Khi các nhà thiết kế chọn màn hình cho điều khiển công nghiệp, thiết bị y tế và các hệ thống nhỏ gọn khác, họ không chỉ cần hiển thị nhiều thông tin hơn trên màn hình nhỏ hơn mà còn cần cải thiện khả năng hiển thị, khả năng sử dụng và độ tin cậy. Ngoài ra, cần giảm chi phí đồng thời đẩy nhanh tốc độ phát triển.
Rất khó để đạt được sự kết hợp hợp lý giữa kích thước, độ phân giải, độ sáng và hiệu suất công nghiệp khi sử dụng các giải pháp truyền thống. Vì vậy, vấn đề trở thành mức độ khó của việc tích hợp. Màn hình công nghiệp nhỏ thường ở dạng bảng hiển thị hoặc mô-đun nhưng yêu cầu các nhà thiết kế phải tốn nhiều công sức để giải quyết các vấn đề như trình điều khiển cấp thấp, đèn nền và giảm thiểu nhiễu điện từ (EMI).
Bài viết này trước tiên giới thiệu ngắn gọn những thách thức mà các nhà thiết kế gặp phải khi phát triển các hệ thống nhỏ gọn. Sau đó, giới thiệu màn hình cắm và chạy độ phân giải cao 3,5" của Newhaven Display, đồng thời trình bày cách tích hợp và triển khai nhanh chóng màn hình này.
Nhu cầu về màn hình hiển thị nhỏ gọn độ phân giải cao trên thị trường tiếp tục tăng
Các thiết bị nhỏ luôn có thể sử dụng màn hình có độ phân giải thấp. Do hạn chế về chức năng, các hệ thống truyền thống này chỉ yêu cầu các menu đơn giản và nhãn chỉ báo cơ bản. Tuy nhiên, các thiết bị hiện đại yêu cầu màn hình có độ phân giải cao để trình bày dữ liệu phức tạp và đạt được trải nghiệm người dùng hoàn hảo.
Sự ra đời của khả năng kết nối Internet of Things (IoT) và khả năng phân tích phức tạp đã thúc đẩy những thay đổi này. Lấy các công cụ chẩn đoán di động và thiết bị đo lường làm ví dụ, chức năng của các thiết bị đó vượt xa việc cung cấp dữ liệu đo lường phản hồi. Họ cũng cần đưa ra bản phân tích hiệu suất chuyên sâu về hoạt động của thiết bị và cung cấp hướng dẫn vận hành trực quan trong quá trình khắc phục sự cố.
Sự phát triển của các nền tảng cũng thúc đẩy nhu cầu về độ phân giải. Khi môi trường RTOS nhúng truyền thống nhường chỗ cho các nền tảng hiện đại như Linux, Windows Embedded và Raspberry Pi, các nhà thiết kế phải đối mặt với một hạn chế thực tế: hệ điều hành hiện đại yêu cầu độ phân giải màn hình ít nhất là 640 × 480, điều mà màn hình thiết bị nhỏ truyền thống không thể đáp ứng được.
Từ góc độ phát triển, việc sử dụng lại các khung giao diện người dùng, widget và thư viện biểu tượng ban đầu được phát triển cho máy tính để bàn, máy tính bảng hoặc hệ thống nhúng với độ phân giải cao hơn đã trở thành hiện thực. Việc tái sử dụng này giúp đảm bảo tính nhất quán về thương hiệu và tính năng giữa các dòng sản phẩm, đồng thời tránh hoạt động giao diện đồ họa người dùng (GUI) cấp thấp một lần.
Tại sao màn hình nhỏ truyền thống lại khiến việc tích hợp trở nên phức tạp
Để đáp ứng những nhu cầu này, các nhà thiết kế đang chuyển từ độ phân giải 320 × 240 phổ biến trong các màn hình nhỏ sang màn hình bóng bán dẫn màng mỏng (TFT) 640 × 480 rõ ràng và nhạy bén, đồng thời áp dụng các công nghệ như chuyển mạch trong mặt phẳng (IPS) để đạt được màu sắc chính xác và góc nhìn rộng hơn. Số điểm ảnh tăng gấp bốn lần đã mang lại giao diện người dùng tuyệt vời nhưng cũng dẫn đến hai thách thức có liên quan với nhau.
Màn hình có độ phân giải cao dưới 5 inch thường được cung cấp ở dạng màn hình trần và có thể được kết nối thông qua các giao diện như RGB 24 bit, LVDS hoặc MIPI-DSI. Để tích hợp các màn hình hiển thị này, các nhà thiết kế phải giải quyết các vấn đề như thiết kế mạch tốc độ cao, nối dây phức tạp và EMI do tín hiệu tần số cao tạo ra. Tương tự, đèn nền của màn hình hiển thị nhỏ thường chỉ là cấu hình “cơ bản nhất” nên các nhà thiết kế cần phải tự mua driver LED và thực hiện chức năng điều khiển độ mờ.
Về phần mềm, màn hình trần thiếu cơ chế khám phá được tiêu chuẩn hóa. Các nhà thiết kế phải định cấu hình thời gian hiển thị theo cách thủ công và phát triển trình điều khiển tùy chỉnh cho đầu vào cảm ứng và điều khiển đèn nền. Tuy nhiên, việc hoàn thành nhiệm vụ này đòi hỏi kiến thức chuyên môn về đồ họa và hệ điều hành. Đây có thể không phải là trọng tâm cốt lõi của nhóm sản phẩm và có thể khiến việc thử nghiệm, sản xuất và bảo trì tại chỗ trở nên phức tạp hơn.
Đơn giản hóa việc tích hợp màn hình hiển thị nhỏ sử dụng HDMI và USB
Màn hình IPS HDMI TFT 3,5" của Newhaven Display (Hình 1) tích hợp bảng hiển thị 640 × 480, trình điều khiển đèn nền độ sáng cao, cấu trúc che chắn EMI và mô-đun cảm ứng điện dung tùy chọn thành một thành phần hiển thị hoàn chỉnh, dễ dàng giải quyết các vấn đề nêu trên. Mật độ điểm ảnh của các tấm nền hiển thị này là 228 pixel mỗi inch (PPI), đáp ứng yêu cầu độ phân giải của giao diện người-máy chuyên sâu thông tin (HMI) và tránh những rắc rối của thiết kế phần cứng truyền thống.
Màn hình IPS HDMI TFT 3,5" của Newhaven Display
Hình 1: Màn hình IPS HDMI TFT 3,5 inch tích hợp bảng hiển thị 640 × 480 rõ ràng thành một thành phần cắm và chạy hoàn chỉnh. (Nguồn hình ảnh: Newhaven Display)
Phần mềm giao diện cho video HDMI có thể đơn giản hóa việc gỡ lỗi hệ thống. Về mặt hệ thống máy chủ, màn hình hiển thị này giống như một màn hình HDMI tiêu chuẩn, chứ không phải là một bảng hiển thị trần không xác định yêu cầu bộ hẹn giờ tùy chỉnh. Giống như bất kỳ màn hình HDMI tiêu chuẩn nào, giao diện này khai báo chế độ 640x480 thông qua Dữ liệu nhận dạng hiển thị mở rộng (EDID) và có thể tự động phát hiện trên các nền tảng máy tính bảng đơn (SBC) phổ biến như Windows, Linux và Raspberry Pi. Bằng cách này, không cần phải phát triển trình điều khiển đồ họa cấp thấp và nguy cơ lỗi cấu hình độ phân giải có thể được giảm thiểu ở mức độ lớn nhất có thể.
NHD-3.5-HDMI-HR-RSXP-CTU nhạy cảm ứng (Hình 2) mở rộng khái niệm thiết kế của giao diện tiêu chuẩn cho đầu vào cảm ứng điện dung (PCAP) dự kiến của nó. Ở sản phẩm cảm ứng điện dung này, đầu nối micro USB có thể cung cấp đồng thời cả nguồn 5V và dữ liệu cảm ứng. Bộ điều khiển cảm ứng hiển thị dưới dạng Thiết bị giao diện con người USB (USB-HID) tiêu chuẩn trên hệ thống Windows và Linux, do đó hệ điều hành sẽ tự động cài đặt trình điều khiển mà không yêu cầu các mô-đun hạt nhân cụ thể của nhà cung cấp.
Newhaven Display NHD-3.5-HDMI-HR-RSXP-CTU (bấm vào để phóng to)
Hình 2: NHD-3.5-HDMI-HR-RSXP-CTU tích hợp bảng hiển thị 640 × 480 rõ ràng vào cụm màn hình hoàn chỉnh và các thiết bị che chắn EMI được lắp đặt xung quanh các thành phần tần số cao. (Nguồn ảnh: Newhaven Display, được tác giả chỉnh sửa)
Các mô-đun này cũng đơn giản hóa toàn bộ quá trình lắp ráp. Khi sử dụng giải pháp bảng hiển thị trần, các nhà thiết kế cần thực hiện tích hợp nhiều bước: lắp kính TFT vào khung tùy chỉnh, cố định các bảng điều khiển độc lập ở các vị trí khác bên trong vỏ, đặt cáp ruy băng chính xác giữa các bộ phận và xác định không gian lắp đặt cho mạch điều khiển đèn LED rời. Màn hình IPS HDMI TFT 3,5" giúp đơn giản hóa quy trình trên và chỉ có thể được lắp ráp thông qua các lỗ lắp nằm ở bốn góc.
Cấu trúc cáp kép (HDMI cho video, Micro USB cho nguồn và cảm ứng) thay thế các mạch linh hoạt mỏng manh bằng cáp tiêu chuẩn và các đầu nối được bố trí dọc theo một cạnh của bảng mạch in (bo mạch PC) để dễ dàng nối dây trực tiếp. Cấu trúc che chắn EMI tích hợp giúp giảm hơn nữa các yêu cầu chống nhiễu ở cấp độ vỏ.
Sử dụng công nghệ IPS để đạt được khả năng hiển thị dưới ánh sáng mặt trời
So với các tấm nền hiển thị nematic xoắn (TN) hoặc căn chỉnh dọc (VA) truyền thống, màn hình IPS có hiệu suất quang học tuyệt vời. IPS đạt được góc nhìn rộng 85° ở mọi hướng và duy trì màu sắc cũng như độ tương phản nhất quán trên các góc nhìn khác nhau. Độ sáng điển hình của mô hình điện dung là 810 nến trên mét vuông (cd/m 2), hỗ trợ sử dụng trong môi trường ánh sáng xung quanh mạnh, giúp hiển thị rõ ràng các thiết bị cầm tay, bảng điều khiển và các ứng dụng khác trong môi trường ngoài trời và công nghiệp.
Màn hình hiển thị NHD-3.5-HDMI-HR-RXP không cảm ứng (Hình 3) áp dụng kiến trúc tổng thể tương tự nhưng loại bỏ sự chồng chéo PCAP. Điều này mang lại độ sáng màn hình là 950 cd/m2, mang lại khả năng đọc tốt hơn dưới ánh sáng mặt trời cho các ứng dụng xử lý đầu vào thông qua các nút vật lý hoặc bộ điều khiển bên ngoài khác. Mức tiêu thụ hiện tại của các mẫu máy không cảm ứng cũng thấp hơn một chút (giá trị điển hình là 460 milliamp (mA) thay vì 490 mA). Model này cũng sử dụng phương thức kết nối HDMI và USB nhưng USB chỉ cung cấp nguồn điện.
Màn hình hiển thị NHD-3.5-HDMI-HR-RSXP của Newhaven Display, với kích thước cụ thể được đánh dấu trong hình (click để phóng to)
Hình 3: Mẫu NHD-3.5-HDMI-HR-RXP tích hợp màn hình hiển thị 640 × 480 và sử dụng thiết kế mở viền thay vì cấu hình cảm ứng điện dung. (Nguồn ảnh: Newhaven Display, được tác giả chỉnh sửa)
Phạm vi nhiệt độ làm việc của cả hai mẫu máy là -20 ° C đến +70 ° C và phạm vi nhiệt độ bảo quản là -30 ° C đến +80 ° C. Các thử nghiệm xác minh bao gồm chu trình nhiệt, độ rung và phóng tĩnh điện, với điện áp thử nghiệm là ± 8 kV trong không khí và ± 4 kV khi tiếp xúc. Những đặc điểm này cho phép cả hai sản phẩm được triển khai trong môi trường công nghiệp, giao thông và ngoài trời có ánh sáng nhẹ và các nhà thiết kế không cần phải tự mình thực hiện chứng nhận mức độ hiển thị.
Nhanh chóng khởi động cài đặt phần cứng và phần mềm
Ở cấp độ phần cứng, việc tích hợp chủ yếu tập trung vào ba giao diện chính (Hình 4). Đầu nối HDMI loại A được sử dụng để cung cấp đầu vào video; Đầu nối USB Micro-B được sử dụng để cung cấp điện áp 5V và nếu là model điện dung, nó cũng có thể truyền dữ liệu cảm ứng USB-HID. Khối đầu cuối nhỏ dẫn ra chốt điều khiển trình điều khiển đèn nền, có thể chấp nhận các tín hiệu kích hoạt đơn giản hoặc dạng sóng điều chế độ rộng xung từ 5 kHz đến 100 kHz. Đèn chỉ báo trạng thái LED có thể cho biết nguồn điện, phát hiện liên kết HDMI và các thao tác chạm phiên bản điện dung, rất hữu ích cho việc gỡ lỗi khởi động và khắc phục sự cố tại chỗ.
Các chức năng chính của Newhaven Display 3.5"IPS HDMI TFT
Các tính năng chính của IPS HDMI TFT trong Hình 4:3.5 bao gồm giao diện HDMI (1) và USB Micro-B (2), HDMI, nguồn điện DC, đèn báo LED phát hiện cảm ứng (3-5) và khối đầu cuối đèn nền (6). (Nguồn hình ảnh: Newhaven Display)
Trong hệ thống Windows 10 và 11, màn hình hiển thị sẽ tự động được phát hiện như màn hình HDMI thông thường. Sau khi liên kết USB được kết nối, kiểu điện dung sẽ được liệt kê là thiết bị cảm ứng USB-HID. Không cần cài đặt trình điều khiển chuyên dụng, có thể sử dụng cài đặt hiển thị tiêu chuẩn và công cụ hiệu chỉnh cảm ứng.
Các hệ thống dựa trên Linux thường sử dụng HDMI và EDID để phát hiện chế độ tự động theo cách tương tự. Trong hầu hết các cấu hình, mô-đun hiển thị dưới dạng màn hình HDMI tiêu chuẩn và hệ thống tự động chọn chế độ 640 × 480. Đối với các nền tảng như Raspberry Pi, hướng dẫn sử dụng cung cấp các ví dụ về câu lệnh cấu hình để buộc sử dụng chế độ và thời gian mong muốn khi cần thiết. Đầu vào cảm ứng của màn hình hiển thị phiên bản điện dung được hiển thị dưới dạng thiết bị USB-HID thông qua hệ thống con đầu vào Linux tiêu chuẩn, giúp đơn giản hóa việc tích hợp với các khung đồ họa thông thường.
Độ sáng của đèn nền có thể được điều chỉnh thông qua các chân điều khiển của trình điều khiển LED tích hợp mà không cần mạch điều khiển riêng. Các mức logic tĩnh có thể được sử dụng để điều khiển bật/tắt đơn giản, trong khi đầu vào điều chế độ rộng xung có thể điều chỉnh độ sáng để thích ứng với môi trường ánh sáng yếu hoặc giảm mức tiêu thụ điện năng khi không hoạt động. Phương pháp này tránh được tiếng ồn chuyển mạch và độ phức tạp của bố cục do thiết kế các trình điều khiển LED điện áp cao rời rạc trên bảng mạch chính.