Когда проектировщики выбирают дисплеи для промышленного управления, медицинского оборудования и других компактных систем, им необходимо не только отображать больше информации на экранах меньшего размера, но также необходимо улучшить видимость, удобство использования и надежность. Кроме того, необходимо сокращать затраты и одновременно ускорять разработку.
При использовании традиционных решений сложно добиться разумного сочетания размера, разрешения, яркости и промышленных характеристик. Итак, проблемой становится уровень сложности интеграции. Небольшие промышленные дисплеи обычно имеют форму дисплейных панелей или модулей, но требуют от дизайнеров больших усилий для решения таких проблем, как низкоуровневые драйверы, подсветка и подавление электромагнитных помех (EMI).
В этой статье сначала кратко описываются проблемы, с которыми сталкиваются проектировщики при разработке компактных систем. Затем представьте 3,5-дюймовый дисплей высокой четкости Plug and Play от Newhaven Display и продемонстрируйте, как быстро интегрировать и развернуть этот дисплей.
Спрос на компактные дисплеи высокого разрешения на рынке продолжает расти.
Маленькие устройства всегда едва могли использовать дисплеи с низким разрешением. Из-за функциональных ограничений этим традиционным системам требуются только простые меню и базовые индикаторные метки. Однако современным устройствам требуются дисплеи с высоким разрешением для представления сложных данных и обеспечения идеального пользовательского опыта.
Эти изменения были вызваны появлением возможностей подключения к Интернету вещей (IoT) и комплексных аналитических возможностей. На примере портативных диагностических инструментов и измерительных приборов функции таких устройств выходят далеко за рамки предоставления данных измерений с обратной связью. Им также необходимо выводить углубленный анализ производительности работы устройства и предоставлять визуальные рекомендации по эксплуатации во время устранения неполадок.
Развитие платформ также привело к росту спроса на разрешение. Поскольку традиционные встроенные среды RTOS уступают место современным платформам, таким как Linux, Windows Embedded и Raspberry Pi, дизайнеры сталкиваются с практическим ограничением: современные операционные системы требуют разрешения дисплея не менее 640 × 480, которому традиционные дисплеи небольших устройств просто не могут соответствовать.
С точки зрения разработки, повторное использование инфраструктур пользовательского интерфейса, виджетов и библиотек значков, изначально разработанных для настольных компьютеров, планшетов или встраиваемых систем с более высоким разрешением, стало реальностью. Такое повторное использование помогает обеспечить согласованность брендинга и функций всех линеек продуктов, избегая при этом одноразовой работы с низкоуровневым графическим интерфейсом пользователя (GUI).
Почему традиционные небольшие дисплеи усложняют интеграцию
Чтобы удовлетворить эти требования, дизайнеры переходят от обычного разрешения 320 × 240 на небольших дисплеях к четким и чувствительным дисплеям на тонкопленочных транзисторах (TFT) 640 × 480 и внедряют такие технологии, как плоскостное переключение (IPS), для достижения точных цветов и более широких углов обзора. Четырехкратное увеличение количества пикселей привело к созданию превосходного пользовательского интерфейса, но также привело к двум взаимосвязанным проблемам.
Дисплеи с высоким разрешением до 5 дюймов обычно предоставляются в виде чистого экрана и могут быть подключены через такие интерфейсы, как 24-битный RGB, LVDS или MIPI-DSI. Чтобы интегрировать эти экраны, проектировщикам необходимо решить такие проблемы, как проектирование высокоскоростных схем, сложная проводка и электромагнитные помехи, генерируемые высокочастотными сигналами. Аналогичным образом, подсветка небольших экранов обычно представляет собой лишь «самую базовую» конфигурацию, поэтому разработчикам необходимо самостоятельно приобретать светодиодные драйверы и реализовывать функции управления затемнением.
Что касается программного обеспечения, в голых экранах отсутствуют стандартизированные механизмы обнаружения. Дизайнерам приходится вручную настраивать синхронизацию дисплея и разрабатывать индивидуальные драйверы для сенсорного ввода и управления подсветкой. Однако выполнение этой задачи требует специальных знаний в области графики и операционных систем, которые могут не быть основной задачей команды разработчиков и могут усложнить тестирование, производство и обслуживание на месте.
Упростите интеграцию небольших экранов с помощью HDMI и USB.
3,5-дюймовый IPS-дисплей HDMI TFT компании Newhaven Display (рис. 1) объединяет панель дисплея с разрешением 640 × 480, драйвер подсветки высокой яркости, структуру экранирования электромагнитных помех и дополнительный емкостный сенсорный модуль в единый компонент дисплея, легко решая вышеупомянутые проблемы. Плотность пикселей этих панелей дисплея составляет 228 пикселей на дюйм (PPI), что соответствует требованиям к разрешению информационноемких человеко-машинных интерфейсов (HMI) и позволяет избежать проблем традиционного аппаратного проектирования.
3,5-дюймовый IPS-экран HDMI TFT от Newhaven Display
Рис. 1. 3,5-дюймовый TFT-дисплей IPS HDMI объединяет четкую панель дисплея с разрешением 640 × 480 в полнофункциональный компонент «подключай и работай». (Источник изображения: Newhaven Display)
Интерфейсное программное обеспечение для видео HDMI может упростить отладку системы. С точки зрения хост-системы этот экран дисплея похож на стандартный монитор HDMI, а не на неизвестную пустую панель дисплея, требующую настраиваемого таймера. Как и любой стандартный монитор HDMI, этот интерфейс объявляет режим 640x480 через расширенные идентификационные данные дисплея (EDID) и может обеспечить автоматическое обнаружение на распространенных платформах одноплатных компьютеров (SBC), таких как Windows, Linux и Raspberry Pi. Таким образом, нет необходимости разрабатывать низкоуровневые графические драйверы, а риск ошибок конфигурации разрешения можно свести к минимуму в максимально возможной степени.
Сенсорный NHD-3.5-HDMI-HR-RSXP-CTU (рис. 2) расширяет концепцию дизайна стандартного интерфейса до проекционно-емкостного сенсорного ввода (PCAP). В этом емкостном сенсорном изделии разъем micro USB может одновременно обеспечивать как питание 5 В, так и сенсорные данные. Сенсорные контроллеры отображаются как стандартные USB-устройства пользовательского интерфейса (USB-HID) в системах Windows и Linux, поэтому операционная система автоматически устанавливает их драйверы, не требуя модулей ядра конкретного поставщика.
Newhaven Display NHD-3.5-HDMI-HR-RSXP-CTU (нажмите, чтобы увеличить)
Рис. 2. NHD-3.5-HDMI-HR-RSXP-CTU объединяет прозрачную панель дисплея с разрешением 640 × 480 в полный блок дисплея, а вокруг высокочастотных компонентов установлены экранирующие устройства от электромагнитных помех. (Источник изображения: Newhaven Display, изменено автором)
Эти модули также упрощают весь процесс сборки. При использовании панели без дисплея проектировщикам необходимо выполнить многоэтапную интеграцию: установить TFT-стекло в специальную рамку, закрепить независимые платы драйверов в других положениях внутри корпуса, проложить прецизионные ленточные кабели между компонентами и определить место для установки дискретной схемы драйвера светодиодов. 3,5-дюймовый IPS HDMI TFT упрощает описанный выше процесс и может быть собран только через монтажные отверстия, расположенные в четырех углах.
Двойная кабельная архитектура (HDMI для видео, Micro USB для питания и сенсорного управления) заменяет хрупкие гибкие схемы стандартными кабелями, а разъемы расположены вдоль одного края печатной платы (PC Board) для упрощения прямого подключения. Интегрированная структура экранирования электромагнитных помех еще больше снижает требования к защите от помех на уровне корпуса.
Использование технологии IPS для достижения видимости под солнечным светом
По сравнению с традиционными панелями со витым нематиком (TN) или панелями с вертикальным выравниванием (VA), дисплеи IPS обладают превосходными оптическими характеристиками. IPS обеспечивает широкий угол обзора 85° во всех направлениях и сохраняет одинаковый цвет и контрастность под разными углами обзора. Типичная яркость емкостной модели составляет 810 свечей на квадратный метр (кд/м²), что позволяет использовать ее в условиях яркого окружающего освещения, делая портативные приборы, панели управления и другие устройства, используемые на открытом воздухе и в промышленных условиях, четко видимыми.
Несенсорный экран дисплея NHD-3.5-HDMI-HR-RXP (рис. 3) имеет ту же общую архитектуру, но исключает перекрытие PCAP. В результате яркость дисплея составляет 950 кд/м², что обеспечивает лучшую читаемость при солнечном свете для приложений, обрабатывающих ввод через физические кнопки или другие внешние контроллеры. Потребление тока у несенсорных моделей также немного ниже (типовое значение составляет 460 миллиампер (мА) вместо 490 мА). В этой модели также используются методы подключения HDMI и USB, но USB обеспечивает только питание.
Экран дисплея NHD-3.5-HDMI-HR-RSXP компании Newhaven Display с конкретными размерами, указанными на рисунке (нажмите, чтобы увеличить)
Рис. 3. Модель NHD-3.5-HDMI-HR-RXP предварительно оснащена экраном с разрешением 640 × 480 и имеет дизайн с открывающейся рамкой вместо емкостной сенсорной конфигурации. (Источник изображения: Newhaven Display, изменено автором)
Диапазон рабочих температур обеих моделей составляет от -20°С до +70°С, а диапазон температур хранения - от -30°С до +80°С. Проверочные испытания включают термоциклирование, вибрацию и электростатический разряд, с испытательным напряжением ± 8 кВ на воздухе и ± 4 кВ при контакте. Эти характеристики позволяют использовать оба продукта в промышленных, транспортных и легких уличных условиях, при этом разработчикам не нужно самостоятельно проводить сертификацию уровня дисплея.
Быстрый запуск аппаратных и программных настроек
На аппаратном уровне интеграция в основном сосредоточена на трех основных интерфейсах (рис. 4). Разъем HDMI типа А используется для видеовхода; Разъем USB Micro-B используется для подачи напряжения 5 В, а если это емкостная модель, то он также может передавать сенсорные данные USB-HID. Небольшой клеммный блок выводит контакт управления драйвером подсветки, который может принимать простые сигналы включения или сигналы широтно-импульсной модуляции от 5 кГц до 100 кГц. Светодиодный индикатор состояния может указывать питание, обнаружение соединения HDMI и сенсорные действия емкостной версии, что полезно для отладки при запуске и устранения неполадок на месте.
Основные функции Newhaven Display 3,5" IPS HDMI TFT
Основные характеристики IPS HDMI TFT на рис. 4:3.5 включают интерфейсы HDMI (1) и USB Micro-B (2), HDMI, источник питания постоянного тока, светодиодные индикаторы обнаружения касания (3-5) и клеммную колодку подсветки (6). (Источник изображения: Newhaven Display)
В системах Windows 10 и 11 экран дисплея автоматически определяется как обычный монитор HDMI. После подключения USB-соединения емкостная модель будет указана как сенсорное устройство USB-HID. Нет необходимости устанавливать специальные драйверы, можно использовать стандартные настройки дисплея и инструменты сенсорной калибровки.
Системы на базе Linux обычно используют HDMI и EDID для автоматического определения режима аналогичным образом. В большинстве конфигураций модуль отображается как стандартный HDMI-монитор, и система автоматически выбирает режим 640×480. Для таких платформ, как Raspberry Pi, в руководстве пользователя приводятся примеры операторов конфигурации, позволяющие принудительно использовать желаемый режим и время, когда это необходимо. Сенсорный ввод на экране дисплея емкостной версии отображается как устройство USB-HID через стандартную подсистему ввода Linux, что упрощает интеграцию с распространенными графическими платформами.
Яркость подсветки можно регулировать с помощью управляющих контактов встроенного светодиодного драйвера без необходимости использования отдельной схемы управления. Статические логические уровни можно использовать для простого управления включением/выключением, а входы широтно-импульсной модуляции позволяют регулировать яркость для адаптации к условиям низкой освещенности или снижать энергопотребление в режиме ожидания. Этот метод позволяет избежать коммутационного шума и сложности компоновки, вызванных конструкцией дискретных высоковольтных драйверов светодиодов на основной плате.