24智能运输系统讲义(显示)

1．了解ITS中常用的显示技术种类及其原理2．了解触摸屏的特点和工作原理3．了解车内显示器和背投大屏幕设计要点1．LCD、LED、PDP、CRT等显示技术的原理和特点2．触摸屏和显示技术的关系及其工作原理3．车内显示器设计考虑的主要因素显示技术是ITS的主要支撑技术之一，其原理的理解是个难点，但不要求深入理解，有兴趣的同学可参阅有关课程或书籍。2.4显示技术2.4.1显示技术概述显示技术是将电信号实时地转换成直观的可视图像的电子技术。显示器件本身是光电器件，它接收并显示信息仅需不到1s的时间，并能一直保持这一信息，直到接收新的数据才更新。通过设置人眼可分辨的对比度模式，就产生了图像效果。显示技术可用于公共场所的信息显示，如路边可变信息标志、车站电子站牌，可用于可视显示接口，如车载导航器的显示器、公共信息亭的显示屏，也可以通过大屏幕为管理、决策人员提供信息显示，如在调度中心，大屏幕显示及时、快捷、直观地给生产调度人员和经营决策人员提供道路交通流和事故信息。对不同应用场合的显示设备有不同的要求，但所涉及的显示技术种类大体相同。本节着重通过车内显示器和大屏幕显示系统来介绍ITS中所应用的显示技术。2.4.2显示产品的主要种类1.LED显示屏LED（LightEmittingDiode）显示屏是利用发光二极管构成点阵模块组成的显示产品。发光二极管靠半导体注人电子而发光。一个LED管由一个半导体P-N结组成。当这个P-N结正向偏置，有少数载流子注人时，伴随着电子——空穴的复合，发出可见光。根据发光二极管构造半导体材料的成份不同，有单色（红或绿或黄）、双基色（红色及绿色）、三基色（红、绿、蓝）之分，实际产品中，控制技术已达到16级~256级单点调度视频控制技术。LED显示屏产品技术成熟，使用寿命长（一般为8~10万小时），可按实际需求生产不同点阵密度（从φ3.0~φ15）的产品，被广泛采用。由于材料成本的影响，全彩色高密度点阵的LED显示屏（如φ3.0、φ3.75、φ5）价格较昂贵。双基色LED显示屏以优越的价格性能比受到亲睐，是目前具有代表性的显示产品。LED显示屏基本上国产化，可以根据需求任意尺寸结合，比较灵活简便。2．LCD显示屏LCD（LiquidCrystalDisplay）显示屏是利用液晶显示器件制作的显示屏。液晶显示器（LCD）本质上是“光阀”，它不同于其它显示器，因为LCD不产生光而是改变光线的传输。当在LCD加上电场后，液晶分子的排列就改变了，因而控制着光线的传输，或者阻挡光线或者使之通过。按上述机理，LCD可以分为三类：反射（环境光）型、透射（背光源）型、反射——透射混合型。LCD显示器有单色和彩色之分。LCD有多种寻址方式，例如快速扫描、双频寻址、滞后多路寻址、热寻址和点阵寻址。现在特别流行的寻址方式是无源点阵寻址和有源点阵寻址两种方式。无源寻址方式使用了网状开关阵，而有源寻址方式中每个象素使用1~3个晶体管。功耗低和小巧实用是LCD的突出优点。LCD一般功耗是2~3W（远低于CRT），这主要因为LCD的驱动电压可以很低，相应地驱动电路所消耗的功率也降低了。彩色液晶有两种：薄膜晶体管（TFT）有源点阵LCD和超扭曲向列型（STN）LCD。同时，在无玻璃基片型LCD和低温多晶硅TFT器件方面的研究已有新突破，利用极化紫外光改变液晶晶格结构的方法也使人们看到了拓宽液晶视角范围的希望。随着液晶研究的深人，汽车上使用的液晶会有更大改进。这些改进包括下列方面，但不仅限于这些。·通过对液晶排列方面的控制增加视角范围：利用多学科技术把液晶屏上的每一个点分成两部分，这样可以使视角范围加倍到40；·使用黑色点阵屏和防闪光的偏振片可以减少显示器表面反射光；·开发透光更好的色彩滤波器，更广的视角范围和高效的背光源系统来提高液晶显示器的亮度和降低功耗；·通过采用更薄的背光源系统和轻材质，采用高可靠性、高密度的连接，使LCD减轻重量，外形小巧；·采用新材料和新工艺，开发防震结构的新型液晶。LCD大屏幕有投影式和直接显示式两种。投影式是使用相当于幻灯的小型液晶盒在光、热、电场作用下，一边把显示图像写入，一边将该图像投影到大屏幕上的显示。直接显示方式是将具有一定尺寸的液晶盒（目前最大尺寸为35.56cm彩色屏）拼接成大画面，使用背照光源直接显示合成的图像显示方式。LCD显示屏的主要器件完全依靠进口，大屏幕组合技术国内尚难达到，另外必须根据要求的显示尺寸进行设计制作，成本比较高，目前还未成为主流产品。3．PDP显示屏PDP（PlasmaDisplayPanel）显示屏是利用等离子体显示器件制作的显示产品。PDP显示的原理是利用稀有气体放电，紫外线激励荧光层的光子发光，从而获得三基色R、G、B显示。PDP显示的色纯度可与CRT媲美，且视觉效果良好，长时间观看眼睛不会疲劳。等离子体显示器通常分为两大类：一类是直流等离子体显示器；另一类是交流等离子体显示。PDP显示目前是超薄型平板显示的主要发展方面，42”PDP彩色显示器已开始大量进入市场，70”PDP不久也将投入市场。PDP显示屏体积轻巧，显示效果理想，是小范围内大容量信息显示的首选产品。目前价格偏高，适用于公共场合。4．CRT显示屏早期的车内显示屏是使用阴极射线管（CathodeRayTube-CRT）。CRT的内表面涂上荧光粉，当一束或几束高能电子流打到上面时，就会发出荧光。电子流是从管后部的阴极板上发射出的。在光栅扫描CRT中，每一个刷新周期里电子束都扫描整个屏面并使扫描到的点发亮。在矢量扫描型CRT中，电子束只打到那些需要点亮的点上。通过选择不同的荧光粉和电子枪，可以控制显示的颜色。CRT主要用来制作电视机和作为计算机终端显示的器件。直接用CRT显示器组成大屏幕显示屏，显示器之间的缝隙难以克服，影响显示效果。利用小型CRT管制作投影机，通过投影机阵列、屏幕墙及控制系统形成投影大屏幕显示系统，显示效果良好，基本上实现了无缝拼接，色彩真实，根据要求可组合成不同尺寸，在全彩色大屏幕显示系统中得到广泛应用。投影大屏幕显示系统体积较厚，价格也比较昂贵，CRT的寿命相对较低。5．ELD显示器场致发光显示器（ElectroLuminescentDisplay-ELD）将一种多晶荧光粉置于电场中就会发光。这种荧光粉夹在导线网中。大多数ELD都是单色的，典型颜色是黑底黄字。ELD常用于显示点阵字符和图形，也可以作液晶显示器的背光源。ELD的主要优点是耐用性和从任一角度的可见能力；其主要缺点是造价高、颜色单一。6．VFD显示器真空荧光显示器（VacuumFluorescentDisplay-VFD）的发光原理是：在网状栅极的控制下，高速电子流打到真空管壁上的荧光粉上而发光。VFD的典型颜色是蓝绿色，背景为黑色。选用不同荧光粉的组合和使用宽带滤波器可产生不同的颜色。7．平面显示器（HUD）平面显示器（HeadUpDisplay-HUD）由图形发生器，光学投影仪和组合器组成。图像由图形发生器产生，经平行光束投影到组合器上，看起来就像一幅图像叠加在前方的可见屏上。汽车上的防风罩常用来充当组合器。真空荧光显示器（VFD）或矢量扫描（CRT）常用作图形发生器。8．平板式显示器平板式显示器是平板状的而且重量轻，不需要很大功率。理想的平板式显示器外形薄、体积小、重量轻、表面非常平、具有高分辨率和高对比度，在日光下可读性好、具有彩色显示能力和功耗低，以及固态的特点。场致发光显示器（FED）就是这种平板式显示器。目前对FED的研究开发非常热，原因在于虽然LCD在市场上占的份额最大，但其图像质量和视角范围远不及CRT。FED的基本原理同CRT类似。在CRT管内有一高温阴极板，发射电子流并将其打到屏幕的内表面。与此相反，FED有几百万个极微小的常温突起（coldmicrotips），这些突起被激发后可控制象素点的亮或灭（见下图，其中ITO表示透明氧化锡或氧化铜导电薄膜）。FED有行、列导电层，两层之间由绝缘层隔离。一个导电层是门（录取层），另一层导电层是阴极（发射层）。两层交汇的区域就是象素点，每个象素点含几个（最高达几百个）微小突起。有源点阵LCD采用1~3个晶体管驱动每一个象素，与此不同，FED不需要晶体管，只需要一个加电压的栅格阵来激发小突起。因此，在同样亮度下，FED需要的功率小于LCD。FED厚度约为2.54mm（0.l英寸），大约是LCD厚度的一半。从任一角度看FED都可看到清晰图像，同STN和AM液晶屏相比，FED具有同样的亮度、对比度和分辨率，甚至更高；但是却比它们薄56%，轻65%，可视范围大35%，功耗小3~5倍。FED屏横断面简图2.4.3触摸屏近几年来，随着车辆上电子设备的增多和仪表盘上开关数量的持续增长，车辆驾驶越来越复杂。因此，如何减少输入、输出设备已成为设计时一个重要的课题。解决方案一之是使用触摸屏，其上的多功能透明软开关可使车辆上使用的输入输出设备简化。触摸屏有下列功能和特点：·在一个小区域实现多种功能的控制·减少大量繁杂的传统控制方式·汽车上若要以“触碰”方式为输入方式，触摸屏是唯一选择·适合菜单选择方式·特别适合不经常发生的，低分辨率的触摸输入触摸显示屏上的触摸敏感区应该清楚地标识出来以便操作。这些敏感区大小应该至少1.9cm2，间距0.32cm。触摸屏的透光度大小应从保证在其要求的使用环境下具有清晰的可读性。一般来讲，光亮度应在70~140cd/m2。触摸动作发生后系统应给出反馈提示。压力式触摸屏的触摸压力应严格限制在0.25~1.5N。尽管某些技术同时能对不止一个触摸动作做出响应。但某一时刻只能接受一个触摸命令（扫描周期约100ms）。触摸屏是一种控制设备，其独特之处是可以外接在任何一种显示器之上，如CRT、LCD，ELD或PDP。对触摸屏的操作是通过手指或类似之物，如笔尖等）的触碰完成的。当前触摸屏大致有电阻式、电容式、红外式和表面声波式等类型。其中电阻式触摸屏占市场份额最大，所以下面将详细讨论电阻式的工作原理和实现问题。电阻式触摸屏的触点是许多透明的、电阻性的薄膜开关，完全不同于传统的设备。屏由极薄的、具有导电性的透明聚酯薄膜组成。可以是模拟的（电阻值连续可变），也可以是点阵式，对平板式或曲面显示器都适用。点阵式触屏被分割成开关（单元）矩阵，见下图，触碰一个单元就可以激活对应的开关。相对来说，这种触屏造价低、寿命长、功耗较低。但是分辨率是离散的而不是连续的。点阵式电阻触摸屏模拟式触屏没有被分成网格，但具有连续的分辨率，见下图。被触摸的位置由x，y两个方向的电阻来确定。分辨率取决于硬件译码电路和软件译码电路。这种触屏具有分辨率高，响应快的特点，触摸物是导体或非导体都可以。模拟式电阻触摸屏触屏从外形上看很薄，但实际上由很多层组成。下图是基于LCD上的一个触摸屏横断面简图，其中两层透明电阻（导电）层由空气绝缘层隔离，一层是喷涂了ITO的聚酯膜，一层是喷涂了ITO的玻璃层。聚酯膜是上层衬底，为了便于触碰应该具有良好的柔韧性。玻璃层是下层衬底，可以是刚性的，也可以是柔性的。需要说明的是，为了简化起见，图中未画出导电总线。模拟式电阻型触摸屏的工作是通过向其一个电阻层施加电压，同时测量这一层和另一层相接触的位置即触点处电压进行的。手指或其他触头使两电阻层在触点处短接，通过测量触点处电压值，就可得到触点的位置信息。两电阻层发生接触可以由前图中所示电阻的变化反映出来。一层表示X轴，另一层表示Y轴，即使X、Y轴的电阻值一模一样，这两个电阻值也不会被同时译码。因为在每个译码周期有两种扫描，分别扫描X.Y轴。在扫描过程的每一时刻只给一层加电压，而另一层处于高阻抗。所以两个电阻层共同扮演一个滑臂电位器。电阻主要由ITO喷涂面和镀银总线产生。每个方向两个坐标的比值与两部分电阻的比值成正比。Rx1/Rx2=X1/X2Ry1/Ry2=Y1/Y2X向、Y向输出电压可用下式计算：其中V是电