Элементная база интеллектуальных сенсоров. Часть 2
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.
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 
. 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 ( 
или 
), 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 ) 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 , 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 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.
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).
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.