Размещено на http://www.allbest.ru/

Оглавление

Введение

1. Обзор различных табло коллективного пользования

1.1 Электронный информатор СССР «ЭЛИН»

1.2 Разновидности дисплеев коллективного пользования

1.3 Блинкерное табло

1.4 Светодиодные экраны

1.5 Газоразрядные табло

1.6 Электролюминисцентное табло

1.7 Проекционные экраны

2. Формирование изображения на табло коллективного пользования

2.1 Основные характеристики к табло коллективного пользования

2.2 Формирование изображения на светодиодном экране

2.2 Цветопередача светодиодного экрана

2.3 Стоимость увеличения частоты обновления светодиодных экранов

2.4 Контрастность светодиодного экрана

2.5 Расстояние смешивания цветов

3. Разработка аппаратной реализации табло коллективного пользования

3.1 Разработка принципиальных схем табло коллективного пользования

3.2 Блок управления табло

4. Разработка программной реализации табло коллективного пользования

4.1 Программная реализация алгоритмов микроконтроллера

4.2 Разработка программного клиента для работы с табло

5. Безопасность жизнедеятельности

5.1 Организация рабочего места

5.2 Микроклимат

5.3 Освещение

5.4 Шум

5.5 Электробезопасность

5.6 Пожарная безопасность

Заключение

Библиография

Ссылочные нормативные документы

Приложение А

Введение

Интенсивный ритм жизни современного человека, растущие потребности в информационном обмене, развивающиеся методы информационного воздействия на человека с одной стороны, и компьютерный бум, переживаемый человечеством, с другой стороны, привели к тому, что компьютер покинул привычные рамки офисов и вышел «на улицу». Действительно, огромные, по сравнению даже с 21-дюймовыми мониторами, электронные табло (мониторы, дисплеи, экраны) давно стали привычным атрибутом мест наибольшего скопления людей.

Табло коллективного пользования применяется на улицах городов повсеместно, огромные дисплеи отображают время и температуру, а также давление атмосферы. Спортивные стадионы оснащены информационными табло для информирования о текущем состоянии игры. Вокзалы и аэропорты при помощи цифровых дисплеев позволяют пассажирам точно знать время регистрации и вылета. Биржи и банки оснащены табло, указывающими на текущий курс валют, концертные залы при помощи табло коллективного пользования отображают программу представлений на текущую неделю и даже все привычные троллейбусы сообщают название следующей остановки и номер маршрута при помощи цифровой бегущей строки. Эксперты развития рынка рекламы сходятся в едином мнении о том, что с каждым годом доля светодиодных информационных экранов на рынке рекламных технологий будет только возрастать. Динамические табло сочетают в себе все основные преимущества существующих визуальных рекламных технологий.

Однако современные методы и технологии используемые в области табло коллективного пользования несовершенны. Популярные в наши дни табло широко используют метод отображения информации при помощи излучения, что приводит к понижению контрастности при дневном освещении. Именно эта проблема будет рассмотрена, и будут выполнены попытки решить ее.

1. Обзор различных табло коллективного пользования

1.1 Электронный информатор СССР «ЭЛИН»

История уличных видеоэкранов насчитывает не так уж много времени. В 1968 году на стадионе английского футбольного клуба «Ковентри» установили первое табло на лампах накаливания - прообраз спортивных видеотабло, которыми сегодня оборудованы стадионы практически всех спортивных клубов во всем мире. В том же году компания Hewlett-Packard произвела первый рекламный экран на светодиодах, впрочем, не вызвавший особого ажиотажа ввиду небольших размеров и слабой яркости светодиодов того времени.

Впрочем, неверно думать, что в СССР, а затем и в России видеоэкраны были чем-то в диковинку, пока их не занесли сюда западные коммерсанты. Первый уличный полноцветный видеоэкран в СССР был установлен в Москве, на Калининском проспекте еще в 1972 году. Экран имел название «ЭЛИН» («Электронный информатор»), внешний вид экрана приведен в соответствии с рисунком 1.1.

Рисунок 1.1 - Внешний вид «ЭЛИН»

Экран был разработан и произведен отечественными инженерами из Центрального Конструкторского Бюро Информационной Техники (ЦКБИТ), расположенного в г. Виннице (Украина) и входившего в Министерство электронной промышленности СССР. Экран представлял собой полноцветный «телевизор» на 102900 автомобильных лампочках накаливания. Площадь экрана составляла 235 квадратных метров. На то время это был самый большой в мире уличный видеоэкран.

Для создания полноцветного изображения лампы были закрыты красными, синими и зелеными светофильтрами, образовывавшими RGB-пиксели. Обстоятельства складывались так, что при создании первого в мире большого уличного экрана «ЭЛИН» пришлось нарушить установившиеся на то время обязательные этапы проектирования и изготовления промышленных изделий. Законный экспериментальный образец (макет) был представлен опытным образцом.

Рисунок 1.2 - Структурная схема системы «ЭЛИН»

Главная заслуга проекта ЭЛИН-72 состоит в том, что он был предвестником использования в городской среде больших экранов, ставших источником информационного воздействия и свето-графическим акцентом улиц и площадей. Это послужило практическому воплощению приема светового художественного оформления городской среды, построенному на комплексном взаимодействии архитектуры и света.

1.2 Разновидности дисплеев коллективного пользования

С точки зрения отображаемых сообщений дисплеи развивались в направлении и существуют следующих типов: символьные, символьно-графические, графические и видеодисплеи.

В символьных дисплеях текстовая информация выводится посимвольно в фиксированные знакоместа экрана. Такие дисплеи известны каждому по посещениям спортивных мероприятий на стадионах, а также вокзалов и аэропортов. В наши дни их диапазон применений несколько расширился, затронув электронные табло биржевых торгов, табло котировок валют, дисплеи информационных систем предприятий промышленности, игорного бизнеса и др.

Современные уличные дисплеи, как правило, реализуются по следующей упрощенной схеме:

- устройство ввода информации и управления (компьютер или средства его эмуляции);

- канал связи (на основе проводного канала данных, телефонной или радиолинии);

- уличный элемент - собственно дисплей со своим устройством управления.

Перечисленные компоненты соответственно задают режим работы дисплея, доставляют сообщение в дисплей и отображают это сообщение. В результате программной оснастки графические дисплеи, отображающие точечные рисунки, могут быть переведены в символьный режим. При этом нужный символ выводится в определенное знакоместо (5х7, 5х8, 7х9, 7х12 точек и др.), тогда как в графическом режиме активизации подлежит минимальный элемент дисплея - пиксель. Управляемый от компьютера, дисплей обычно подключается к его последовательному порту (это справедливо для символьных дисплеев), либо к специальному порту при выводе быстрых графических и видео изображений. Еще одно требование к видеодисплею сводится к обязательному воспроизведению чисто белого цвета.

Помимо размеров к специфике уличных дисплеев относят условия их работы. Устойчивость к атмосферным воздействиям, температурные колебания, воздействие солнечного света - все это определяет выбор технологии для создания пикселя. В настоящее время можно следующие виды дисплеев, различающиеся по типу используемых пикселей. Все дисплеи коллективного пользования делят на монохромные, воспроизводящие двухцветное изображение при множестве оттенков, и цветные, когда количество цветов превышает два. Монохромность не означает черно-белую палитру. Возможно красно-черное, зелено-черное и другие сочетания в зависимости от типа пикселя. Следует отличать также цветные и полноцветные дисплеи, поскольку первые не способны воспроизводить всю цветовую гамму. В настоящее время лидером по полноцветному отображению являются дисплеи на основе газоразрядных индикаторов.

1.3 Блинкерное табло

Блинкерное табло состоит из множества ячеек, в которых расположены пластинки, окрашенные с разных сторон в разные цвета. Под каждой ячейкой расположен электромагнит, а пластинка может быть механически соединена с постоянным мгнитом, либо сама может быть намагничена. При подаче тока на электромагнит, в зависимости от полярности, пластинка поворачивается одной или другой стороной. После отключения тока пластинка остаётся в том же положении. Блинкерное табло имеет вид в соответствии с рисунком 1.3.

Рисунок 1.3 - Внешний вид блинкерного табло

Для подсветки в тёмное время суток может использоваться подсветка всей матрицы, использование люминесцентной краски или подсветка с помощью светодиодов. Последние в этом случае подключают через геркон, переключающийся полем того же электромагнита, что приводит в движение пластинку.

Блинкерные устройства по конструкции элементов индикации можно разделить на следующие модификации:

- листающие, т.е. каждое знакоместо или строка состоит из набора пластин с нанесенной графической информацией и для отображения нужной информации происходит перелистование. В настоящее время они редко используются из-за сложной механики, громоздкости и, как следствие, высокой стоимости;

- системы с использованием немагнитных блинкеров с элементами из магнитомягкого материала;

- системы с использованием блинкеров из магнитотвердого материала или немагнитных с элементами из магнитотвердого материала.

В настоящее время известные фирмы обычно производят системы с магнитной памятью, т.е. сердечник катушки управления блинкеров перемагничивается в зависимости от полярности импульса управления, что принудительно удерживает блинкер в заданном положении. Это наиболее часто используемые элементы индикации, применяемые фирмами, производящими информационные системы. Если не принимать во внимание различную форму и размеры блинкеров, можно выделить три основные конструкции элементов индикации:

- Блинкер, вращающийся вокруг вертикальной оси.

- Плоский блинкер по размеру элемента информации, вращающийся вокруг вертикальной оси, совпадающей с его осью симметрии.

- Плоский блинкер по размеру половины элемента информации, вращающийся вокруг вертикальной оси, совпадающей с одной из его сторон. Это наиболее распространенный вариант.

Для периодически меняющейся информации, периодичность смены один раз в сутки - неделю применяется блинкерная система на семисегментных цифровых индикаторах с ручной сменой информации. Например, такие системы используются для табло котировки стоимости валют или табло стоимости бензина на бензозаправочных станциях. Данные системы на порядок дешевле динамических систем при незначительном ухудшении условий работы оператора. Блинкерные табло могут использоваться для отображения конкретных видов информации. Табло отображающее только числа имеет вид в соответствии с рисунком 1.4.

Для редко меняющейся информации, периодичность смены которой от раз в неделю и реже, применяются статические системы. Например, графическая информация в виде схем, плакатов, объявления и т.д.



Рисунок 1.4 - Блинкерное табло реализующее семисегментную индикацию

Однако блинкерные табло обладают рядом недостатков. В их числе:

- Известные конструкции магнитоуправляемых блинкерных табло громоздки и из-за большого количества электромагнитных элементов управления (их число равно числу знакомест на табло) ненадежно в эксплуатации.

- Плохая видимость. Расстояние обзора не более 50 м, яркость символов зависит только от яркости краски, практически не читаются при солнечном свете

- Небольшой срок безотказной службы. Под действием постоянного механического воздействия ячейки блинкеров осыпаются, пружины выходят из строя

- Не работают на морозе. Изначальная невысокая цена блинкерного табло увеличивается на порядок за счет применения дополнительной подсветки, термоизоляции и постоянного ремонта.

1.4 Светодиодные экраны

Эти табло используют в качестве пикселей светодиоды - безынерционные элементы, позволяющие создать очень экономичные, с точки зрения потребляемой мощности, устройства, долговечность которых определяется достаточно длительным сроком службы самого светодиода. Их недостатком может считаться довольно высокая стоимость по сравнению с другими технологиями рекламы. Внешний вид светодиодного табло изображен на рисунке 1.5. Так же светодиоды из одной партии (и тем более из разных партий) могут отличаться по яркости сечения. Это может привести к тому, что разные части экрана будут светиться по-разному. Такое явление получило название эффект «лоскутности». Чтобы компенсировать этот недостаток при изготовлении экранов настраивают яркость отдельных светодиодов.

Рисунок 1.5 - Яркость и цветопередача светодиодного экрана

Рассмотрим элемент индикации светодиодного экрана. Светодиод - это полупроводниковый прибор, преобразующий поток электрической энергии непосредственно в световое излучение. Стандартный светодиод состоит из кристалла (полупроводниковый материал), контактных выводов и корпуса (пластиковая колба). В настоящее время в большей степени используются SMD светодиоды (SMD от англ. surface mounted device). Светодиоды SMD позволили соединить в одном светодиоде сразу три источника света: красный, зеленый и синий. Суммарные размеры SMD светодиодов значительно меньше, чем обычный светодиод. Это решение позволило резко увеличить разрешение светодиодных экранов и привело к появлению экранов с минимальным размером пикселя 4 мм, 3 мм и 2 мм. Вместе с преимуществами появились и недостатки: сложность замены светодиодов, хрупкость SMD светодиодов. Конструктивно, печатная плата с припаянными на нее SMD светодиодами представляет собой очень хрупкую конструкцию, в отличие от модулей с обычными RGB светодиодами. Размеры SMD светодиодов намного меньше чем обычные светодиоды. Это позволяет повысить плотность монтажа и увеличить разрешение экрана. Устройство SMD светодиода имеет вид в соответствии с рисунком 1.7.

Рисунок 1.7 - Устройство SMD светодиода

При создании светодиодного экрана используются так называемая система RGB - система цветообразования, в которой конечный цвет получается за счет смешения, с различной интенсивностью, трех основных цветов: красного (Red), зеленого (Green) и синего (Blue). Смешение 100% первичных цветов дает белый цвет. Их полное отсутствие - черный. Меньший шаг пикселей означает более высокое разрешение. Очевидно, что чем меньше шаг, тем больше пикселей получится разместить на единице площади, а значит, увеличить разрешение. Для человеческого глаза такое изображение будет выглядеть лучше и качественней, на нём будет различимо больше деталей. Это особенно важно при показе мелких предметов или текста.

Один из способов повышения разрешения светодиодных экранов это «виртуальный пиксель». Такой пиксель использует для формирования изображения светодиоды, входящие в структуру соседних реальных (физических). В каждый единичный момент времени изображение формируется поочередно реальным пикселем и виртуальным, в котором задействованы светодиоды нескольких соседних пикселей. Таким образом, уменьшается шаг и, соответственно, увеличивается разрешение. В таких случаях пиксель составляют из пяти светодиодов (2R, 2G, 1В), данная конфигурация пикселя позволяет достичь увеличения разрешения. Внешний вид такого преобразования имеет вид в соответствии с рисунком 1.8.

Рисунок 1.8 - Принцип формирования виртуального пикселя

Для построения видеоэкранов используют модули, которые устанавливают на специальный каркас. Модуль обладает элементами питания и управления. Модульная компоновка имеет следующие преимущества: построение экранов любых размеров и разрешения, возможность увеличения размеров при апгрейде, построение экранов произвольной формы, построение экранов высокого разрешения, простота монтажа и обслуживания, взаимозаменяемость модулей, быстрая локализация неисправностей, простота транспортировки, построение мобильных и быстро сборных экранов, облегчает сборку и улучшает ремонтопригодность. Внешний вид модуля представлен на рисунке 1.9.

Рисунок 1.9 - Внешний вид модуля светодиодного экрана

1.5 Газоразрядные табло

В газоразрядном табло в качестве пикселей используются доведенные до миллиметровой величины осветительные газоразрядные трубки, запрессованные в стеклянную пластину. Цвет свечения каждого элемента определяется типом нанесенного люминофора. Объединяя такие элементы в триады и учитывая при выборе люминофора известную RGB-технологию, создают полноцветные дисплеи с почти неограниченной палитрой воспроизводимых цветовых оттенков (более 4096). Такие дисплеи имеют наибольший, среди перечисленных типов пикселей, угол обзора, но плохо читаются при солнечном освещении, имеют визуально заметные стыки на границах модулей. Кроме того, долговечность использования таких индикаторов мало отличается от ламп накаливания (порядка 1 года). Газоразрядные табло являются прародителями плазменных дисплеев и табло. Внешний вид газоразрядного дисплея приведен на рисунке 1.10.



Рисунок 1.10 - Внешний вид газорязрядного дисплея

На рисунке 1.11 изображена газоразрядная матрица в аксонометрии, 5 Матрица выполнена следующим образом. Лицевая стеклянная пластина 1 имеет в массе темного стекла 2 прозрачные круглые окошки 3, расположенные рядами и столбцами. В пластину-основание 4 вштампованы проволочные штырьки 5 и 6. Внутренняя часть штырька 5 играет роль анодного электрода газоразрядной ячейки, а внешняя является выводом этого электрода, Оси штырьков 5 позиционно совпадают с центрами окошек 3 лицевой пластины. К пластине-основанию 4 с внутренней стороны примыкает разделительная пластина 7, имеющая отверстия, соосные со штырьками, впаянными в пластину-основание 4.

Диаметр этих отверстий больше диаметра штырьков 5. Штырьки 6 одного или двух крайних рядов пластины-основания 4 используются для выводов столбцовых линий матрицы, т. е. электрически соединенных катодов, расположенных вдоль столбца. Крайние отверстия разделительной пластины 7, совпадающие со штырьками-выводами 5, имеют такие диаметры, что штырьки 6 по свободной посадке входят в отверстия крайнего ряда разделительной пластины 7. В катодной пластине 8ЗО имеются отверстия 9 соосные окошкам, отверстиям и впаянным штырькам пластин 1, 7 и 4 соответственно.

Рисунок 1.11 - Внешний вид газоразрядной матрицы

Поверхность отверстий металлизирована. Кроме того, вдоль столбцов отверстий на поверхности пластины 8 имеются пленочные металлические полоски 10. Металлическая пленка полосок 10 соединена с металлической пленкой отверстий 9, образующей катодную поверхность газоразрядных ячеек матрицы. Каждый из штырьков 6 имеет электрический контакт с соответствующей полоской 10, В другом варианте катодная пластина может иметь сплошную металлизацию и один общий вывод. Пластина-основание 4 и пластины 1, 7, 8 имеют совпадающие контуры. При сборке на торцы наносится вакуумплотный герметик (на рисунке не показан). В пластине-основании 4 делается дополнительное отверстие, в которое впаивается стеклянная трубка (на чертеже не показано), посредством которой матрица при изготовлении подпаивается к откачной установке. Пластины 1, 7 и 8 выполнены из светочувствительного стекла (исходного материала фотоситалла). Заготовку лицевого стекла облучают ультрафиолетом через фотошаблон, а затем подвергают термообработке, после чего облученные места темнеют и становятся непрозрачными. Такая конструкция лицевой пластины необходима в том случае, когда ячейки матрицы должны включаться внешним светом через информационный трафарет, контактирующий с лицевой пластиной. Освещение информационного трафарета импульсом света лампы-вспышки, вызывает фотоэмиссию электронов с катодов ячеек, примыкающих к прозрачным кодовым площадкам трафарета. Обычно фотоэмиссия электронов настолько интенсивна, что тлеющий разряд устанавливается даже при напряжении питания меньшем напряжения зажигания ячеек. Каждая ячейка подключается в цепь питания через резистор или другой двухполюсный прибор, обеспечивающий двухстабильный режим работы ячеек. Резисторы присоединяются к внешним выводам штырьков 5, В частном случае внешняя поверхность пластины-основания может быть отполирована заодно с выводами, а резисторы, шины и другие компоненты могут быть нанесены методами гибридной тонкопленочной технологии. Вследствие введения разделительной пластины 7 увеличивается путь по изолятору между штырьками 5 и катодными поверхностями катодной пластины. Это уменьшает вероятность образования токопроводящих дорожек между электродами за счет катодного распыления. Кроме того, увеличивается объем газа, плотность которого имеет тенденцию снижаться со временем также вследствие катодного распыления, Изготовление лицевой пластины из светочувствительного стекла с прозрачными окошками, разделенными непрозрачной структурой стекла, позволяет самым простым способом направить излучение, прошедшее через первую площадку, только в противолежащую газоразрядную ячейку без рассеяния его в соседние ячейки, Это увеличивает надежность выборочного включения ячеек матрицы через фототрафарет при высокой плотности их размещения [6].

1.6 Электролюминисцентное табло

Данный тип дисплея в целом повторяет вышеописанные принципы. Отличается лишь методом получения излучения. Дисплей состоит из слоя электролюминесцентного материала, состоящего из специально обработанных кристаллов фосфора или GaAs между двумя слоями проводника (между тонким алюминиевым электродом и прозрачным электродом). При подключении переменного напряжения к проводникам электролюминесцентный материал начинает светиться. Внешний вид данного табло представлен на рисунке 1.11.

Рисунок 1.11 - Внешний вид электролюминисцентного табло

1.7 Проекционные экраны

Технология проекционных экранов использует излучающую установку, которая проецирует изображение на некоторую ровную поверхность. Применимы только в темное время суток, допускают геометрические искажения и неравномерность яркости изображения.

Проекционный экран - конструкция со специальной структурой, предназначенная для показа проецируемого изображения. Внешний вид проекционного экрана показан на рисунке 1.11.

Экраны могут быть предназначены для прямой проекции или обратной проекции (проекции на просвет). Экраны прямой проекции (работающие на принципе рассеивающего отражения), при которых проектор и зрители расположены по одну сторону экрана, более распространены. Проекция на просвет (световой поток от проектора захватывается при прохождении экрана и рассеивается с дальней от проектора стороны), при которой проектор установлен позади экрана на который смотрят зрители, позволяет более тонко манипулировать световым потоком, оптимизируя его параметры.

Рисунок 1.12 - Внешний вид проекционного экрана

Фактически, задача проекционного экрана - собрать весь переданный источником на него свет и рассеять его равномерно по всем направлениям, причем это должно происходить в каждой точке проекционного экрана. От качества рассеивающих слоев зависит критический угол проецирования (под которым по отношению к экрану может находиться проектор) и критический.

Чем меньше поглощение и чем больше рассеяние - тем более качественное изображение получается при использовании данного проекционного экрана. Например, зеркальные поверхности очень хорошо отражают свет, но практически не рассеивают. Поэтому вместо изображения глаз человека увидит лишь на зеркале яркое световое пятно от проектора. Отражающие экраны обычно анодируются алюминием (для увеличения контраста при средней внешней освещенности) или имеют белую поверхность с маленькими стеклянными вкраплениями (для большего сверкания в темное время суток).

Экраны, работающие на просвет должны пропускать как можно больше светового потока без поглощения или обратного отражения и рассеивать его в пространство, лежащее за экраном. Обычно пропускание света очень высоко: 70-80%. Как правило экраны реализуются за счет нанесения многослойных светопрозрачных пленок на стекло, оргстекло или акриловую поверхность (в т.ч. на существующие витрины). Проектор находится позади экрана, что позволяет применять различные технологии для обработки изображения и, контролируя путь, проходимый светом, корректировать яркость, резкость изображения в зоне видимости.

Иногда в качестве рассеивающего экрана используется стекло с переменной прозрачностью на основе слоев с жидкими кристаллами. В обычном состоянии оно матовое, но при подаче напряжения (около 5В) оно переходит в прозрачное состояние.

Если пространство вокруг экрана (например, при ярком освещении помещения или при наружной установке в дневное время) достаточно освещено, сам экран (при выключенном проекторе) будет виден. Как правило, его цвет - оттенок серого. Черный цвет изображения обозначает, что свет в этом месте проектором не излучается и экран освещен не будет. Однако, из-за внешнего света черный цвет изображения превратится в серый цвет самого экрана. Эффект имеет место для всех цветов (фактически это уменьшение контрастности изображения), однако для одиночных изображений на черном фоне (особенно для белых отражающих экранов) этот эффект заметен очень сильно.

Избежать его можно либо увеличив мощность проектора или контрастность изображения (сделать серый фон менее заметным на фоне более яркого изображения), уменьшив внешнее освещение (затемнив помещение с помощью жалюзи или электрохромного остекления) или используя более темный экран. В последнем случае важно сохранить достаточные отражающие или пропускающие свойства экрана: темный цвет материала означает большее поглощение света во всем видимом спектре - и окружающего света и изображения, проецируемого проектором. Внешний вид проектора показан на рисунке 1.13.

Рисунок 1.13 - Внешний вид проектора

Базовым понятием для системы проектор-проекционный экран является освещенность E, измеряемая в люксах. Для фонового ночного освещения она практически нулевая (0,2), внутри помещения днем 100, для пасмурного дня 1000, для солнечных лучей в полдень 100 000. Проектор должен обеспечить освещенность экрана, значительно превосходящую фоновую.

Основная характеристика проектора (мощность светового потока) I, измеряется в AISI люменах и связана с освещенностью экрана:

 (1.1)

где S - площадь экрана.

Кроме того, важно, чтобы на пути светового потока (особенно для больших размеров) между экраном и проектором не находились препятствия или посетители. Возможно использование короткофокусных проекторов, расположенных значительно ближе обычных за счет отражения светового потока от дополнительного фокусирующего зеркала на небольшом расстоянии от проектора.

Важными параметрами проектора являются контрастность (в первом приближении - отношение яркости светлых и темных точек) и реальное разрешение (количество собственных пикселей). От них напрямую зависит четкость картинки на экране. При несовпадении разрешения видео и проектора аппроксимация при масштабировании несколько размоет четкие границы линий.

Для проекции на просвет проектор должен иметь функцию инвертирования изображения вокруг вертикальной оси (многие современные проекторы поддерживают ее), либо изображение должно инвертироваться вручную до показа. Срок службы лампы проектора, самой важной его детали, напрямую определит время работы системы без ремонта.

2. Формирование изображения на табло коллективного пользования

2.1 Основные характеристики к табло коллективного пользования

Табло коллективного пользование обладает различными характеристиками в зависимости от своего типа, рассмотрим наиболее общие из них. Одна из характеристик - это разрешение экрана (т.н. пространственное разрешение), обычно выражается в виде расстояния между пикселями (пиксель - наименьший логический элемент двумерного цифрового изображения в растровой графике).

Динамические табло коллективного пользования так же обладают частотой смены кадров, выражаемой в количестве кадров, показываемых за секунду, так же называемое временное разрешение. Однородность цвета по всему экрану - выражается в том насколько различные элементы цифрового табло одинаково отображают информацию (яркость либо цвет). К примеру, излучательные элементы, используемые в некоторых табло, могут варьироваться по яркости и поэтому нуждаются в персональной подстройке.

Контрастность изображения экрана - очень важная характеристика выражающая различимость изображения, отображаемого на экране.

Различные конструктивные особенности дисплеев так же приводят к появлению следующей характеристики - изменение качества изображения экрана в зависимости от угла обзора. Элементы экрана отображающие пиксели, имея сложную форму, могут перекрывать излучение друг друга в зависимости от положения наблюдателя.

Кроме качества изображения отметим также такие эксплуатационные характеристики информационного табло:

- Наличие системы мониторинга состояния дисплея;

- Развитость ПО (программного обеспечения) системы управления (возможность построения сетей светодиодных экранов, в том числе сетей, содержащих как светодиодные, так и LCD экраны, возможность управления экранами через удаленный канал связи, наличие встроенной подсистемы информационной безопасности);

- Уровень электромагнитного излучения в виде индустриальных радиопомех, создаваемых информационным табло.

2.2 Формирование изображения на светодиодном экране

В качестве примера работы цифрового табло рассмотрим работу светодиодного экрана. Исходное изображение для вывода на светодиодный экран формируется в виде компьютерного файла, чаще всего в виде видеоролика в некотором формате (*.avi, *.mpg). Этот файл декодируется управляющим компьютером (или видеоконтроллером), затем преобразуется в специальный цифровой поток, подающийся на микросхемы драйверов постоянного тока, которые, в свою очередь обеспечивают пропускание электрического тока через светодиод, что и вызывает излучение в определенном спектре.

Для формирования различных уровней яркости излучения светодиодов применяют технику широтно-импульсной модуляции - ШИМ (англ. PWM - Pulse-width modulation). Временные диаграммы ШИМ-сигнала имеют вид в соответствии с рисунком 2.1. ШИМ - это процесс управления мощностью, подводимой к нагрузке, путём изменения скважности импульсов, при постоянной частоте. Уровень яркости светодиода прямо пропорционален скважности подаваемого на него ШИМ сигнала. Из этой техники следует, что на светодиоде (а значит и на экране) изображение формируется циклично. Период ШИМ сигнала называется периодом обновления (рефреша, от англ. refresh time). Чаще используется обратная величина - частота обновления (англ. refresh rate).

Применяются так же модифицированные методы ШИМ: Scrambled PWM (Macroblock), Sequential Split Modulation (Silicon Touch), Adaptive Pulse Density Modulation (MY-Semi). Суть этих техник заключается в «размазывании» времени «включения» светодиода по всему периоду обновления. Так формирование 50% яркости при частоте обновления 100 Гц может быть заменен сигналом, с частотой 500 Гц. Но эти цифры справедливы лишь для формирования 50% яркости. Для каждой схемы формирования яркости есть минимальная яркость - 1 импульс (некоторое минимальное время) включения светодиода и остальное время он выключен [1].

Рисунок 2.1 - Временные диаграммы ШИМ-сигнала

Таким образом, четкая цикличность присущая традиционному ШИМ при применении модифицированных методов искажается, поскольку, в зависимости от уровня яркости может изменятся частота ШИМ сигнала. Можно, например, сказать, что для данного светодиодного экрана частота обновления изменяется от 100 Гц до 1 кГц.

Таким образом, для модифицированных методов ШИМ такое понятие как частота обновления может трактоваться неоднозначно. Однако, если рассматривать период обновления как минимальное время, за которое происходит обновление изображения для всех уровней яркости, то это значение не зависит от схемы формирования ШИМ.

Теперь рассмотрим чересстрочную развертку или временное разделение (англ. time division) светодиодных экранов. В ряде случаев конструкцией светодиодного экрана предусмотрен такой метод формирования изображения, при котором в один момент времени ток не может быть подан на все светодиоды сразу. Все светодиоды экрана разбиваются на несколько групп (как правило, две, четыре или восемь), которые включаются поочередно. То есть описанные выше методы формирования изображения применяются поочередно к каждой из этих групп. В случае двух таких групп формирование изображения аналогично применяемой в аналоговом телевидении чересстрочной развертке.

Данный способ применяется, в основном, для удешевления светодиодных экранов, так как для его реализации требуется меньше светодиодных драйверов (в два, четыре, восемь раз - в число раз соответствующее количеству поочередно включаемых групп), которые составляют существенную часть стоимости светодиодного экрана. Кроме этого, метод временного деления практически неизбежен при высоком разрешении (то есть малом шаге) светодиодного экрана, так как в этом случае чрезвычайно сложно обеспечить размещение большого количества драйверов и их теплоотвод.

Следует понимать, что при применении этого метода снижается максимальная яркость светодиодного экрана, а также уменьшается частота обновления (в количество раз соответствующее количеству групп).

Предположим, что мы производим временное деление между двумя группами светодиодов. На одну группу подается ток в соответствии с требуемой яркостью и используемым методом ШИМ. Другая группа в это время отключена от источника тока. По прошествии периода обновления группы меняются - теперь на вторую подается ток, а первая отключена. Поэтому, общий период, за который обновляется вся информация на светодиодном экране, увеличивается в два раза.

Понятие частота обновления в этом случае еще более размывается. Строго говоря, период обновления как минимальное время, за которое происходит смена изображения для всего светодиодного экрана, увеличивается. Однако, если для каждой группы рассматривать только период, на котором формируется изображение методом ШИМ, то частота обновления - прежняя.

Частота обновления, в первую очередь, влияет на восприятие изображения глазом человека. Изображение, образно говоря, постоянно «мерцает», хотя и с достаточно высокой частотой. Восприятие человеком световых образов - явление психофизическое и устроено таким образом, что отдельные вспышки света суммируются во времени. Это суммирование происходит в течение определенного времени (10 мс) и зависит от яркости вспышек (закон Блоха). Если свет «мерцает» достаточно быстро, с частотой выше некоторой пороговой (англ. CFF - Critical Flicker Frequency), то глаз человека воспринимает этот свет так же, как если бы он горел постоянно (закон Тальбо-Плато). Пороговая частота CFF зависит от множества факторов, таких как спектр источника света, расположение источника по отношению к глазу, уровень яркости. Однако, можно с уверенностью сказать, что при обычных условиях эта частота не превышает 100 Гц.

Таким образом, если рассматривать восприятие изображения на светодиодном экране, сформированного методом ШИМ или модифицированным ШИМ, человеческим глазом, то изображение с частотой обновления 100 Гц и 1 кГц будут восприниматься одинаково.

2.2 Цветопередача светодиодного экрана

Одной из важных характеристик светодиодного экрана является его способность воспроизводить определенное количество цветов. Цвета получаются смешиванием некоторых базовых цветов (каналов), из которых состоит пиксель. Как правило, это красный (R), зеленый (G) и синий (B). Очевидно, что чем большее количество цветов можно отобразить на светодиодном экране, тем выше качество изображения -- цвета можно получить более естественные, а цветовые переходы -- более плавные [2].

Поскольку исходное изображение формируется на компьютере и его качество оценивается путем воспроизведения на мониторе компьютера, изображение на светодиодном экране должно быть максимально приближено к исходному. В настоящее время стандартом является использование 24-битного кодирования цвета (TrueColor - от англ. «истинный цвет»), в котором значение яркости каждого канала представляется в виде 8-битного числа. Таким образом, на светодиодном экране высокого качества желательно отобразить не менее 2 в 24 степени (более 16 млн.) цветов.

Изображение на светодиодном экране формируется с использованием техники ШИМ. Чем больше логических уровней обеспечивает реализация PWM на данном экране, тем выше будет качество изображения.

Метод ШИМ обеспечивает линейную зависимость тока (усредненное значение) от логического уровня яркости. Таким образом, реализация ШИМ с N уровнями, приводит к тому, что реальная яркость светодиодов для этих уровней будет меняться линейно. То есть, яркость светодиода, на котором на PWM используется уровень 1, будет ровно в два раза ниже, чем при уровне 2 и в 256 раз ниже, чем на уровне 256.

В результате, если ШИМ реализует N логических уровней, то на выходе будет N уровней яркости светодиодов и яркость линейно зависит от входного уровня. Однако, глаз человека воспринимает яркость нелинейно. Из эмпирического психофизического закона Вебера-Фехнера следует, что человеческий глаз имеет логарифмическую зависимость восприятия интенсивности света.

При низкой интенсивности достаточно немного изменить яркость и глаз это заметит, при высокой интенсивности для такого же субъективного отличия яркость необходимо увеличить значительно. Если отобразить все возможные N (при условии, что N не менее 100) уровней яркости светодиодов в виде горизонтальной полосы от 0 до N, то для глаза первые уровни будут хорошо различимы, затем менее различимы и, ближе к N, глаз перестанет воспринимать разницу между соседними значениями яркости. Таким образом, из общего количества N логических уровней возможно выбрать лишь значительное меньшее число уровней M так, что кодируемая ими яркость светодиодов будет восприниматься линейно.

Необходимо заметить, что формирование изображения на мониторах уже учитывает эту особенность зрения. В CRT-мониторах это является следствием их метода формирования изображения, в LCD-мониторах применяется аппаратная гамма-коррекция. Результатом является относительно линейная зависимость субъективно воспринимаемой яркости от закодированного, логического уровня яркости. Поэтому в исходном файле изображения имеется 256 уровней яркости по каждому каналу, которые воспринимаются глазом линейно.

Если реализовать ШИМ с 256-ю логическими уровнями и отобразить исходную картинку TrueColor, то в результате произойдет видимое искажение картинки. На темных участках изображения будут видны резкие границы, на светлых участках наоборот все уровни яркости будут сливаться. Искажения также будут заметны в цветовой области - там, где требуется плавный градиент. Это происходит в силу того, что в исходной картинке использовались 256 нелинейных уровня, а на светодиодном экране значения переведены в линейные.

Таким образом, чтобы TrueColor изображение отображалось на светодиодном экране максимально приближенно к оригиналу, необходимо скорректировать логические уровни яркости, используемые в изображении. Для этого надо при формировании изображения с помощью PWM использовать большее количество логических уровней. Тогда из этого большего количества можно будет выбрать 256 уровней так, чтобы кодируемая ими яркость воспринималась глазом линейно. Подобный выбор 256 уровней из большего количества называется выбором палитры. Естественно, чем больше уровней яркости способен реализовать ШИМ, тем более точно можно будет подобрать палитру для того, чтобы яркость воспринималась глазом линейно.

В настоящее время наиболее качественные светодиодные экраны имеют реализацию ШИМ, использующую логических уровней яркости. Этого вполне достаточно, чтобы выбрать необходимые 256 уровней для показа изображения TrueColor. Следует понимать, что одновременно на светодиодном экране отображается различных цветов, а не то есть цвет, по-прежнему, кодируется 24-битным числом, а не 48-битным. Расширенное цветовое пространство служит лишь для того, чтобы более качественно подобрать палитру.

Кроме максимального 16-битного значения уровня яркости по каждому каналу может применяться также 8, 10, 12 или 14 битные. В этом случае возможности по настройке палитры сужаются. Однако уменьшение количества логических уровней яркости может привести к удешевлению светодиодного экрана, а отображение полноцветного TrueColor изображения не всегда необходимо. Например, для светодиодных вывесок и информационных щитов достаточно иметь меньшее количество цветов.

Помимо наличия возможности производить настройку палитр в расширенном цветовом пространстве эта возможность должна быть реализована в системе управления. Недостаточно выполнить ШИМ с 16-битным представлением уровней яркости, необходимо во всей системе управления, в программном обеспечении реализовать поддержку как можно более гибкого задания различных палитр. Чем более гибко задается палитра, тем больше возможностей по настройке цветопередачи имеет светодиодный экран.

2.3 Стоимость увеличения частоты обновления светодиодных экранов

Независимо от способа генерации ШИМ схемы, их реализующие имеют общие черты. Схема генерации ШИМ имеет некоторую тактовую частоту . Пусть требуется сгенерировать уровней яркости. В этом случае частота обновления не может превышать .

Приведенные цифры предполагают, что существуют независимые схемы формирования ШИМ для каждого светодиода, то есть схема ШИМ реализована непосредственно в светодиодных драйверах экрана.

В случае применения простых драйверов и формирования ШИМ на контроллере светодиодного экрана, необходимо учитывать, сколько драйверов соединены последовательно и обслуживаются одной схемой ШИМ. Если одной схемой ШИМ обслуживаются драйверов с 16 выходами, тогда:

(2.1)

что приводит к значительному уменьшению частоты обновления либо необходимости существенно увеличивать тактовую частоту.

В случае применения временного деления (чересстрочной развертки), как описано выше, частота обновления уменьшается пропорционально коэффициенту деления.

2.4 Контрастность светодиодного экрана

Одним из показателей качества цветопередачи является контрастность экрана. Под контрастностью понимают отношение разности яркостей, отображаемых экраном белого и черного цветов к яркости черного цвета. Контрастность недостаточно высока, то глаз не увидит темных деталей изображения - они сольются с менее темными. Черный цвет на светодиодном экране не имеет отношения к работе собственно светодиода, а скорее связан с конструктивными особенностями экрана, используемыми материалами.

Проблемы могут возникать из-за того, что материалы могут отражать солнечный или иной свет и поверхность светодиодного экрана при всех выключенных светодиодах становится светлой или «бликует» на солнце. Такое может случаться из-за «бликования» колб светодиодов или защитных масок, блестящего компаунда заливки светодиодных модулей, неудачной конструкции светоотражающих козырьков и даже из-за светлой подложки светодиодов.

Выбор шага между пикселями и разрешения видео экрана диктуют физические ограничения размера видео экрана, расстояние наблюдения и углы обзора.

Единица измерения яркости светодиодного экрана - «нит» (русское обозначение: нт; международное: nt; сокр. от лат. niteo -- блещу, сверкаю. ). Чем больше значение, тем выше яркость видеоэкрана. Как правило, яркость для внутренних экранов должна быть не более чем 1500 - 2000 нит, а для наружных экранов от 3500 нит (для экранов без прямой засветки солнцем) до 5000 нит или больше (при работе экрана с прямой засветкой солнцем). Яркость измеряется под нормальным углом к экрану. Цветовая температура видео экрана должна быть обычно 5000°К для внутренних экранов, и 6500°К для наружных экранов.

Угол обзора обычно определяется по точке, где яркость экрана составляет 50% от максимума. Светодиодные экраны имеют проблему, которая является уникальной для этой технологии, называемой, «плечевое загораживание» (от англ. shouldering), когда изменение цвета вызвано тем, что один светодиод блокирует (загораживает) другой светодиод на критических углах обзора.

Углы обзора должны действительно включать изменения цвета, и если существенное цветовое изменение происходит прежде, чем яркость падает до 50%, то это и есть угол обзора. Добавление козырьков между пикселями или рядами светодиодов уменьшает засветку видеоэкрана другими источниками света, и увеличивает контрастность.

Если производители видео экрана используют большие токи для управления светодиодами, они могут указать яркость экрана свыше 7000 нит, хотя для светодиодных экранов с шагом между пикселями 25 мм и выше, физически невозможно получить яркость выше 5000 нит. Но проблема высокой яркости экрана состоит еще и в том, что большие токи управления светодиодами приводят к более быстрой их деградации и однородность яркости и цветов экрана может быстро измениться. Обычно время «жизни» светодиодов фигурирует в диапазоне от 20 000 до 100 000 часов.

2.5 Расстояние смешивания цветов

При рассмотрении пикселей вблизи, светодиоды RGB (красный, зеленый, синий) проявляются как независимые точки. Расстояние от светодиодного экрана, где происходит смешение трех отдельных цветов в один цвет, известно, как «расстояние смешивания цветов».

Способность к лучшему смешиванию цветов позволяет изображениям казаться ясными и четкими вблизи и является жизненно важным фактором для внутренних видео экранов. Для экранов, расстояние смешивания цветов может быть вычислено по формуле:

(2.2)

где - шаг между пикселями;

- вспомогательный коэффициент.

Для наружных экранов с обычными светодиодами типа «лампы» равняется 500, для внутренних экранов, с SMD светодиодами это число - 250, поскольку светодиоды расположены близко друг к другу. Поэтому для внутреннего светодиодного экрана с шагом между пикселями 10 мм это расстояние равно - 2,5 м. Это расстояние иногда ошибочно называют минимальным расстоянием наблюдения. Минимальное расстояние наблюдения может быть вычислено следующим образом:

(2.3)

В данном случае находится в пределах 750-1000. На этом расстоянии наблюдается сглаженное изображение. Более близкое рассмотрение приведет к эффекту «распада» изображения на отдельные точки (пиксели). Например, для видео экрана с шагом между пикселями 19 мм это расстояние равно 19 м.

Максимальное расстояние наблюдения. Обычно это 20-30 высот экрана. Например, для видео экрана высотой 4,56 метра:

3. Разработка аппаратной реализации табло коллективного пользования

3.1 Разработка принципиальных схем табло коллективного пользования

Самый главный блок устройства - блок управления табло. Как говорилось ранее, целесообразно выполнить данный блок на основе микроконтроллера. К данному микроконтроллеру предъявляется ряд определенных требований: высокий объем ППЗУ для хранения данных об изображениях, высокая частота работы для обработки данных об изображениях, наличие аппаратного интерфейса связи UART, поддержка внутрисхемного программирования, планарный корпус микроконтроллера. В качестве микроконтроллера была выбрана микросхема Atmel Atmega64. Основная причина ее выбора -доступность и невысокая цена, к тому же она полностью удовлетворяет требования по объему внутренней памяти. Принципиальная схема блока управления табло приведена в документе ФМРМ.211000.005 Э3.

Сегмент табло представляет собой сборку из двух печатных плат и защитного экрана. Чертеж защитного экрана представлен в документе ФМРМ.211000.003. Детали соединяются при помощи винтов М3, стоек PCHSN-10, шайб плоских фторопластовых, и гаек М3. Сборочный чертеж элемента табло приведен в документе ФМРМ.211000.004 СБ.

3.2 Блок управления табло

Блок управления табло состоит из микроконтроллера Atmega64 DD1, двух светодиодов для индикации состояния работы HL1 и HL2, кварцевого резонатора BQ1 и разъемов: для программатора XS1, для преобразователя USB-UART XS2 и для первого блока управления сегментом XS3. Блок так же снабжен блокировочными конденсаторами для защиты от просадок напряжения. Топология печатной платы блока управления табло имеет вид в соответствии с рисунком 3.1. Внешний вид блока управления табло приведен в соответствии с рисунком 3.2.

Рисунок 3.1 - Топология печатной платы блока управления табло

Рисунок 3.2 - Внешний вид блока управления табло

Микроконтроллер выполняет функцию управляющего устройства. Схемотехническая реализация обеспечивает возможность установки связи с ПЭВМ при помощи преобразователя USB-UART. Управление табло осуществляется при помощи выводов порта C (выводы 35-39). Выводы 37, 38 реализуют кадровую развертку, путем подачи импульсов для переключения текущей строки выводом 37 и сбросом на первую строку выводом 33. Выводы 35, 38, 39 управляют сдвиговыми регистрами, расположенными в блоках управления сегментами. Т.е. на выводе 38 появляется значение одного пикселя (белый - логическая 1, черный - логический 0), затем возникает импульс на выводе 35, производящий смещение в сдвиговых регистрах. Таким образом заполняются все сдвиговые регистры, представляющие собой одну строку. А затем, возникает импульс на выводе 39 активирующий защелку сдвиговых регистров. Таким образом отображается одна строка. Затем при помощи вышеуказанных выводов (37 и 36), происходит переход на следующую строку. Таким образом обходятся все строки.

Кадровая развертка управляется при помощи всего двух сигналов, приходящих из разъема XS1. Это сигнал поступающий со входа «Такты» и со входа «Сброс». Вход «Такты» переключает текущую строку, а вход «Сброс» возвращает счетчики на первую строку. В начальном состоянии на вывод 13 микросхемы DD3 подается логическая 1. Логическая 1 присутствует на выводе 3 (Q0) микросхемы DD3. При поступлении последовательности импульсов на вход 13 (CP), производится счет и положительный потенциал возникает поочередно на выводах 2,4,7,10,1,5,6,9 и 11 (Q1-Q9 соответственно). При появлении логической 1 на выводе 11 микросхемы DD3, комбинация логических элементов И-НЕ (DD1.1 и DD1.2) блокирует дальнейшее поступление импульсов с входа «Такты» на вход первого счетчика, однако комбинация элементов DD1.3, DD1.4 и DD2.1 разблокирует поступление импульсов на второй счетчик (DD4). Таким образом происходит переход от первого ко второму счетчику. Вывод 3 микросхемы DD4 не подключен к строкам, т.к. в начальном состоянии на этом счетчике не должно быть логических 1 ни на одном выводе, подключенном к строкам. Далее аналогичным образом происходит обход второго счетчика и переход на третий (DD5). В реализации используется 20 строк поэтому при возникновении логической 1 на выводе 10 (Q4) микросхемы DD5, происходит сброс всех счетчиков и цикл повторяется сначала. Сброс может так же происходить при появлении логической 1 на входе «Сброс».