给人深刻印象的嵌入式显示器设计

给人深刻印象的嵌入式显示器设计

     纯平显示器不仅是许多嵌入式系统主要的人机界面，而且还决定着它们给人的视觉印象和感觉。因此，务必要让产品的显示部分给人留下美好的第一印象。
    
     一种复杂设备的技术要求和设计通常是从最终用户的需求开始的：用户需要用该产品来完成什么功能以及用户在什么环境下使用该设备。不过，许多嵌入式系统，在其大部分设计过程中，人机界面显示在整个产品的技术要求中可能只是一个摆设。这种摆设可能有一些基本的技术要求，如确定显示器尺寸的机械方面的限制，以及根据臆断的市场需求而提出的审美或主观的要求。但是，很多情况下，工程师要去找一种6.5英寸的彩色VGA纯平显示器并没有特别的原因，无非是“因为竞争对手的产品也用它”而已。应该有比这更好的办法才对。
    
     一个设计得当的嵌入式显示系统不仅仅是一次集成作业。它需要事先对整个系统、应用场合和用户进行仔细考虑。厂家可能不会把显示器当作产品的核心来考虑，但客户往往首先看到的却是它，而且它通常是产品的主要界面。如果显示器不恰当，那么对设备的内瓤如何就可能无兴趣了：客户需要克服负面的第一印象。
    
    从头做起
    
     那么，怎样才能更好地做好产品的显示系统的技术要求和设计呢？设计小组可以根据产品的需求而不是根据你的愿望，从一个相当简明易懂的信息表开始。这些决策涉及解决的问题有诸如产品寿命过程中总拥有成本、最终用户对整个产品的满意程度，以及与产品的使用环境相关的可用性和可靠性等。
    
     对这些相互关联的决策进行研究，很快就可以看出，其中很多项目是相互排斥的。比如，需要在阳光背景光下看得清的大屏幕显示器与低功耗的要求是不相容的。同样，场效发光显示器的视觉和环境性能很好，但它不是彩色的。因此，困难之处不仅是要将产品的各种显示要求列出来，而且要确定它们的优先顺序，并要准备做出取舍。应该指出的是，该图无助于直接解决两个关键的问题：最终用户的满意度和成本。厂家必须超越图中的是否类型约束条件，对最终用户的满意情况作出主观评价。另外，虽然成本可能是一个最重要的考虑因素，但最好是在明确了最佳的显示器方案之后再对费用进行评价。这时候，你可以提出一组新的问题，比如产品能否提供最合适的显示技术。如果不能，如何折中使负面影响最小？
    
     确定了显示系统的基本需求后，再考虑显示器必须解决的最终用户的问题、显示器工作的环境因素以及显示器必须符合的系统设计等问题，这样显示器的技术规范就出来了。
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    人的因素
    
     如果显示器是用户与嵌入式系统之间的主要界面，那么人的因素问题就成了工程决策的主要考虑了。这些问题影响到用户将如何圆满地与显示器以及产品实现交互。如果是任务关键的系统，这些问题则尤其重要。比如，医疗设备上的显示器必须容易并能迅速地读出，而且具有很高的准确性。长途卡车司机在路上用的车内驾驶信息系统的显示器也必须这样。
    
     在设计过程中及早提出人的因素问题，其论述自然而然就会导致许多视觉效果方面的考虑，其中大多数要与诸如成本和系统要求等其它因素进行权衡。首先要作出的一个决策应基于信息结构（系统需要显示什么）和信息密度（在多大的区域内一次必须显示多少信息）。在正常的系统使用环境下预期的周围照明条件也极大地影响着显示器的设计。
    
     如果应用场合只需要一个指示或警告，那么一个指示灯或简单的分段字符显示器就可以满足需要了。如果要显示简单的信息，那么固定格式的四行20字符的无源“读出”就够了。如果要在一屏上显示QVGA （四分之一VGA）或大约320×240个象素，那么PLCD （无源液晶显示器）就是一种经济合算而且可靠性很高的选择。但是，如果应用场合需要高分辨率的彩色显示，那么就需要考虑采用一种AMLCD （有源矩阵式液晶显示）技术。根据显示器处理或控制光的方式的不同，一般可将液晶显示技术分为反射型、折射型和透射型。
    
     如果要显示全动图象、滚动波形或其它需要快速更新的信息，那么就需要考虑显示技术的响应时间。响应时间为40 ms 的AMLCD 显示全动图象看起来不错，但显示滚动波形就显得模糊。很多需要快速显示黑白数据的场合都采用EL显示器，因为这种显示器的响应时间不到1 ms，而且不受温度的影响。一般约为30 ms的响应时间，使大多数膝上型计算机都采用的AMLCD显示器既可以显示全动图象，也可以显示滚动波形。PLCD的响应时间通常都大于80 ms，因此一般不适于显示动画。低温也会增加AMLCD和PLCD的响应时间，除非使用加温器。
    
     人机界面的一个关键的问题是：用户如何与系统交互？很多嵌入式系统使用触摸屏，触摸屏一般通过一个标准的串行控制器如RS-232或USB与计算机系统接口。但是，有各种与显示系统相关的问题需要解决，比如：显示器的亮度足以能看见触摸屏内容吗？手上戴着手套触摸有反应吗？可以用输入笔吗？可以的话用哪一种？是否需要防人为破坏？是否需要抗干湿表面污染物而造成的虚假触摸？需要隔多长时间校准一次？应用场合需要多高的精确度或分辨率？允许有多少偏差？给该装置分配多少功率？
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     嵌入式系统经常用于恶劣的环境下，极端温度、冲击振动、潮湿、尘土以及其它污染物是司空见惯的，而不是偶尔的特例。即使在室内环境下，比如在医院、零售商店或干净的生产车间里，用户都希望这些系统的显示器能比任何标准的台式或膝上型监视器工作时间更长，工作条件也要严酷得多。
    
     每一种显示技术都有其自身的长处和弱点。有时可以通过改进设计来克服这些弱点，但往往要靠牺牲一个或多个自身的长处才能做到。比如，设计人员经常会考虑将透射型的AMLCD用于嵌入式系统的应用场合，因为这种显示器本身功耗低，包装坚固、紧凑，成本也相对便宜。但是，这种显示器在周围光线很强或者温度很高或很低的环境下性能不佳；而这种环境在很多嵌入系统的应用场合都是存在的，比如在室外的公用多媒体信息亭和自动取款机上。利用强背光往往可以改善在周围高亮度的情况下的可视性，但这样做要增加功率消耗、包装尺寸和成本，而且还会影响显示器的坚固性和热动态特性。为了扩大使用的温度范围，可以采用加温器或其它热管理技术，但这样做更要增加功率消耗和成本。为了在这些特征改进之间达到经济有效的平衡，充分了解所涉及的各种权衡和显示器设计原理是很有必要的。
    
     例如，为了避免显示器在野外情况下发生意想不到的故障，在设计过程的早期必须考虑的环境问题之一便是“太阳加负”效应。当长时间受到太阳光的照射时，显示器的温度就会上升，于是就出现“太阳加负”效应。这种问题大多发生在基于LCD的显示器上，温度升高会使显示器读不出来，除非将显示器设计成能在长时间高温情况下工作。
    
     在设计过程的后期可能出现的另一个问题与产品认证有关。作为部件，纯平显示器的设计应该满足耐辐射要求，但是不能单独对它、而必须对整个系统进行认证。因此，系统设计师最后就面临着一件有时很为难的事，要让由多个厂家生产的很多部件装配而成的系统达到耐辐射要求。在测试过程中，显示器似乎经常是令人讨厌的辐射源。但在很多情况下，显示器并不是真正的辐射源，而是起了内部辐射的天线作用，将它传到外面来。因此必须采取措施，确保对显示器进行内部屏蔽，并确保与显示器相连的所有电缆均采用防电磁干扰的抑制。
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    系统设计
    
     考虑了诸如人机界面和环境等外部因素之后，就需要考虑与嵌入式显示器相配的系统设计问题了。嵌入系统的应用场合很多，要考虑的问题也同样很多。一篇文章不可能涉及所有问题,但如不在项目之初就加以解决，个别的关键因素考虑不周会带来相当大的悲哀。
    
     比如，低压处理器和单板计算机在嵌入式系统中是很普遍的，它们有助于降低功率消耗和电磁干扰。这些单板计算机采用低压的CMOS器件，需要低电压的电源。因此，它们产生的显示器接口信号具有低压的CMOS电平。并不是所有的显示器都能适应这种低信号电平的，因此就需要附加电压电平转换电路。转换电路和显示器的逻辑供应需要从系统电源那里获得比单板计算机所需电压更高的电源电压。而且，显示器往往需要12伏或12伏以上的额外电源输入。在设计过程中及早确定这些问题并加以解决，就可以避免可能出现的失误及其后果：拖延项目完成的进度、增大成本以及使最终用户感到不满。
    
     其它类型的嵌入式系统将显示器放在离单板计算机或显示控制器几英尺远的地方。如果是比QVGA 大的矩阵式显示器，应考虑在两者之间采用LVDS 或 TMDS接口，以减少电缆的电磁干扰和信号串扰。
    
     其它的系统级问题还包括用户将如何与显示器实现交互。触摸屏或其它外围设备需要操作系统有一个驱动程序。如果外围设备供应商不支持厂家的操作系统，就需要自行开发驱动程序，这样的软件项目会给整个项目的完成增加几个月的时间。
    
     对几乎所有嵌入式系统来说，另一个需要优先考虑的问题是产品的寿命，它使配置控制成为一个关键的设计问题。所谓配置控制，就是在产品的整个寿命期内，能够不断获得各种相同的元器件和子系统。在某些市场领域，比如膝上型个人计算机市场，需求推动着利用某些显示器的可能性，特别是AMLCD。如果在产品的设计中采用这样的一种显示器，那么可能两年后就无法获得该部件了，或者要为它付出多得多的钱，因为它已不是厂家再批量生产的重点产品了。
    
     事先仔细考虑整个系统、应用场合和用户，设计得当的嵌入式显示系统会对你的嵌入式系统成败产生重大的影响。