USB Micro-B (2), HDMI, zasilacz prądu stałego, diody LED wykrywające dotyk (3-5) i listwę zaciskową podświetlenia (6). (Źródło obrazu: Newhaven Display)
W systemach Windows 10 i 11 ekran zostanie automatycznie wykryty jako zwykły monitor HDMI. Po podłączeniu łącza USB model pojemnościowy zostanie wyświetlony na liście urządzeń dotykowych USB-HID. Nie ma potrzeby instalowania dedykowanych sterowników, można korzystać ze standardowych ustawień wyświetlacza i narzędzi do kalibracji dotyku.
Systemy oparte na systemie Linux zazwyczaj w podobny sposób korzystają z HDMI i EDID do automatycznego wykrywania trybu. W większości konfiguracji moduł wyświetla się jak standardowy monitor HDMI, a system automatycznie wybiera tryb 640×480. W przypadku platform takich jak Raspberry Pi podręcznik użytkownika zawiera przykłady instrukcji konfiguracyjnych, które w razie potrzeby wymuszają użycie żądanego trybu i taktowania. Wejście dotykowe ekranu w wersji pojemnościowej jest wyświetlane jako urządzenie USB-HID za pośrednictwem standardowego podsystemu wejściowego Linux, co upraszcza integrację z popularnymi platformami graficznymi.
Jasność podświetlenia można regulować za pomocą pinów sterujących zintegrowanego sterownika LED, bez konieczności stosowania oddzielnego obwodu sterującego. Statyczne poziomy logiczne można wykorzystać do prostego włączania/wyłączania, natomiast wejścia modulacji szerokości impulsu mogą regulować jasność, aby dostosować się do warunków o słabym oświetleniu lub zmniejszyć zużycie energii w stanie bezczynności. Ta metoda pozwala uniknąć szumów przełączania i złożoności układu spowodowanej konstrukcją dyskretnych wysokonapięciowych sterowników LED na głównej płytce drukowanej.