Опубликован: 26.05.2010 | Доступ: свободный | Студентов: 1593 / 256 | Оценка: 4.42 / 4.25 | Длительность: 56:51:00
ISBN: 978-5-9963-0124-9
Специальности: Разработчик аппаратуры
Лекция 26:

Элементная база интеллектуальных сенсоров. Часть 2

Аннотация: Рассмотрены принципы построения и приведены важнейшие технические характеристики таких узлов интеллектуальных сенсоров, как ЖКИ, пленочные и силиконовые клавиатуры, сенсорные экраны, микросхемы оперативной, репрограммируемой, постоянной, флеш-памяти и внешнего интерфейса
Ключевые слова: силиконовая клавиатура, ПО, клавиатура управления, сигнализатор, LCD, crystal, отношение, поле, плоскость, энергия, дисплей, стоимость, пленочная клавиатура, мембраны, ресурс, дизайн, сенсорный экран, screen, информация, пользователь, микроконтроллер, координаты, электрическая схема, градиент, потенциал, выход, АЦП, опорное напряжение, DST, dispersion, technology, микроконвертор, память, оперативная память, random access, static ram, SRAM, dynamic ram, DRAM, статическая память, постоянная память, электрически программируемая память, программатор, репрограммируемая память, флэш-память, цифровой фотоаппарат, компьютер, последовательный интерфейс, EIA, RS-232, CCITT, сенсор, transmit, Data, receive data, RTS, send, clear, DSR, data set ready, DCD, carry, detect, DTR, terminal, ready, indicator, индикатор, GND, system, ground, бит, регистр, скорость передачи, максимум, расстояние, интерфейс, порт, RS-485, интерфейс USB, serial bus, драйвер, USB, сеть, длина, кабель, передача данных, шина, IEEE 1394, FireWire, IEEE 1284, инфракрасный интерфейс, IrDA, RED, диапазон, функциональная схема, фотодиод, байт, контроль, связь, программное обеспечение, модуль, serial port, значение, последовательным доступом, программируемая постоянная память

Цель лекции: ознакомить слушателей с современной элементной базой, применяемой при построении интеллектуальных сенсоров. Описать свойства и принципы построения жидкокристаллических индикаторов, кнопочных, пленочных и силиконовых клавиатур, указать на возможности их конструирования и изготовления по заказу. Рассказать о возможности совмещения функций индикатора и клавиатуры в сенсорных панелях и о преимуществах их использования. Ознакомить с промышленно выпускаемыми микросхемами оперативной, репрограммируемой и постоянной памяти, с достигнутым уровнем их характеристик. Указать на большие возможности флеш-памяти. Дать основные сведения о различных применяемых сейчас видах внешнего интерфейса, позволяющих оптимально решать вопросы "общения" интеллектуальных сенсоров с внешними компьютерами и другими сенсорами.

26.1. Жидкокристаллические индикаторы

Интеллектуальные сенсоры должны выдавать пользователю информацию в наиболее удобной для него форме, предоставлять ему возможности изменять режимы работы сенсора, влиять на функционирование, привлекать внимание пользователя в критических и других предусмотренных ситуациях. С этой целью в состав сенсоров вводят узлы отображения (визуализации) информации, клавиатуру управления и звуковые сигнализаторы.

Устройства отображения информации представлены ныне многими типами дисплеев: светодиодными, электролюминесцентными и катодолюминесцентными, плазменными и т.д. Но в портативных интеллектуальных сенсорах чаще всего используют индикаторы на жидких кристаллах ( ЖКИ, англ. LCD – Liquid Crystal Displays). Они потребляют мало энергии, имеют высокое отношение полезной площади к объему, надежны в работе и относительно недороги. Их работа основана на способности молекул жидких кристаллов переориентироваться в достаточно сильном электрическом поле и в их способности поворачивать плоскость поляризации проходящего поляризованного света.

Конструкцию и принцип действия ЖКИ поясняет рис. 26.1.

а) Ориентация молекул ЖК вещества в соседних молекулярных слоях при отсутствии электрического поля. Они образуют закрученную подобно спирали структуру, которая при прохождении света Св поворачивает плоскость его поляризации П1 в направлении П2; б) конструкция ЖКИ

Рис. 26.1. а) Ориентация молекул ЖК вещества в соседних молекулярных слоях при отсутствии электрического поля. Они образуют закрученную подобно спирали структуру, которая при прохождении света Св поворачивает плоскость его поляризации П1 в направлении П2; б) конструкция ЖКИ

В ЖКИ между двумя прозрачными стеклянными пластинами размещается жидкокристаллический (ЖК) материал. На поверхности пластины создан микрорельеф, благодаря которому все вытянутые молекулы ЖК материала ориентируются возле поверхности в одном направлении. Ориентация молекул возле поверхности второй стеклянной пластины – перпендикулярная. Из-за этого ориентация молекул в промежуточных молекулярных слоях плавно изменяется ( рис. 26.1, а ).

При прохождении поляризованного света сквозь упорядоченный таким образом ЖК материал плоскость поляризации света поворачивается на 90 \deg. Если на ЖК материал наложить достаточно сильное внешнее электрическое поле, то все молекулы переориентируются в направлении этого поля, поворот плоскости поляризации света исчезает. На этом и основан метод формирования изображений в ЖК индикаторах.

Типичная структура ЖКИ показана на рис. 26.1, б. Он состоит из поляризатора света 1, стеклянной пластины 2, на нижнюю поверхность которой нанесен прозрачный электрод ( SnО_2 или In_2O_3 ), из стеклянной пластины 5, на верхней поверхности которой сформированы сегментные электроды и контактные площадки по краям, вне поля зрения. Между стеклянными пластинами 2 и 5 размещена изолирующая рамка 3, которая задает толщину залитого между ней и стеклянными пластинами ЖК материала 4 (порядка 10 мкм). Ниже стеклянной пластины 5 размещаются анализатор 6 (такой же пленочный поляризатор, как и 1, но в нем плоскость поляризации развернута на 90 \deg ) и отражатель света 8.

Когда между электродами на пластинах 2 и 5 электрическое напряжение отсутствует, описанная структура функционирует так. Внешний свет проходит сквозь поляризатор 1 и пластину 5. В ЖК материале 4 плоскость поляризации света поворачивается на 90 \deg, совпадает с ориентацией анализатора 6, и потому свет легко проходит сквозь него, отражается от зеркального слоя 8, на обратном пути снова проходит сквозь анализатор 6 и ЖК материал 4. Здесь плоскость его поляризации еще раз поворачивается на 90 \deg и поэтому на выходе совпадает с ориентацией поляризатора 1. В результате отраженный внешний свет создает сплошной светлый фон.

Если на какой-либо сегментный электрод подать напряжение, то все молекулы над ним переориентируются электрическим полем. Поворот плоскости поляризации света не происходит, после прохождения ЖК материала 4 она остается перпендикулярной к ориентации анализатора 6. Поэтому свет поглощается в нем, участок поля дисплея над таким электродом становится темным. Такое изображение называют " позитивным ". Если ориентации поляризатора 1 и анализатора 6 сделать одинаковыми, то формируется " негативное " изображение: всё поле дисплея остается темным, а над электродами, на которые продано напряжение, образуются светлые участки.

Иногда вместо отражателя 8 в ЖКИ устанавливают плоский источник света (электролюминесцентный, светодиодный и т.п.). Такие ЖКИ работают "на просвет" и могут эксплуатироваться при отсутствии внешнего освещения. Но из-за того, что на подсветку тратится значительная энергия, в портативных сенсорах они применяются редко.

ЖКИ с 7-сегментной структурой нижнего электрода являются простейшими и поэтому имеют наиболее низкую цену. Однако набор символов, которые на них могут быть высвечены, ограничен практически только цифрами и некоторыми знаками ( рис. 26.2, а ). Выпускают также 16-сегментные ЖКИ ( рис. 26.2, б ), на которых можно формировать, кроме цифр, также все буквы латиницы и почти все буквы кириллицы.

Еще большие возможности обеспечивают матричные ЖКИ ( рис. 26.2, в ), на которых знаки формируются из набора отдельных элементов ("пикселей"). Прозрачные электроды на стеклянных пластинах 2 и 5 выполняют в виде ортогональных систем шин шириной от 0,1 до 1 мм. Пиксели изображения образуются в зонах пересечения шин. Промышленно выпускают многопозиционные сегментные ( рис. 26.2, г ) и матричные индикаторы ( рис. 26.2, д ), многострочные и комбинированные (сегментно-матричные – рис. 26.2, е ).

Ряд предприятий принимает и выполняет индивидуальные заказы на ЖКИ нужной потребителю структуры. Многие электронные фирмы выпускают также ЖКИ с интегрированной (методами гибридной технологии) в одном корпусе с индикатором электроникой управления. Это уже полностью завершенные устройства отображения информации, рассчитанные на непосредственное соединение с микропроцессором.

а) 7-сегментный цифровой индикатор; б) 16-сегментный алфавитно-цифровой индикатор; в) матричный знаковый индикатор; г) многосимвольный сегментный ЖКИ; д) многосимвольный матричный ЖКИ; е) 2-строчный комбинированный ЖКИ

Рис. 26.2. а) 7-сегментный цифровой индикатор; б) 16-сегментный алфавитно-цифровой индикатор; в) матричный знаковый индикатор; г) многосимвольный сегментный ЖКИ; д) многосимвольный матричный ЖКИ; е) 2-строчный комбинированный ЖКИ

Для применений, в которых нужно отображать на экране не только символьную информацию, но и графики, диаграммы, полноценные изображения, промышленность выпускает монохромные и цветные графические ЖКИ разных форматов и размеров ( рис. 26.3).

Один из примеров графического дисплея

Рис. 26.3. Один из примеров графического дисплея

Как правило, они выпускаются вместе с электроникой, обеспечивающей формирование изображений и их запоминание. Важные для разработчиков интеллектуальных сенсоров данные о формате, в котором должны быть представлены выводимые на такой дисплей данные, описываются в сопроводительной технической документации. Стоимость графических ЖКИ, особенно цветных, значительно выше, чем стоимость символьных ЖКИ.