Echiparea unui sistem embedded cu un display adecvat este o sarcină complexă. Sunt multe cerințe care intră în competiție, de la oferirea unei experiențe de utilizare luminoase, intuitive și atractive pentru utilizator până la gestionarea cu atenție a profilului privind consumul de energie pentru a prelungi durata de viață a bateriei între încărcări.
Articolul investighează unele dintre cerințele aplicațiilor și constrângerile tehnice cu care se confruntă inginerii atunci când selectează un display adecvat pentru un proiect embedded.
Trecem în revistă diferitele tehnologii de afișare la un nivel superior și ilustrăm caracteristicile acestora cu ajutorul unor exemple de produse.
Interfața om-mașină – Proiectarea interfeței aplicației
Sistemele embedded sunt peste tot în jurul nostru. Interacționăm cu ele în permanență, iar în cazul unora, cum ar fi telefoanele inteligente, această interacțiune este aproape constantă. În afară de momentele în care dormim, este probabil să folosim aceste sisteme pe tot parcursul zilei, de când ne trezim dimineața, în timpul deplasării, la serviciu și acasă. Printre exemple se numără ceasurile inteligente, aragazurile cu microunde, sistemele de infotainment pentru automobile, panourile de control industrial și comenzile de automatizare a locuinței.
Fiecare dintre exemplele de aplicații de mai sus are cerințe de funcționare specifice, pe care le analizăm în secțiunea următoare. Pentru utilizator, interfața om-mașină (HMI) implică, de obicei, utilizarea unui display, ale cărui dimensiuni și set de caracteristici depind de aplicație. Telefoanele inteligente au fixat un punct de referință pentru crearea unor interfețe elegante, intuitive și ușor de utilizat, care au devenit o caracteristică familiară pentru alte sisteme din casele, mașinile și fabricile noastre. Nu numai că HMI a devenit o interfață operațională necesară, dar a devenit și un atribut dezirabil de diferențiere a mărcii.
Ce model de display are nevoie aplicația voastră?
Figura 1: Modul display Riverdi EVE4 cu senzor tactil capacitiv de 5 inch. (© Riverdi)
Pentru echipa de ingineri, există factori multipli și adesea opuși atunci când se selectează tipul display-ului pentru interfața cu utilizatorul a sistemului embedded. Specificațiile de marketing ale unui produs vor stipula majoritatea acestor factori din punct de vedere operațional; cu toate acestea, alegerea unui anumit display ar putea impune constrângeri tehnice asupra designului general al sistemului. De exemplu, un ecran mare cu cristale lichide (LCD) ar putea face ca HMI să fie mai intuitivă pentru un produs portabil alimentat de la baterie, dar utilizatorii ar putea considera că timpul de funcționare între încărcări este limitat. Deși acest articol se concentrează pe selectarea unui anumit tip de ecran, cititorii trebuie să-și amintească că un display cu șapte segmente și câteva butoane ar putea fi mai mult decât adecvat pentru aplicații simple.
Pentru a vă ajuta în alegerea display-ului adecvat, echipa de ingineri ar trebui să analizeze următorii factori.
Mediul de operare: Unde va fi utilizat sistemul embedded? Utilizarea oricărui display în lumina puternică a soarelui este mult mai dificilă decât într-un mediu interior de birou sau de fabrică. De asemenea, utilizarea unui ecran fără să afecteze vederea pe timp de noapte – de exemplu, într-o aplicație maritimă sau de aviație – necesită adaptarea automată a iluminării de fundal sau a schemei de culori a display-ului. Produsul va fi expus la condiții de mediu? Umiditatea și praful creează probleme ecranelor cu senzor tactil, astfel încât majoritatea ceasurilor inteligente și a dispozitivelor de navigație personală utilizează în locul lor butoane fizice protejate împotriva pătrunderii apei sau a prafului. Un alt aspect de luat în considerare este unghiul de vizualizare al display-ului. Unde va fi amplasată de obicei unitatea în raport cu utilizatorul? Nu se poate presupune că utilizatorul se află întotdeauna în fața HMI.
Figura 2: Schema bloc funcțională a controlerului Bridgetek BT817 utilizat în seria Riverdi EVE 4. (© Riverdi)
Complexitatea interfeței cu utilizatorul: Cât de complexă este HMI? Există multe funcții separate care trebuie controlate? Este fiecare dintre acestea o simplă activare/dezactivare sau de natură mai variabilă? Interfața dorită va fi de tip text sau va presupune comenzi vizuale sofisticate, eventual folosind un ecran tactil rezistiv sau capacitiv? Proiectarea unei interfețe cu utilizatorul (UI) intuitive și ușor de folosit necesită o înțelegere solidă a experienței utilizatorului (UX) și este considerată o competență de specialitate. O structură logică și ierarhică de meniuri pe mai multe pagini ajută la simplificarea operațiunii. De asemenea, menținerea similitudinii UI într-o gamă de produse impune reputația unei mărci de top și de încredere și nu trebuie neglijată.
Constrângeri legate de spațiu și de carcasă: Cât de mare va fi produsul final și cât de mult spațiu este disponibil pentru integrarea sistemului embedded și a afișajului? Este spațiul limitat de necesitatea obținerii unei amprente standard în industrie într-un dulap de control industrial, de exemplu? Este posibil ca display-ul să trebuiască să fie amplasat în spatele unui capac de sticlă sau de plexiglas pentru aplicațiile de exterior și pentru sistemele utilizate în scopuri industriale sau medicale. Pentru aplicațiile de consum și pentru automobile, este de dorit o metodă de montare elegantă și încastrată. Pe lângă ecran, este nevoie de un controler PCB separat sau poate fi interfațat direct cu microcontrolerul gazdă? Dacă este disponibilă o adâncime suficientă a carcasei, ar putea fi posibilă suprapunerea împreună a ecranului, a controlerului și a gazdei. Această abordare ar simplifica interconectarea între plăci, mai degrabă decât utilizarea unor cabluri panglică.
Figura 3: Modulul NHD-5.0-800480AF TFT LCD de 5 inch de la Newhaven Display. (© Newhaven Display)
Constrângeri tehnice: Cerințele privind interfața cu utilizatorul și carcasa vor determina în mare măsură dimensiunea ecranului, expunând un set de considerații tehnice. Specificațiile electrice ale tensiunii (tensiunilor) de alimentare și ale consumului de curent sunt aspecte vitale, în special pentru proiectele alimentate de la baterii. Interfața gazdă este un alt factor cheie, majoritatea necesitând o conexiune serială de mare viteză, cum ar fi UART, SPI sau HDMI. O conexiune I²C poate fi suficientă pentru ecrane de dimensiuni mai mici care implică un transfer de date mai redus. Multe dintre cele mai populare display-uri sunt disponibile sub formă de module pentru a facilita dezvoltarea și integrarea, încorporând display-ul, controlerul, memoria display-ului și controlerul de detecție tactilă. În cazul sistemelor alimentate de la baterii și al celor care sunt utilizate rar, este de dorit să existe posibilitatea de a pune sistemul embedded și afișajul într-un mod de veghe pentru economisirea energiei. În acest caz, este necesar să se asigure că aplicația și display-ul pot fi repuse rapid în funcțiune prin atingerea ecranului. Disponibilitatea resurselor software și a unui mediu grafic de dezvoltare HMI ușurează considerabil realizarea prototipurilor de interfață cu utilizatorul (UI).
Tehnologii de display populare
Cele mai populare tehnologii de display pentru sisteme embedded sunt următoarele:
- Diode emițătoare de lumină (LED) – Display-urile LED includ matrice de puncte și modele cu 7 și 14 segmente care utilizează diode emițătoare de lumină pentru a facilita proiectarea de interfețe cu utilizatorul alfanumerice simple. Termenul LED este, de asemenea, utilizat în mod confuz pentru display-urile LCD care utilizează LED-uri pentru iluminarea din spate (backlight).
- Afișaj cu cristale lichide (LCD) – Acesta este cel mai cunoscut tip de afișaj. Cristalele lichide își folosesc proprietățile de modulare a luminii și filtrul de polarizare împreună cu o lumină de fundal sau un reflector pentru a crea imagini color. Deoarece structurile cu cristale lichide nu emit lumină, ci se bazează pe lumina de fundal, acestea pot fi dificil de urmărit în lumina directă a soarelui.
- Organic LED (OLED) – Aceste ecrane versatile și din ce în ce mai populare sunt potrivite pentru aplicații text și grafice și utilizează LED-uri pentru a proiecta lumina prin filtre de polarizare. Deoarece LED-urile emit imaginea direct, fără a avea nevoie de o lumină de fundal, acestea oferă o caracteristică de contrast ridicat, potrivită pentru utilizarea în lumina directă a soarelui.
- E-ink (cunoscute și sub numele de e-paper sau hârtie electronică) – Utilizate frecvent în cazul tabletelor e-book, display-urile e-ink (cu cerneală electronică) sunt din ce în ce mai populare pentru etichetele (conectate) de pe rafturile supermarketurilor și pentru aplicații de semnalizare digitală. Tehnologia de afișare nu emite lumină și nici nu necesită o iluminare de fundal, reflectând, în schimb, lumina ambientală. Ele prezintă un raport de contrast ridicat, ceea ce le face potrivite pentru utilizarea în lumina directă a soarelui. De asemenea, afișajele e-ink au cel mai larg unghi de vizualizare dintre toate display-urile evidențiate. Un avantaj major al afișajelor e-ink este profilul consumului de energie, deoarece consumă curent doar atunci când reîmprospătează ecranul.
Printre exemplele de ecrane LCD se numără seria Riverdi EVE, familia Newhaven Display NHD și gama 4D Systems LCD 43480272.
Modulele LCD TFT (thin film transistor) de înaltă luminozitate Riverdi EVE4 sunt disponibile în dimensiuni de 3,5 inch (320 × 240 pixeli), 4,3 inch (480 × 272 pixeli), 5 inch (800 × 480 pixeli) și 7 inch (1024 × 600 pixeli) (figura 1). Acestea sunt disponibile fie cu control tactil rezistiv sau capacitiv, fie fără ecran tactil.
Figura 4: Un exemplu de interfață utilizator în curs de dezvoltare cu ajutorul IDE-ului vizual Workshop 4 de la 4D Systems. (© 4D Systems)
Modulele utilizează puternicul controler video Bridgetek BT817 (figura 2). Conectivitatea dintre gazdă și display utilizează fie o interfață QSPI, fie o interfață SPI. Ecranul de 5 inch necesită o alimentare de 3,3VDC și o alimentare de 5V pentru iluminarea de fundal. Consumul de curent al display-ului este, de regulă, de 203mA și 365mA pentru lumina de fundal.
Figura 3 ilustrează display-ul tactil capacitiv de 5 inch al companiei Newhaven Display, utilizat într-o aplicație agricolă de gestionare a șeptelului. Afișajul și controlerul ecranului tactil necesită 3,3VDC la cel mult 72 mA, iar iluminarea de fundal 21VDC la 60 mA. Unghiul de vizualizare este de obicei de 80 de grade și are un raport de contrast mediu de 1000.
4D Systems este un alt furnizor de module TFT LCD, oferind produse precum modulul 43480272 de 4,3 inch cu 480 × 272 pixeli. Echipat cu un senzor tactil capacitiv, modulul necesită o singură sursă de alimentare de 3,3VDC, oferă un unghi de vizualizare tipic de 70 de grade și are un nivel de contrast de 500. Lumina de fundal operează, de asemenea, de la 3,3VDC, iar consumul este de până la 60mA. Pentru a ușura sarcina dezvoltatorilor de aplicații embedded însărcinați cu crearea unui display profesional, 4D Systems oferă mediul integrat de dezvoltare vizuală Workshop 4 (figura 4).
Figura 5: Un modul de display OLED de 2,1 inch ELW2106AA de la Futaba. (© Futaba)
Workshop 4 IDE dispune de instrumente și widget-uri vizuale gata de utilizare, cum ar fi indicatoare, cursoare și fonturi, astfel încât echipa de dezvoltare să se poată concentra asupra software-ului de aplicație fără a se încurca în aspectele vizuale ale HMI.
Un exemplu de display OLED este seria EL de la Futaba. Disponibile în diferite dimensiuni, de la 0,5 inch la 3,6 inch, aceste display-uri subțiri, ușoare și cu consum redus de energie oferă capabilități ridicate de contrast pentru o gamă largă de aplicații industriale și de consum. Figura 5 ilustrează ELW2106AA, un afișaj grafic alb de 2,1 inch cu rezoluție 256 × 64. Afișajul necesită o alimentare de 16,5VDC (display) și 3,0VDC (logică). Consumul display-ului este de maximum 52mA cu toți pixelii activi, iar circuitul logic consumă doar 475uA. Raportul de contrast declarat este de 10.000.
Figura 6: Modulul EPD TP370PGH01 de 3,7 inch de la Pervasive Displays. (© Pervasive Displays)
Exemplul final de produs este modulul EPD (electronic paper display) cu cerneală electronică de 3,7 inch de la Pervasive Displays (figura 6). Modulul dispune de interfețe SPI și I²C, are un unghi de vizualizare de 180 de grade și consumă maximum 2,49 mA în timpul reîmprospătării afișajului de la o alimentare tipică de 5VDC. Ecranul alb-negru nu consumă energie atunci când nu se afișează o imagine. Senzorul tactil necesită 3,3VDC, consumând maximum 10 mA atunci când este activ, scăzând la 2,5 mA atunci când este inactiv.
Selectarea display-ului optim pentru sistemul vostru embedded
Selectarea display-ului corect pentru proiectul vostru embedded necesită o analiză atentă. În acest articol, am evidențiat câțiva factori pe care inginerii ar trebui să îi analizeze, concentrându-ne asupra aspectului estetic, complexității interfeței cu utilizatorul, spațiului disponibil și atributelor tehnice.
Dotarea produsului vostru cu display-ul optim și o interfață cu utilizatorul intuitivă vă va asigura locul de lider de piață.
Autor:
Mark Patrick
Mouser Electronics
Authorised Distributor
www.mouser.com
Urmărește-ne pe Twitter
