Элементы систем отображения. Для отображения состояния отдельных объектов используются разнообразные элементы индикации: лампы накаливания, стрелочные измерительные приборы, оптико-механические проекционные приборы, газоразрядные и электролюминесцентные индикаторы, светодиоды и т.п.
Так, для отображения бинарных состояний системы, а также для опознания объекта, для предупреждения, предостережения удобно применять лампы накаливания или газоразрядные индикаторы: эти элементы имеют достаточную яркость, четкость и надежны в работе.
Для отображения сообщения, словесной инструкции, последовательности операций наиболее подходят сигнальные оптические табло с различными трафаретами (транспаранты) или электролюминесцентные индикаторы.
Для отображения количественных показателей необходимы устройства типа счетчика, и лучше использовать цифровые индикаторы (вакуумные, газоразрядные, электролюминесцентные).
Для анализа работы оборудования рекомендуется применять устройства на основе жидких кристаллов (Liquid Crystal Display - LCD-индикаторы), так как с их помощью можно показать связи между многими параметрами.
Стрелочные приборы преобразуют электрический сигнал в пропорциональный ему механический поворот стрелки. При этом Мд = Мв = Мдм + Мси, где Мд - возбуждающий момент, действующий на вращающуюся часть системы и стрелку прибора, Мв - возвращающий момент, Мдм - угловой демпфирующий момент, Мси - момент сил инерции.
В светоизлучающих диодах (светодиодах) возбуждение электронов в атомах осуществляется посредством рекомбинации. Диоды собираются в матрицы, обычно размером 5×7, напряжение питания 1,6.. .3 В, рабочий ток 150 мА.
Базовый принцип LCD-технологии, основанной на жидких кристаллах, очень прост: используется панель, содержащая множество точек (пикселов) разного цвета, причем ее задняя стенка освещается смонтированными на ней лампами дневного света (с холодным катодом). Количество ламп - от 1 до 4; питание - от источника переменного тока напряжением 355...755 В частотой 45...60 кГц. Следует заметить, что для начального зажигания лампы необходимо напряжение в 2…3 раза больше рабочего.
Чтобы отдельный пиксел (его размер составляет 0,2…0,33 мм) начал светиться, необходимо открыть как бы маленькую «заслонку», препятствующую прохождению света через него. Жидкие кристаллы могут изменять свою молекулярную структуру, что позволяет регулировать проходящий через них световой поток. Для точного регулирования количества проходящего света и создания нужных световых оттенков обычно применяется многослойная конструкция, состоящая из двух поляризационных фильтров, цветных фильтров и двух ориентирующих слоев. Когда на такой ориентирующий слой подается напряжение, возникает электрическое поле, меняющее ориентацию жидких кристаллов, причем плоскость поляризации светового луча поворачивается на 90° при прохождении одного слоя. Для вывода цветного изображения используется три поляризационных фильтра - для красного, зеленого и синего цветов.
Лучших результатов с точки зрения стабильности, качества разрешения, яркости и контрастности изображения обеспечивают LCD-экраны с активной матрицей. В активной матрице каждый элемент имеет запоминающий транзистор, который хранит цифровую информацию о состоянии пикселя. При этом изображение сохраняется до тех пор, пока не поступит другой управляющий сигнал. Кроме того, в активной матрице для каждой ячейки экрана используются отдельные усилительные элементы, которые компенсируют влияние емкости ячеек и позволяют значительно уменьшить время изменения их прозрачности (до 50 мс). Запоминающие транзисторы, изготавливаемые из прозрачных материалов, позволяют световому потоку проходить сквозь них.
Надежность LCD-экрана (наработка на отказ) определяется как ресурсом лампы подсвета (от 10 до 50 тысяч часов), так и надежностью самой LCD-панели (30 тысяч часов).
Системы отображения информации. С помощью рассмотренных элементов создаются разнообразные системы отображения информации. Они могут быть выполнены в виде табло, мнемосхем, приборных панелей и щитов.
На табло данные отображаются в виде таблиц, информационное поле которых строится с учетом назначения табло, а также с учетом вида и объема отображаемой информации.
Мнемосхема представляет собой условное графическое изображение производственного процесса в виде комплекса символов, изображающих его отдельные элементы с их взаимными связями.
Основное достоинство мнемосхемы - высокая наглядность отображения информации.
Мнемосхемы строятся на базе плазменных панелей постоянного и переменного тока. Панель представляет собой два стекла, между которыми размещена керамическая решетка, образующая прямоугольную матрицу ячеек (рис. 18.2). В керамическую решетку вмонтированы вертикальные и горизонтальные электроды. По периметру панели расположен герметизирующий шов. Пространство между стеклами заполнено смесью инертных газов. При приложении к двум перпендикулярным электродам управляющего воздействия, в ячейке возникает плазменный разряд, излучающий ультрафиолет.
Рис. 18.2
Этот ультрафиолет возбуждает люминофор с красным, синим или зеленым цветом свечения. Люминофор обычно наносится на дно и боковые стенки ячейки, а иногда - тонким полупрозрачным слоем и на потолок ячейки. Верхняя система электродов делается прозрачной или достаточно узкой для того, чтобы не препятствовать выходу света. Три или четыре ячейки с разными цветами свечения образуют квадратный пиксель.
Конструкция панелей позволяет стыковать их друг с другом с минимальными нарушениями слитности изображения, создавая при этом модульные экраны. Для того чтобы изображение на модульном экране смотрелось слитно, панели для модульных экранов должны обеспечивать стыковку друг с другом с минимальной потерей шага пикселей.
Основные достоинства плазменных экранов:
1) высокое качество изображения, достигаемое благодаря высокой яркости и контрастности, способности отображать большое число градации яркости (до 256 по каждому цвету); отсутствие спада яркости, цветности и геометрических искажений по краям экрана;
2) модульность, позволяющая наращивать экран до любого размера с шагом около 20 см; относительно небольшой вес, позволяющий легко подвешивать и наклонять экран;
3) малая толщина экрана (около 10 см), позволяющая минимизировать пространство, необходимое для его обслуживания; обслуживание в процессе эксплуатации, как правило, не требуется, отсутствует необходимость юстировки;
4) отсутствие мерцания изображения и широкий угол обзора как по горизонтали, так и по вертикали (160° градусов и более).
Основные недостатки плазменных экранов:
1) относительно низкая разрешающая способность (шаг пикселя 3 мм);
2) высокое энергопотребление при низком КПД и значительном выделении тепла; «капризность» управляющих плат и блоков зажигания, которые часто перегорают;
3) деградация (эрозия) электродов и выгорание люминофора, особенно при отображении стационарной картинки; подверженность люминофора ионизирующим излучениям; необходимость полной замены панелей после выработки ресурса (порядка десяти тысяч часов для панелей постоянного тока и нескольких десятков тысяч часов для панелей переменного тока).
Другой принцип построения мнемосхем и больших экранов из них - проекционный: он строится из проекционных кубов, каждый из которых представляет собой законченную проекционную систему. Разделение экрана на отдельные кубы вызвано стремлением уменьшить глубину экрана, которая для проекционных систем приблизительно равна размеру диагонали. В проекционных системах свет от лампы проходит через модулятор, формирующий изображение, и проецируется на экран. Известны несколько типов модуляторов.
Наиболее распространенным модулятором для проекторов является жидкокристаллическая матрица. Также появился целый ряд микроэлектромеханических матриц, основанных на электрически управляемом изменении угла наклона или формы микрозеркал. Такие системы имеют очень высокое быстродействие (время переключения микрозеркала около 20 нс). Размер каждого зеркала составляет около 16×16 микрон, зазор 1 микрон.
Разновидностью микроэлектромеханических матриц являются матрицы тонкопленочных микрозеркал. В них отклонение зеркал производится не электростатическим, а пьезоэлектрическим способом. Характерный размер такого микрозеркала - 97×97 микрон, зазор 3 микрона.
Для получения цветного изображения используется временное или пространственное совмещение цветов. В первом случае модулятор поочередно засвечивается источниками разных цветов (чаще всего через вращающийся диск-фильтр с секторами разных цветов: красного, зеленого и синего), во втором - используются три модулятора.
Основные достоинства проекционных экранов:
1) высокая разрешающая способность, яркость и контрастность, широкий угол обзора;
2) минимальный зазор между кубами (не более 1 мм) с возможностью сделать его практически незаметным за счет оптических эффектов;
3) независимость от характера изображения, что позволяет круглосуточно проецировать стационарную картинку.
Основные недостатки проекционных экранов:
1) относительно низкий ресурс ламп (6...10 тыс. ч); замена ламп обходится дешевле замены панелей в плазменных экранах, однако может потребовать дополнительной юстировки;
2) трудноразрешимые оптические погрешности, проявляющиеся в виде астигматизма (размытость изображения по краям), абберации (появления на изображении цветных колец); низкий коэффициент пропускания, требующий использования просветленной оптики; неравномерность яркости (спад яркости по краям); механические (вследствие недостаточной юстировки) и тепловые (вследствие теплового расширения модулятора) погрешности;
3) большая глубина экрана и необходимость организации сзади пространства для обслуживания;
4) высокая чувствительность к механическим воздействиям;
5) современные оптические системы весьма сложны и дороги.
Большинство СОИ коллективного пользования имеют модульную наращиваемую конструкцию. Поэтому достижима любая конфигурация экрана, размеры которого уточняются на основании выбранного типа и модификации оборудования.
Приборная панель представляет собой совокупность отдельных приборов и индикаторов, каждый из которых несет информацию об одном или нескольких параметрах объекта. Приборные панели целесообразно применять в том случае, когда число контролируемых оператором параметров невелико и они слабо взаимосвязаны.
Щит управления представляет собой комплекс оборудования, предназначенного для мониторирования работы оборудования определенного функционального назначения (например, работа реактора, управление основными технологическими режимами, вентиляционными системами, радиометрическим контролем и т.п.).
В абстрактных СОИ, представляющих оператору информацию в виде сигналов-символов используются три основные формы зрительной индикации: стрелочная, знаковая, графическая. Рассмотрим основные требования, предъявляемые к каждому из этих видов индикации.
Знаковая индикация. В условиях неограниченной экспозиции оперативный порог различения контура знака находится в пределах 9...15'. При ограничении времени экспозиции размер контура знака должен быть 60'.
Видимость цифр на электролюминесцентных индикаторах зависит от яркости их свечения и внешней освещенности. По средним данным изменение освещенности в пределах от 100 до 1000 лк почти не влияет на скорость опознания. При освещенности от 1 до 10 лк время опознания существенно увеличивается.
Качество изображения существенно зависит от разрешения экрана, которое выражается количеством пикселей по горизонтали и вертикали. Она зависит от: режима работы видеоконтроллера, частоты строк, частоты кадров и объема доступной видеопамяти.
При использовании ЭЛТ-мониторов нужно обращать внимание на частоту мелькания. При яркости знака 120 нит критическая частота мелькания (нижний предел частоты, при котором изображение воспринимается непрерывным) составляет 35 Гц.
Графическая индикация применяется для грубой оценки параметров, поскольку имеет ограниченную точность.
Выбирая ту или иную категорию кода, необходимо обеспечить различие зрительных сигналов по своим физическим параметрам. Для этого в допустимых пределах должны быть величины яркости, контраста, угловых размеров изображения.
Яркость экрана измеряется в килоджоулях на квадратный метр. Максимальная яркость LCD-дисплеев определяется характеристиками ламп дневного света и составляет до 259 кд/м2.
Контрастность вычисляется как соотношение самого яркого и самого темного участка на дисплее. Чтобы экран был черным, жидкие кристаллы должны полностью блокировать прохождение света. Сделать это невозможно, поэтому хорошим соотношением считается 120:1.
Угловые размеры изображения могут характеризоваться:
- размером экрана по диагонали; обычно он выражается в дюймах. Геометрический размер диагонали в LCD-мониторах совпадает с диагональю видимого изображения, в то время как в обычных мониторах он на 1 дюйм больше.
- углом обзора (в градусах по вертикали и горизонтали) считается тот, где величина контрастности падает до соотношения 10:1. Для ЭЛТ-мониторов он составляет более 150°. Для LCD-дисплеев это критический параметр, поскольку свет от задней стенки дисплейной панели проходит через поляризационные фильтры, жидкие кристаллы и ориентирующие слои. Из монитора он выходит большей частью вертикально поляризованным. Обычно он не превышает 110°. Для устранения этого недостатка производители LCD-дисплеев применяют улучшенные технологии, что расширяет угол до 170°.
Контрольные вопросы:
1 Назначение и классификация средств отображения информации (СОИ).
2 Основные элементы систем отображения информации.
3 Базовый принцип LCD-технологии, основанной на жидких кристаллах.
4 Основные достоинства и недостатки плазменных экранов.
5 Основные достоинства и недостатки проекционных экранов
6 Основные формы зрительной индикации, используемые в абстрактных СОИ, представляющих оператору информацию в виде сигналов-символов.
Тема 6 СРЕДСТВА СВЯЗИ
Дата: 2019-04-23, просмотров: 240.
