Проект устройства IPS дисплея

Размещено на http://www.allbest.ru/

РЕФЕРАТ

Объем работы, листов 42

Количество рисунков 18

Количество таблиц 3

Количество используемых источников 15

ПРОЕКТ УСТРОЙСТВА IPS ДИСПЛЕЯ

Цель работы - подготовка проекта устройства дисплей и описание алгоритма работы, связанного с модулем беспроводной сети.

В процессе работы разрабатываются принципиальная и структурная схемы устройства. Рассматривается принцип работы IPS дисплея, а так же рассматривается принципы работы микроконтроллера ATMega1281 и возможности подключения к ней дополнительных устройств, влияющих на его работу.

СОДЕРЖАНИЕ

• ВВЕДЕНИЕ
• ГЛАВА 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
• 1.1 Профиль Smart Energy стека протоколов ZigBee
• 1.2 Основные устройства, входящие в профиль Smart Energy
• 1.3 IPS дисплей
• 1.4 Обзор IPS дисплеев
• 1.5 Пакет программного обеспечения BitCloud
• ГЛАВА 2. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА. ОБЗОР ЭЛЕМЕНТОВ УСТРОЙСТВА
• 2.1 Технология разработки программного обеспечения системы
• 2.2 Функциональная схема и принцип работы устройства
• 2.3 Описание основного микроконтроллера для устройства
• 2.4 Блок управления пользователем функциями устройства (кнопки)
• 2.5 Блок взаимодействия с USB портом внешнего устройства
• 2.6 Блок отображения данных
• 2.7 Блок приёма данных при помощи модуля Zigbee
• 2.8 Блок памяти для хранения принимаемых данных
• 2.9 Вывод
• ГЛАВА 3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ОПИСАНИЕ РАБОТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ УСТРОЙСТВА
• 3.1 Разработка принципиальной схемы и печатной платы
• 3.2 Описание принципиальной схемы устройства
• 3.3 Алгоритм работы схемы
• ЗАКЛЮЧЕНИЕ
• СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
• ПРИЛОЖЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

Ежегодно в мире производятся тысячи устройств, передающий и принимающих информацию по беспроводным каналам, на базе этих устройств в свою очередь строятся новые сети, использующие такие технологии как ZigBee, Bluetooth, Wifi. Круг задач, решаемый с их помощью чрезвычайно широк - от полностью автоматических систем управления потребляемой энергии каждого из цехов завода, до простейших систем управления бытовыми приборами.

В качестве центрального управляющего элемента каждого из устройств такой системы является модуль, в нашем случае ZegBee. Компания ZigBee делает свой акцент на малую энергопотребляемость в своих разработках. Управление такими устройствами является достаточно простой задачей, пользователь может самостоятельно вносить изменения в работу устройств. Разработки с данными программными и техническими составляющими производят множество фирм, включающие свои новинки.

Актуальность данного проекта обусловлена тем, что в условиях рыночных преобразований современной российской экономики система инвестиционных взаимоотношений является одним из ключевых объектов государственного регулирования. В двадцать первом веке огромная часть инвестиций направлена на разработку новых и обновление существующих технических ресурсов, занимающих ведущую роль в повседневной жизни людей. Значимость всестороннего исследования устройства дисплей определяется тем, что именно на него отображается вся информация самым простым и удобным способом, которая может быть задействована в подобных сетях или же устройствах.

Практическая значимость данного исследования заключается в проведении комплексного анализа, разработке технического проекта устройства.

ГЛАВА 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

1.1 Профиль Smart Energy стека протоколов ZigBee

Миллионы устройств, реализованных с использованием ZigBee стандарта, доказывают что потребители могут рассчитывать на самые разнообразные, умные и, в тоже время простые, продукты, использующиеся повсеместно, будь то место вашей работы, ваш дом или же детская площадка, на которой играет ваш ребёнок. Эти технологии позволяют клиентам управлять ситуацией, экономить энергию и деньги, дают инструменты, необходимые для получения контроля в повседневной жизни. Возможно даже, чтобы помочь людям сохранить свою независимость и позволит им внимательно следить за своим здоровьем и физической подготовки. ZigBee позволяет легко и экономически выгодно, добавлять новые возможности повышения эффективности, безопасности, надежности и удобства выпускаемой продукции. Здесь используются недорогие маломощные беспроводные датчики. ZigBee может быть использован практически в любом месте, легко реализовывается.

История стандарта 802.15.4 (ZigBee) началась, когда многие инженеры, знакомясь с новейшими (в то время) стандартами Bluetooth и Wi-Fi, с разочарованием поняли, что оба эти стандарта были и остаются энергетически слишком прожорливы, слишком сложны для множества нужных рынку устройств. IEEE 802.15.4 стандарт определяющий протокол и совместимость соединения устройств. Для разработки нового стандарта был образован ZigBee Alliance, сформировавший в мае 2003 года первую версию стандарта.

На сегодняшний день ZigBee является наиболее молодой и перспективной технологией для построения беспроводных сетей с небольшими объемами передаваемой информации. Протокол ZigBee изначально разрабатывался для объединения в сеть большого количества автономных устройств, например датчиков и выключателей с батарейным питанием. Надежная беспроводная производительность и время автономной эксплуатации ZigBee дает свободу и гибкость эксплуатации и применения стандарта на сегодняшний день[9].

Трансиверы, отвечающие стандарту 802.15.4, могут использоваться как самостоятельные устройства, если разработчику нужно организовать связь точка-точка или звезда. Для организации полноценной сети ZigBee необходимо добавить микроконтроллер, в который должен быть загружен набор управляющих программ, так называемый стек протоколов ZigBee, который обеспечивает возможность самоорганизации и самовосстановления сети. Сеть сама определяет оптимальный маршрут передачи данных и позволяет находиться в одной сети тысячам устройств! Все продукты, относящиеся к одному стандарту, могут легко общаться между собой независимо от типа продукта или производителя. Это будет полезно при построении единых сетей на больших промышленных предприятиях. Дальность связи между двумя устройствами может достигать 6 000 метров, в зависимости от мощности и условий окружающей среды. Важным также является тот факт, что данные в ZigBee-сетях могут передаваться по цепочке устройств, своего рода эстафетой. А это, вместе с развитыми средствами самонастройки, должно сильно упростить развертывание на больших площадях. В основе каждого ZigBee стандарта и спецификации IEEE 802.15.4 мощный физический стандарт операционной радио полосы по всему. миру на 2,4 ГГц (глобально), 915 ГГц (Америка) и 868 ГГц (Европа). Он обеспечивает пропускную скорость передачи данных на частоте 2,4 ГГц 250Kbs (16 каналов), 40Kbs на 915 ГГц (10 каналов) и 20Kbs на 868 (1 канал)[7].

Альянс ZigBee растет и имеет целый ряд корпоративных, частных и государственных субъектов в качестве участников, которые вносят свой вклад в инновации в каждый стандарт ZigBee.

ZigBee получил ведущую роль в мировом движении смарт-электрических сетей. Поставщики энергетических услуг сотрудничают с ZigBee, так как ZigBee отвечает их потребностям и предоставляет им надежный, безопасный и простой в использовании стандарт ZigBee Smart Energy. ZigBee Smart Energy является ведущим стандартом для совместимости продуктов, мониторинга, контроля и информирования. Этот стандарт поддерживает разнообразные потребности глобальной экосистемы коммунальных услуг. Данный стандарт позволяет создавать интеллектуальные дома. Под интеллектуальным домом стоит понимать дом, в котором контроль за освещением, отоплением, охлаждением, энергопотребление и безопасностью производится системно.

Все продукты ZigBee Smart Energy создавать развёрнутые сети устройств в домашних условиях, предоставляя потребителям самим делать выбор своей среды [7].

1.2 Основные устройства, входящие в профиль Smart Energy

Рассмотрим основные устройства стандарта Smart Energy, встречающиеся повсеместно в жизни.

1. Smart Energy предоставляет безопасные розетки. Они устанавливаются в стандартные разъёмы и имею на своём корпусе дисплей через который возможно отслеживать потребляемую энергию. Данные розетки защищают приборы от перепадов напряжения, самостоятельно применяют меры безопасности при внешний воздействиях. Такие устройства могут сообщить о наличии или отсутствии уникальной идентификации каждой отдельной нагрузки вилки, если вилка имеет формат кодирования RightPlug или дополнения кодировку тегов.

2. Ещё одним устройством, обеспечивающим в какой-то мере комфорт для человека, является смарт-шлюз. Он представляет собой прибор, соединяющий интеллектуальные счетчики на один общий сервер через беспроводную связь. Это позволяет отслеживать и управлять состояниями приборов. Сбор и передача данных из сети ZigBee могут осуществляться для возможности доступа к этим данным IP-сети через сотовый, Wi-Fi или Ethernet.

3. Одним из наиболее распространённых разработок на базе Zigbee SmartEnergy является счётчик, измерительный прибор, отслеживающий потребление ресурсов или же, например состояния какого-либо устройства (измерение напряжения, тока, частоты).

4. Для более удобного считывания показаний ранее рассмотренных приборов используются устройство отображения - дисплей, на котором отображается информация с приборов расположенных на расстоянии.

5. Термостат, являющийся одним из подвидов счётчиков, к данному прибору привязано большое внимание, так как он может контролировать системы кондиционирования, отопления и охлаждения. Этот счётчик так сказать объединяет определённую часть измерений.

6. По беспроводному каналу в устройствах Zigbee SmartEnergy передаётся информация различных типов и соответственно передаётся она между разными устройствами. В данном случае речь идёт о фоторамках. Цифровые фоторамки позволяют пользователям принимать и отправлять фотографии между собой и имеют доступ в интернет.

Данные устройства представляют перечень основных устройств, однако стоит учитывать, что каждый вид таких устройств имеет сотни аналогов, различных по своему применению, внешнему виду, функциональной начинке, которые реализуют разные компании [7].

1.3 IPS дисплей

IPS является одной из основных технологий использующихся при изготовлении ЖК дисплеев. Технологии различаются геометрией поверхностей, полимера, управляющей пластины и фронтального электрода.

Название In-Plane Switching было получено из-за способа размещения кристаллов в IPS-панели. Дело в том, что, в отличие от своих предшественников, кристаллы здесь расположены в одной плоскости параллельно поверхности панели. Такой подход позволяет получить много большие углы обзора. Внедрение технологии IPS позволяет избавиться от основных «болезней» первых жидкокристаллических дисплеев - маленького угла обзора, который обусловлен разной степенью поворачиваемости молекул ЖК-вещества. А это, в свою очередь, приводит к разной интенсивности излучения пучков света, после того, как они проходят второй фильтр панели.

Раньше, при прохождении электрического тока, изменялась сама ориентация молекул жидких кристаллов, после чего, они не могли поворачиваться на угол поляризации. Но, IPS немного изменил сам принцип прохождения электрического напряжения через полупрозрачные электроды, которые находятся в одной плоскости по отношению к внутренней стороне жидкокристаллической ячейки.

Такие огромные изменения в отрасли данного производства, стали возможны благодаря инженерам компании Hitachi, которые в 1996 году официально представили IPS-технологию. Благодаря этому прорыву, новые дисплеи имели не очень большое время отклика при качестве цветопередачи, соизмеримым с мониторами, созданными на базе электронно-лучевой трубки.

В результате изменений и доработок чёрный цвет стал чёрным, а не тёмно-серым. При выходе из строя транзистора «битый» пиксель для панели IPS имеет более насыщенный чёрный цвет в выключенном состоянии. По состоянию на 2008 год, матрицы, изготовленные по технологии IPS, были единственные, всегда передающие полную глубину цвета RGB - 24 бита, по 8 бит на канал.

Но, как и всегда, за всё приходиться платить. Так, из-за увеличения угла обзора, применяется сразу два управляющих транзистора к каждому элементу. Это является необходимым в результате размещения электрического поля в плоскости по отношению к экрану. И, хотя, качество изображения это значительно улучшает, но использование такого большого количества транзисторов, автоматически, увеличивает непрозрачную площадь, занимающую ими же, в результате чего, приходится значительно увеличить мощность лампы подсветки.

Принцип работы IPS-матрицы следующий: молекулы жидких кристаллов и поляризующие светофильтры относительно друг друга расположены таким образом, что при отсутствии приложенного напряжения свет через них не проходит. Соответственно на дисплее отображается черная точка. При подачи напряжения молекулы жидких кристаллов поворачиваются, а соответствующая точка дисплея становится белой. Кристалл возвращает свою круговую поляризацию, а значит, увеличивает свою яркость.

В первые годы производства IPS-панелей, цены на них были неоправданно высокими, что никак не способствовало их распространению. На первых этапах производства IPS дисплеев время реакции равнялось 50 мс. Такое большое время отклика было заметным даже при простом скроллинге, не говоря уже про трёхмерные игры.

Такие недостатки повлекли за собой целый ряд усовершенствований, сделанных различными производителями ЖК-панелей. Среди них Super-IPS, Dual Domain IPS, Advanced Coplanar Electrode. Они позволили добиться ещё больших углов обзора, вплоть до поразительных 180 градусов.

Рис.1.1 Структура IPS-матрицы.

На сегодняшний день одно из основных применений IPS-матрицы нашли в планшетах, в частности по этой технологии выполнен дисплей iPad2.

1.4 Обзор IPS дисплеев

1. Computime, компания основанная в 1974 году, Computime является глобальной, производственной компанией, предоставляющей инновационные решения для клиентов в коммерческих, промышленных и потребительских рынках. Компания предоставляет технологии и продукты, которые экономят энергию и делают жизнь людей более продуктивной и комфортной.

Рис. 1.2 Деятельность компании Computime.

Приведём конкретные примеры устройств, являющихся подобными нашему проекту. CTW300 устройство, представляющее собой способ отображения информации на матричный 4,5 дюймовый дисплей, мощностью - 100 мВт. Оно предназначено для того, чтобы контролировать скорость и потребление энергии в жилых домах.

На дисплее отображается: дата, количество израсходованной энергии, а так же её стоимость, возможно задание дополнительных параметров, просмотр данных за прошедшие временные промежутки.

Рис. 1.3 Внешний вид CTW300.

2. Фирма Aztech специализируется в области сохранения и управления спросом, аксессуары для отрасли коммунальных услуг и удаленного мониторинга и управления, с использованием наземных и спутниковых беспроводных систем.

Aztech Associates, Inc была основана в 1993 году, Aztech получила международное признание после того, как они развили систему дистанционного слежения, что позволило клиентам в нефтяной и газовой промышленности точно контролировать местонахождение вагонов. Aztech затем внесли свою нотку в системы судоходства, в направлении контроля таких вещей, как температура рефрижераторных контейнеров, курс и скорость судов. Aztech начал специализироваться в разработке энергосберегающего оборудования для дома. Благодаря устройствам фирмы, человек самостоятельно может производить запуск энергопотребляющей техники в любой момент времени, тем самым экономя деньги и затраты электроэнергии.

Устройство В-Home Display обращается непосредственно к счетчикам, считывая с них информацию. Здесь используются световые индикаторы и графический дисплей, с помощью которого домовладельцы могут легко просмотреть использование электроэнергии и затрат на неё, что позволяет им экономить деньги и защитить окружающую среду.

Рис. 1.4 Внешний вид устройства In-Home Display.

- Полностью беспроводное подключение к смарт-электросчетчикам. Нет необходимости модернизации. ZigBee сертифицированный.

- Чтения может быть в кВт/ч или денежные единицы, или всё вместе.

- Общая потребляемая мощность за всё время использования. Значения потребления по отдельным периодам использования. Средняя потребляемая мощность.

- Показания 24 часа в сутки, а так же посуточная гистограмма.

- Часы автоматически обновляются, 12 или 24 часовой режим.

- Дополнительное отображение пользовательского профиля использования.

- Связь с ПК через USB. Обновление программного обеспечения через USB.

- Дополнительное интеллектуальное управление термостатом.

3. Компания Carrier является мировым лидером в области кондиционирования, отопления и охлаждения. Сто процентная дочерняя United Technologies Corporation, Carrier построена на наследие инноваций. Одной из главных задач фирмы является комфорт.

Carrier предлагает ComfortChoice ®, ведущий в отрасли двух полосный проверяемый термостат. ComfortChoice ® Touch Термостат предназначенный для смарт-приложения энергии. Термостат ComfortChoice помогает предприятиям и потребителям с принятием решения эффективного управления энергопотребления в периоды пикового спроса на энергоносители. Он имеет 4,3" цветной сенсорный экран, полный семи дневной программы и порт USB для закачки данных и обновление программного обеспечения.

Рис. 1.5 Внешний вид ComfortChoice.

4. Home Automation, Inc (HAI) с 1985 года является ведущим производителем продуктов управления для домовладельцев и компаний по всему миру. HAI построили очень гибкую линейку продуктов, чтобы удовлетворить потребности любого клиента. На рисунке 1.6 показана схема взаимодействия продукции фирмы.

Рис. 1.6 Схема взаимодействия устройств HAI.

In Display Home является примером работы данной компании. Очень низкая мощность резервного источника 25 Вт. Может использоваться на открытом воздухе.

Рис. 1.7 Внешний вид In Display Home.

In Display Home позволяет клиентам отслеживать потребление энергии и выводить данные в форме диаграммы или графика. Устройство может отображать так же сравнительный анализ с типичным использованием энергии.

In Display Home может быть портативным, его можно носить с собой или разместить на столе, или установить на стену. Они могут быть настроены для работы в качестве координатора ZigBee ® или маршрутизатора. Экологически чистые устройства внутреннего резервного аккумулятора позволяет домовладельцу получать уведомление после отключения электроэнергии.

IDH имеет большой графический дисплей, который может менять цвет в зависимости от значения или события. Он может принимать сообщения от коммунального предприятия в режиме реального времени о выставлении счета, цены на энергоносители, и многое другое. IDH может контролировать термостаты и корректировать их работу. ZigBee выдаёт максимальную мощность передачи 100 мВт[7].

1.5 Пакет программного обеспечения BitCloud

Atmel поддерживает свои беспроводные аппаратные микроконтроллеры, готовые к использованию IEEE 802.15.4 протоколом, совместимого программного стека. Кроме того, Atmel предлагает ZigBee пульт дистанционного управления программным обеспечением профиля и BitCloud пакет программного обеспечения, включающий полный набор: ZigBee Smart Energy, ZigBee Building Automation и ZigBee Home Automation. Atmel BitCloud Profile Suite представляет собой готовую к работе платформу для быстрой разработки ZigBee сертифицированной продукции. Профиль, основанный на IEEE 802.15.4 стека ZigBee PRO. В комплект входит полный набор функциональной поддержки надежных, масштабируемых, защищенных приложений и обширная документация API???. Программа поддерживает большое количество устройств и оптимизирована для сверхнизкого энергопотребления с 5 до 15 лет от батарей (зависит от приложения). Гибкий, легкий в использовании инструментарий для разработчиков.

Рассматриваемая разработка будет осуществлять свои действия, основываясь на протоколе BitCloud PS.

BitCloud PS представляет собой полнофункциональный, профессиональный класс, встроенное программное обеспечение для платформы разработки Atmel. Программное обеспечение представляет собой основу для создания ZigBee Smart Energy, работающем на микроконтроллерах Atmel и IEEE 802.15.04 - совместимых радио приемопередатчиков[2].

Основные свойства:

- полная совместимость со стандартами ZigBee и ZigBeePRO;

- набор С-функций (C API);

- поддержка АТ-команд;

- поддержка маршрутизации данных для надежной их доставки;

- возможность создания больших сетей (с числом узлов порядка нескольких сотен);

- оптимизация энергопотребления;

- расширенный набор функций обеспечения безопасности данных (поддержка шифрования)[10].

BitCloud PS производит поддержку выбора типа устройства, определенного в спецификации ZigBee профиля. За счёт этого предоставляется полный спектр программных настроек, а так же профиль приложения в сочетании со специальным сопроцессором ZigBee. [8].

Продукция Atmel загружается со встроенным Runner приложением, применяющимся в качестве сопроцессора Zigbee. Пользователь может запустить приложение Runner как есть, добавить новые команды, или изменить функциональность существующих.

Пользовательское приложение также имеет прямой доступ к аппаратным слоям. Эти программные модули используются в основном для контроля и управления внешними интерфейсами. В руководстве пользователя представлен обзор этих модулей.

ГЛАВА 2. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА. ОБЗОР ЭЛЕМЕНТОВ УСТРОЙСТВА

2.1 Технология разработки программного обеспечения системы