Sulautetun järjestelmän varustaminen sopivalla näytöllä on monimutkainen tehtävä. Vaatimuksia on paljon - kirkkaasta, intuitiivisesta ja mukaansatempaavasta käyttökokemuksesta aina virrankulutusprofiilin huolelliseen hallintaan - ja monet niistä kilpailevat keskenään.

Tässä artikkelissa tutkitaan joitain sovellusvaatimuksia ja teknisiä rajoitteita, joita insinöörit kohtaavat valitessaan sopivaa näyttöä sulautettuun suunnitteluun. Käymme läpi eri näyttöteknologioita korkealla tasolla ja havainnollistamme niiden ominaisuuksia tuote-esimerkkien avulla.

HMI: kuinka suunnitella sovellusliitäntä?

Sulautetut järjestelmät ovat kaikkialla ympärillämme. Olemme vuorovaikutuksessa niiden kanssa säännöllisesti, ja joidenkin kuten älypuhelinten kanssa vuorovaikutus on lähes jatkuvaa. Nukkumisaikaa lukuun ottamatta käytämme todennäköisesti näitä järjestelmiä koko päivän ajan, ensimmäisestä heräämisestä lähtien, työmatkamme aikana, töissä ja kotona. Esimerkkejä ovat älykellot, mikroaaltouunit, autojen infotainment-järjestelmät, teollisuuden ohjauspaneelit ja kodin automaation ohjaimet.

Jokaisella näillä laitteella ja sovelluksella on erityisiä käyttövaatimuksia, joita tarkastelemme seuraavassa osiossa. Käyttäjälle ihmisen ja koneen välinen käyttöliittymä (HMI, human-machine interface) sisältää tyypillisesti näytön käytön, jonka koko ja ominaisuudet ovat sovelluksesta riippuvaisia. Älypuhelimet ovat usein vertailukohta, kun luodaan sulavia, intuitiivisia ja helposti puhdistettavia käyttöliittymiä. Kännykänkaltainen käyttöliittymä onkin tullut tutuksi muissa kodeissamme, autoissamme ja tehtaissamme olevissa järjestelmissä. Käyttöliittymästä on myös tullut haluttu tuotemerkkiä erottava ominaisuus.

Millaisen näytön sovelluksesi tarvitsee?

Suunnittelutiimille on useita ja usein vastakkaisia tekijöitä valittaessa näytön tyyppiä sulautetun järjestelmän käyttöliittymälle. Tuotteen markkinointispesifikaatiossa määrätään useimmat näistä toiminnallisesta näkökulmasta. Valittu näyttö saattaa kuitenkin asettaa teknisiä rajoituksia järjestelmän kokonaissuunnittelulle. Esimerkiksi suuri nestekidenäyttö (LCD) saattaa tehdä käyttöliittymästä intuitiivisemman kädessä pidettävässä akkukäyttöisessä tuotteessa, mutta käyttäjät saattavat pitää latausten välistä käyttöaikaa rajoittavana. Vaikka tässä artikkelissa keskitytään näyttötyypin valintaan, kannattaa muistaa, että yksinkertainen 7-segmentin näyttö ja muutama painike saattavat olla enemmän kuin riittäviä yksinkertaisiin sovelluksiin.

Suunnittelutiimin tulee tarkistaa seuraavat tekijät auttaakseen oikean näytön valinnassa.

Käyttöympäristö: Missä sulautettua järjestelmää käytetään? Minkä tahansa näytön käyttäminen kirkkaassa auringonpaisteessa on huomattavasti hankalaa verrattuna toimisto- tai tehdasympäristöön. Samoin näytön käyttäminen pimeänäköön vaikuttamatta – esimerkiksi meri- tai ilmailusovelluksessa – edellyttää, että näytön taustavalo tai värimaailma mukautuvat automaattisesti. Altistuuko tuote ympäristötekijöille? Kosteus ja pöly tuhoavat kosketusanturinäytöt, joten useimmat älykellot ja henkilökohtaiset navigointilaitteet käyttävät sen sijaan sisäänpääsyltä suojattuja fyysisiä painikkeita. Näytön katselukulma on toinen näkökohta. Missä ruutu yleensä sijaitsee suhteessa käyttäjään? Ei voida olettaa, että käyttäjä on aina käyttöliittymän edessä.

Käyttöliittymän monimutkaisuus: Kuinka monimutkainen käyttöliittymä on? Onko useita erillisiä toimintoja ohjattavia? Onko jokainen toiminto yksinkertainen päälle/pois vai luonteeltaan vaihtelevampi? Onko aiottu käyttöliittymä tekstimuotoinen vai sisältääkö kehittyneitä visuaalisia ohjaimia, ehkä käyttämällä resistiivistä tai kapasitiivista kosketusnäyttöä? Intuitiivisen ja helppokäyttöisen käyttöliittymän (UI) suunnitteleminen edellyttää vankkaa käyttökokemuksen (UX) ymmärtämistä ja sitä pidetään erityistaitona. Looginen ja hierarkkinen monisivuinen valikkorakenne auttaa yksinkertaistamaan käyttöä. Lisäksi käyttöliittymän samankaltaisuuden säilyttäminen useissa tuotteissa vahvistaa johtavan ja luotetun brändin tunnusmerkit, eikä sitä pidä jättää huomiotta.

Tila- ja kotelorajoitukset: Kuinka suuri lopputuote tulee olemaan ja kuinka paljon tilaa on käytettävissä sulautetun järjestelmän ja näytön yhdistämiseen? Rajoittaako tilaa esimerkiksi tarve saavuttaa teollisuusstandardin mukainen koko teollisuuden ohjauskaapissa? Näyttö saattaa olla tarpeen sijoittaa lasi- tai pleksin taakse ulkokäyttöön ja teollisiin tai lääketieteellisiin tarkoituksiin käytettäviin järjestelmiin. Kuluttaja- ja autosovelluksissa tyylikäs uppoasennus on toivottava. Vaatiiko se näytön lisäksi erillisen ohjainpiirilevyn vai voiko sen liittää suoraan isäntämikro-ohjaimeen? Jos kotelon syvyys on riittävä, voi olla mahdollista pinota näyttö, ohjain ja isäntä yhteen. Tämä lähestymistapa yksinkertaistaisi korttien yhteenliittämistä, kun ei tarvitsisi käyttää joustavia piirilevynpäitä.

Tekniset rajoitukset: Käyttöliittymä ja kotelointivaatimukset määräävät suurelta osin näytön koon, mikä paljastaa joukon teknisiä näkökohtia. Syöttöjännitteiden ja virrankulutuksen sähköiset tiedot ovat tärkeitä seikkoja, erityisesti akkukäyttöisissä malleissa. Isäntäliitäntä on toinen keskeinen tekijä, ja useimmat edellyttävät nopeaa sarjaliitäntää, kuten UART, SPI tai HDMI. I²C-liitäntä saattaa riittää pienemmille näytöille, jotka vaativat vähemmän tiedonsiirtoa. Monia suosittuja näyttöjä on saatavana kehitystä ja integrointia helpottavana moduulina, joka sisältää näytön, ohjaimen, näyttömuistin ja kosketustunnistimen. Akkukäyttöisissä ja harvoin käytetyissä järjestelmissä on toivottavaa, että sulautettu järjestelmä ja näyttö voidaan asettaa virtaa säästävään lepotilaan. Tällöin on tarpeen varmistaa, että sovellus ja näyttö voidaan saada nopeasti takaisin toimintaan koskettamalla näyttöä. Ohjelmistoresurssien ja graafisen käyttöliittymän kehitysympäristön saatavuus helpottaa merkittävästi käyttöliittymän prototyyppien tekemistä.

Suositut näyttöteknologiat

Seuraavat ovat suosittuja sulautettujen järjestelmien näyttötapoja:

• Ledinäytöt (light emitting diode) sisältävät pistematriisi- ja 7- ja 14-segmenttisiä näyttöjä, jotka käyttävät valodiodeja helpottamaan yksinkertaisten aakkosnumeeristen käyttöliittymien suunnittelua. Termiä ledi käytetään myös hämmentävästi LCD-pohjaisista näytöistä, jotka käyttävät ledejä taustavalaistukseen.
• Nestekidenäyttö eli LCD on tutuin näyttötyyppi. Nestekiteet käyttävät valoa moduloivia ominaisuuksia ja polarisoivaa suodatinta yhdessä taustavalon tai heijastimen kanssa värikuvien luomiseen. Koska nestekiderakenteet eivät säteile valoa, vaan ovat taustavalon varassa, niitä voi olla haastavaa katsella suorassa auringonvalossa.
• Orgaaninen ledinäyttö eli OLED. Nämä monipuoliset ja yhä suositummat näytöt soveltuvat teksti- ja graafisiin sovelluksiin ja käyttävät ledejä valon heijastamiseen polarisaatiosuodattimien läpi. Koska ledit lähettävät kuvan suoraan ilman taustavaloa, ne tarjoavat korkean kontrastin, joka sopii käytettäväksi suorassa auringonvalossa.
• E-muste (tunnetaan myös nimellä e-paperi tai elektroninen paperi). Tablettityyppisten e-kirjojen lukulaitteissa yleisesti käytetyt e-musteen näytöt ovat yhä suositumpia verkkoon liitettyjen supermarkettien hyllyetikettien ja digitaalisten kylttisovellusten yhteydessä. Näyttötekniikka ei lähetä valoa tai vaadi taustavaloa, vaan heijastaa ympäristön valoa. Niissä on korkea kontrastisuhde, joten ne sopivat käytettäväksi suorassa auringonvalossa. Lisäksi e-ink-näytöillä on laajin katselukulma tässä vertailluista näytöistä. E-ink-näyttöjen merkittävä etu on virrankulutusprofiili, koska se kuluttaa virtaa vain näytön päivityksen yhteydessä.

Esimerkkejä LCD-näyttömoduuleista ovat Riverdi EVE -sarja, Newhaven Display NHD -perhe ja 4D Systems LCD 43480272 -mallisto.

Riverdin erittäin kirkkaat EVE4-ohutkalvotransistoreihin perustuvat LCD-moduulit ovat saatavilla 3,5 tuuman (320 × 240 pikseliä), 4,3 tuuman (480 × 272 pikseliä), 5 tuuman (800 × 480 pikseliä) ja 7 tuuman (1024 × 600 pikselin) koossa (kuva 1). Niitä on saatavana resistiivisillä tai kapasitiivisilla kosketusnäyttöohjaimilla tai ilman kosketusnäyttöä.

Kuva 1: Riverdin 5-tuumainen EVE4-näyttömoduuli, jossa on kapasitiivinen kosketusohjaus (kuva: Riverdi).

Moduulit käyttävät edistynyttä Bridgetekin sulautettua videoprosessori BT817 (kuva 2). Isäntä-näyttö-yhteys käyttää joko QSPI- tai SPI-liitäntää. 5 tuuman näyttö vaatii 3,3 VDC:n ja 5 V:n taustavalon. Näytön virrankulutus on tyypillisesti 203 mA ja taustavalon 365 mA.

Kuva 2: Riverdin EVE 4 -sarjan näyttömoduulissa käytettävän Bridgetek BT817 -ohjaimen lohkokaavio (kuva: Riverdi).

Kuva 3 esittää Newhaven Displayn 5 tuuman kapasitiivista kosketusnäyttöä, jota käytetään maatalouden karjanhallintasovelluksessa. Näytön ja kosketusnäytön ohjain tarvitsee 3,3 VDC virran 72 mA:iin asti ja taustavalo 21 VDC 60 mA:ssa. Katselukulma on tyypillisesti 80 astetta ja sen keskimääräinen kontrastisuhde on 1000.

Kuva 3: Newhaven Displayn 5-tuumainen LCD-moduuli NHD-5.0-800480AF (Kuva: Newhaven Display).

4D Systems on toinen TFT LCD -moduulien toimittaja, joka tarjoaa esimerkiksi 4,3-tuumaisen 480 × 272 pikselin 43480272-moduulin. Kapasitiivisella kosketusanturilla varustettu moduuli vaatii yhden 3,3 VDC-syötön, tarjoaa tyypillisen 70 asteen katselukulman ja kontrastisuhteen 500. Taustavalo toimii myös 3,3 VDC:stä ja kuluttaa vain 60 mA. Helpottaakseen sulautettujen kehittäjien tehtävää luoda ammattimaisia näyttöjä 4D Systems tarjoaa Workshop 4:n, joka on visuaalisen integroidun kehitysympäristö (kuva 4).

Kuva 4: Esimerkki työn alla olevasta käyttöliittymästä 4D Systemsin Workshop 4 -kehitysympäristössä (kuva: 4D Systems).

Workshop 4 IDE sisältää työkaluja ja käyttövalmiita visuaalisia widgettejä, kuten mittareita, liukusäätimiä -ja -pyöriä fontteja, jotta kehitystiimi voi keskittyä sovellusohjelmistoon joutumatta jumiutumaan käyttöliittymän visuaalisiin näkökohtiin.

Esimerkki OLED-näytöstä on Futaban EL-sarja. Se on saatavana eri kokoisina 0,5 tuumasta 3,6 tuumaan. Nämä ohuet, kevyet ja vähän virtaa käyttävät näytöt tarjoavat suuren kontrastin monenlaisiin kuluttaja- ja teollisuussovelluksiin. Kuva 5 esittää 2,1 tuuman valkoista, 256 × 64 pikselin graafista ELW2106AA-näyttöä, joka vaatii 16,5 VDC:n jännitteen virtalähteen itse näytölle ja 3,0 VDC:n logiikalle. Näytön virrankulutus on enintään 52 mA, kun kaikki pikselit ovat päällä, ja logiikkapiiri kuluttaa vain 475 uA. Ilmoitettu kontrastisuhde on 10 000.

Kuva 5: Futaban 2,1-tuumainen OLED-näyttömoduuli ELW2106AA (kuva: Futaba).

Viimeinen tuote-esimerkki on Pervasive Displaysin 3,7-tuumainen e-ink EPD eli elektroninen paperinäyttömoduuli (kuva 6). Moduulissa on SPI- ja I²C-liitännät, 180 asteen katselukulma ja se kuluttaa enintään 2,49 mA näytön päivityksen aikana tyypillisestä 5 voltin DC-syötöstä. Mustavalkoinen näyttö ei kuluta virtaa, kun kuvaa ei muuteta. Kosketusanturi vaatii 3,3 voltin jännitteen, kuluttaa enintään 10 mA aktiivisena ja virrantarve laskee 2,5 milliampeeriin, kun kuvaa ei päivitetä.

Kuva 6: Pervasive Displaysin 3,7-tuumainen EPD-module TP370PGH01 (kuva: Pervasive Displays).

Optimaalisen näytön valitseminen sulautettuun laitteeseen

Oikean näytön valitseminen sulautettuun suunnitteluun vaatii huolellista harkintaa. Tässä artikkelissa olemme nostaneet esiin joitain tekijöitä, jotka insinöörien tulisi ottaa huomioon. Olemme keskittyneet estetiikkaan, käyttöliittymän monimutkaisuuteen, käytettävissä olevaan tilaan ja teknisiin ominaisuuksiin.

Kun tuote varustetaan optimaalisella näytöllä ja intuitiivisella käyttöliittymällä, voidaan varmistaa sen paikka markkinoiden johtavana suunnitteluna.