На сегодняшний день известно множество методов отображения информации. Об одном из возможных способов реализации устройств отображения информации пойдет речь в этой статье. В частности рассматривается светодиодное устройство отображения трехмерной информации с интерактивными возможностями. В результате проектирования разработан макетный образец устройства с оптимальным алгоритмом функционирования.
Ключевые слова: отображение информации, светодиодный индикатор, устройство, интерактивное управление, динамическая индикация.
Устройства отображения информации всегда пользовались большой популярностью во многих областях. Мультимедийные технологии активно развиваются во всем мире уже на протяжении многих столетий. В обучении, культуре, бизнесе и управлении в основном используются такие средства отображения информации, как плазменные и LCD панели и мультимедийные проекторы. Одним из последних достижений в данной области является светодиодный экран, который превосходит все возможные аналоги по своим техническим характеристикам. Нужно отметить такие преимущества, как расстояние видимости, которое для светодиодного экрана в десятки раз больше, чем для жидкокристаллического, плазменного или проекционного экрана, и высокая устойчивость к внешним температурным воздействиям, позволяющая использовать светодиодные экраны в области наружной рекламы. Но даже эти преимущества уже стали всем привычными и никого не удивляют, а прогресс не стоит на месте и уже развиваются технологии трехмерного отображения информации.
Технологии отображения трехмерной информации в подавляющем большинстве основаны на обмане человеческого зрения. Например, стереотехнология: каждый глаз с помощью специальных устройств воспринимает отдельные друг от друга картинки, а человеческий мозг обрабатывает это все как целое объемное изображение. Подобные технологии способны причинить непоправимый вред зрению и могут привести к трагическим последствиям. В интернет-блогах, посвященных просмотрам фильмов в трехмерном формате, многие пользователи жалуются на плохое самочувствие, вызванное именно просмотром подобных картин [1]. Люди жалуются на тошноту, головокружение, расстройство зрения и мигрени.
Существуют также методы голографического отображения трехмерной информации, основанные на когерентности световых волн. Два световых пучка накладываются друг на друга, и при определенных условиях возникает интерференционная картина. Известные системы 3D-проекций способны производить либо статические голограммы с превосходной глубиной и разрешением, либо динамические, но смотреть на них можно только под определенным углом и в основном через стереоскопические очки [2].
На сегодняшний день широкое распространение получили светодиодные индикаторы, которые используются в основном в рекламной индустрии и имеют конструктивное исполнение типа матрицы или бегущей строки.
Популярность светодиодных систем отображения информации обусловлена высокой надежностью, доступной стоимостью и достаточно низким энергопотреблением. Способность светодиодных экранов отображать текстовую и видеоинформацию, блочно-модульное построение и получение необходимого разрешения, позволяют светодиодным экранам найти применение практически в любой отрасли. Последним достижением развития светодиодных индикаторов стало отображение информации в трехмерном объемном виде. Идея, сама по себе, не является новаторской, но в настоящее время еще не проработана в должной степени и имеет перспективы развития.
Известные на сегодняшний день светодиодные трехмерные индикаторы, в большинстве своем, предполагают наличие достаточно габаритных светодиодов при относительно небольшом их количестве, что существенно сказывается на разрешении представляемой информации. Использование малопроизводительных микроконтроллеров в качестве управляющих устройств влияет на общие функциональные возможности подобного рода приборов. Это, несомненно, является одним из основных недостатков при разработке. Известные аналоги имеют ограниченные функциональные возможности. В основе их функционирования лежит вывод текста и воспроизведение определенных демонстрационных картинок. С целью совершенствования технологии и увеличения возможностей данного типа устройств инженерами исследовательского центра «Современные электронные элементы и технологии» ДГТУ разработано устройство отображения трехмерной информации с возможностью интерактивного управления (рис. 1). Разработанное устройство имеет ряд преимуществ перед известными аналогами благодаря наличию разнообразных режимов функционирования и возможности интерактивного управления.
Рис. 1. Устройство отображения трехмерной информации
Основные отличительные особенности разработки:
- Формат изображения 24х16х6 пикселей;
- Возможность интерактивного управления выводимой информацией посредством специальной клавиатуры;
- Использование операционной системы реального времени Freescale MQX для создания комплексных и масштабируемых программ;
- Возможность автономной работы устройства без применения ПК.
От выбранного разрешения зависят такие показатели, как сложность и стоимость выбранных схемотехнических решений, и общий визуальный эффект. Формат 24х16х6 является наиболее оптимальным для этих требований. К примеру, высота 16 пикселей позволяет использовать режим динамической индикации без существенных потерь яркости, тогда как большая высота потребовала бы использование более ярких, а соответственно и более дорогих светодиодов. Глубина подбирается таким образом, чтобы светодиоды, расположенные впереди конструкции, не загораживали собой задние ряды. Длина 24 пикселя соответствует выбранной высоте по соотношению 4:3.
Конструктивно данное устройство представляет собой светодиодную матрицу, состоящую из шести слоев (С1-С6), в каждом из которых 16 линеек (А1-А16) из 24 светодиодов (рис.2). С целью упрощения схемотехники и уменьшения количества проводов было решено использовать метод динамической индикации со скважностью 16, таким образом, активен только один слой в каждый момент времени. Аноды светодиодов в каждом слое объединены и поочередно коммутируются к шине питания посредством последовательного регистра, выполненного на компонентах DD2, DD3 CD4015 и мощных p-канальных MOSFET транзисторах VT1-VT16 IRF9540N.
Рис. 2. Схема электрическая принципиальная устройства отображения трехмерной информации
Мощные светодиодные драйвера компании Macroblock MBI5168 управляют состоянием светодиодов. К одной микросхеме подключается восемь светодиодов. Соответственно, для управления одной линейкой в 24 светодиода потребуется три таких драйвера, включенные последовательно (на рис.2 блоки B1-B6). Выходной ток драйверов задается внешними резисторами Rext, сопротивление которых рассчитывается по формуле:
Rext= 
где Iout — выходной стабилизированный ток светодиода, a Rext — требуемое сопротивление. В нашем случае Rext = 750 Ом, для обеспечения оптимального тока светодиодов 25 мА.
Информация, сохраненная в регистрах, обновляется перед каждым следующим включением активного слоя через последовательный интерфейс — выводы SDI, SCLK и OE. Для блока B1 (рис.2) резисторы R20…R27, R29…R36, R38…R45 позволяют снизить уровень выделения тепла микросхем, так как для номинального режима работы драйверов MBI5168 необходимо обеспечить падение напряжение на выводах не более 0,4…1,0 В, что связано с типом используемого корпуса.
При выборе светодиодов особое внимание уделяется таким параметрам, как светоотдача и угол рассеивания. Для выбранных нами светодиодов 3004R1D-EHC-B угол рассеивания составляет 60о. Чем больше этот угол, тем лучше, поскольку узкий пучок света может засветить светодиод, расположенный в верхнем ряду, что создаст ложную видимость его активности и немного исказит общую картину. Упрощение схемотехники при использовании скважности порядка 16 вынуждает пропускать через светодиоды относительно высокий импульсный ток, при том, что сила света использованных нами светодиодов составляет 300 мкд при токе 20 мА.
Основным управляющим устройством разработки является микроконтроллер DD1 компании Freescale MCF51CN128 в составе модуля TWR-MCF51CN на базе Tower Sysrem [4], который формирует выводимое изображение и передает через последовательный интерфейс SPI светодиодным драйверам. Такие параметры микроконтроллера, как тактовая частота ядра 50 МГц, тактирование периферийных узлов с частотой 25 МГц, объем ОЗУ — 7 Кбайт, позволяют формировать относительно сложную графику с применением высокоуровневого языка программирования и операционной системы реального времени.
Возможность интерактивного управления устройством и ручного переключения анимации обеспечивается за счет клавиатуры SB1…SB8, которая подключается к специализированным выводам микроконтроллера KBI1P0…KBI1P7.
Также необходимо использование высокоскоростного линейного драйвера DD4–74HCT541D для согласования логических уровней между светодиодными драйверами и микроконтроллером MCF51CN128 [5].
Важной частью проекта является программное обеспечение, которое должно быть легко переносимым и масштабируемым для достижения лучших результатов. Зрелищная анимация и разнообразные интерактивные возможности достигаются за счет использования операционной системы реального времени Freescale MQX [4], которая обладает следующими преимуществами:
- MQX — бесплатная ОСРВ, имеющая открытый исходный код;
- Наличие архитектуры с компонентной структурой: из 25 имеющихся компонентов MQX обязательными являются лишь 8, а остальные могут быть подключены по мере необходимости;
- Небольшой объем используемого ОЗУ и ПЗУ: 12 и 2,5 Кбайт, соответственно;
- Большинство компонентов существуют в двух формах: облегченной (lightwieght) и полнофункциональной (full);
- Наличие дополнительного программного обеспечения, например, MQX USB Host/Device Stack, RTCS TCP/IP, MQX File System (MFS), Freescale eGUI.
Использование ОСРВ дает возможность упростить процесс программирования и позволяет устройству работать в следующих режимах:
- Демонстрационный режим, позволяющий в режиме реального времени управлять переключением анимации;
- Режим ввода и отображения текстовой информации в формате объемной бегущей строки;
- Режим беспорядочного включения светодиодов с возможностью управления скоростью и количеством активных пикселей;
- Режим игры «3D Тетрис»;
- Режим игры «3D Змейка»;
- Тестовый режим, позволяющий определить неисправность каждого светодиода при наличии такового.
Результатом работы являются разработанные аппаратное и программное обеспечения. Изготовлен макетный образец устройства отображения трехмерной информации с интерактивными возможностями (рис. 1). Использование режима динамической индикации позволило упростить схемотехнику устройства, а применение операционной системы реального времени позволяет формировать достаточно сложную графику и анимации. Разработанное устройство отличается от большинства известных аналогов наличием разнообразных режимов функционирования, а также возможностью интерактивного управления изображением посредством специальной клавиатуры.
Уникальность данного проекта заключается в его эстетической красоте и зрелищности выводимого изображения, использовании современных средств вычислительной техники, цифровой обработки информации, а также выводе информации в реальном трехмерном виде. Прибор может получить практическое применение в рекламной индустрии, дизайне и оформлении помещений, развлекательных центров — в качестве анализатора спектра звуковых частот определенного диапазона в виде объемного эквалайзера, а также в качестве лабораторного стенда для изучения профильных дисциплин.
Возможным направлением улучшения качественных показателей устройства является увеличение производительности устройства управления, использование трехцветных светодиодов и применение более эффективных алгоритмов функционирования. Структурная схема возможного совершенствования устройства приведена на рисунке 3.
Рис. 3. Структурная схема возможной модернизации трехмерного индикатора.
Основные принципиальные изменения устройства заключаются в использовании RGB-диодов с применением специализированных светодиодных драйверов, замена микроконтроллерного модуля цифровым сигнальным процессором для получения большей производительности, беспроводная клавиатура, обеспечивающая удаленное управление информацией по определенному частотному радиоканалу, а также использование технологии Ethernet для более удаленного управления устройством. Таким образом, предполагается, что микроконтроллер МК (рис. 3) обрабатывает прерывания клавиатуры и посылает информацию в цифровой сигнальный процессор по радиоканалу. Процессор обрабатывает полученные данные и генерирует события, в результате которых активизируются функции, работающие по определенному алгоритму.
Литература:
1. http://webaist.ru/forum/thread87.html
2. www.masterok.livejournal.com/462630.html
3. Официальный сайт компании Freescale Semiconductor www.freescale.com
4. Кишов Р. М., Магомедов А. М., Герейханов Р. К. «Светодиодное устройство отображения TRUE 3D с интерактивными возможностями». Электронные компоненты № 8, Москва 2012.
