Устройство индикации
Изобретение относится к радиоэлектронике, а именно к устройствам индикации для отображения различных видов информации, и может использоваться в калькуляторах, электронных часах, электронных табло различных приборов и систем измерительной техники, охранных системах и других областях. Технический результат заключается в уменьшении мгновенного значения тока, потребляемого устройством индикации, повышении надежности светоиндикаторов и снижении расхода энергоресурса источников питания и достигается благодаря управляющему устройству, цифроаналоговому преобразователю, используемому для преобразования кодов, подаваемых с формозадающих портов управляющего устройства в аналоговые сигналы управления электронными ключами, электронным ключам с цифровым и аналоговым входами, используемым для включения отдельных элементов индикаторов в заданные моменты времени, динамического изменения величины коммутируемого ими тока и модуляции яркости свечения элементов индикаторов. 2 ил., 2 табл.
Изобретение относится к радиоэлектронике, более конкретно к устройствам индикации для отображения различных видов информации, и может использоваться в калькуляторах, электронных часах, электронных табло различных приборов и систем, измерительной технике, охранных системах и других областях.
Известна "Охранная система с цифровой индикацией" (Л1), содержащая устройство индикации, в котором выходы 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 знакосинтезирующего формирователя соединены со входами A, B, C, D, E, F, G цифрового семиэлементного светоиндикатора соответственно. Катод последнего соединен с общим проводом.
Основным недостатком устройства индикации в этой охранной системе является большой расход энергии на работу индикатора, что обусловлено непрерывным протеканием тока через все сегменты светоиндикатора в течение всего времени его работы. Кроме того, в этом устройстве цифровой индикации предусмотрено использование всего одного светоиндикатора, что существенно ограничивает область его применения, где требуется одновременно отображать информацию в виде нескольких цифр, букв и символов.
От указанных недостатков частично свободны "Часы на светодиодных индикаторах КЛЦ202А" (Л2), содержащие устройство индикации, в котором знакоформирующие выходы управляющего устройства соединены со всеми соответствующими входами цифровых семиэлементных светоиндикаторов, аноды которых соединены с выходами электронных ключей. Последние первыми и вторыми входами соединены с источником питания и выходом выборки управляющего устройства соответственно с возможностью динамической индикации отображаемых цифр.
Увеличение количества используемых светоиндикаторов в данном устройстве индикации достигнуто благодаря использованию динамической индикации (Л4), при которой информация на светоиндикаторы выводится периодически в разные моменты времени, синхронно с кодом отображаемой цифры.
Основными недостатками устройства индикации в этих часах является большой расход энергии на работу индикаторов, что обусловлено протеканием тока через множество элементов светоиндикаторов одновременно, а также снижением надежности светоиндикаторов и увеличением неравномерности свечения их элементов, что обусловлено импульсным их включением в режим индикации, при котором имеет место повышение неравномерности распределения тока в кристалле (Л 10). Кроме того, устройство индикации реализовано с использованием избыточного количества активных компонентов в виде микросхем стандартной логики, что увеличивает суммарный ток потребления и вызывает дополнительный расход энергоресурса источников питания.
От указанных недостатков частично свободен "Частотомер на микроконтроллере" (Л3), содержащий устройство индикации, в котором управляющее устройство знакоформирующими портами соединено через токоограничивающие резисторы с соответствующими элементами светоиндикаторов, а портами выборки соединено со входами дешифратора. Выходы последнего соединены с катодами светоиндикаторов с возможностью динамической индикации выводимой информации.
Применение интеллектуальных комплектующих компонентов, к которым относится, в частности, микроконтроллер, выполняющий в данном устройстве индикации функции управляющего устройства, позволяет сократить количество активных и пассивных компонентов за счет программной реализации функций элементов "жесткой логики" и тем самым уменьшить суммарное энергопотребление.
Известно (Л5), что современные микроконтроллеры могут иметь очень низкое энергопоребление, измеряемое долями миллиампер, что на несколько порядков меньше, чем суммарное энергопотребление типовых устройств индикации, использующих электролюминесцентные и светодиодные светоиндикаторы. Из этого следует, что основными энергопотребляющими элементами в устройстве индикации являются светоиндикаторы, причем известные из техники технические решения не позволяют осуществить существенное снижение энергопотребления светоиндикаторов. Кроме того, известно, что во многих сферах применения устройств индикации благодаря использованию интеллектуальных микросхем, компонентов с высокой степенью интеграции элементов на кристалле и внедрению SMD-технологии достигнуты сверхмалые реализации аппаратной части устройств. В этих условиях возможности дальнейшей миниатюризации изделий становятся зависимыми от габаритов блоков электропитания, требования к которым определяются, в первую очередь, энергопотреблением устройств индикации.
Таким образом, поиск технических решений, направленных на снижение энергопотребления устройств индикации, является актуальной задачей. Особенно это актуально при использовании устройств индикации в миниатюрных сетевых и автономных портативных устройствах, где высокий уровень суммарного энергопотребления ограничивает возможности миниатюризации устройств, так как требуется использовать громоздкие блоки питания, а также сокращает длительность автономной работы, так как вызывает ускоренный разряд батарей.
В устройстве цифровой индикации частотомера на микроконтроллере, наиболее близком к предлагаемому, вследствие одновременной подачи сигналов на все сегменты светоиндикаторов и включения их импульсами прямоугольной формы возникает большой ток потребления устройства индикации, что приводит к увеличению неравномерности свечения их элементов, снижению надежности светоиндикаторов и повышенному расходу энергоресурса источников питания.
Предлагаемым изобретением решается задача уменьшения мгновенного значения тока, потребляемого устройством индикации, повышения надежности светоиндикаторов и снижения расхода энергоресурса источников питания.
Для достижения указанного технического результата в устройстве индикации управляющее устройство знакоформирующими портами соединено через токоограничивающие резисторы с соответствующими элементами светоиндикаторов, портами выборки соединено со входами дешифратора, выходы которого соединены с первыми цифровыми входами электронных ключей, которые вторыми цифровыми входами, выходами и аналоговыми входами соединены с катодами светоиндикаторов, общим проводом и выходом аналого-цифрового преобразователя соответственно, входы которого соединены с формозадающими портами управляющего устройства, реализующего алгоритм, при котором отображение информации обеспечивается последовательным периодическим включением отдельных элементов светоиндикаторов с динамическим изменением яркости их свечения и возможностью компенсации процессов адаптации зрительного восприятия излучаемого светоиндикаторами света.
Отличительными признаками предлагаемого устройства индикации от наиболее близкого к нему известного устройства цифровой индикации частотомера на микроконтроллере (прототип) являются наличие управляющего устройства, функционирующего по новому алгоритму, при котором отображение информации обеспечивается последовательным периодическим включением отдельных элементов светоиндикаторов с динамическим изменением яркости их свечения и возможностью компенсации процессов адаптации зрительного восприятия излучаемого ими света, цифроаналогового преобразователя, используемого для преобразования кодов, подаваемых с формозадающих портов управляющего устройства в аналоговые сигналы управления электронными ключами, электронных ключей с цифровым и аналоговым входами, используемых для включения отдельных элементов индикаторов в заданные моменты времени, динамического изменения величины коммутируемого ими тока и модуляции яркости свечения элементов индикаторов.
Благодаря наличию этих признаков при работе устройства индикации происходит снижение максимального мгновенного значения потребляемого им тока, что уменьшает динамическую токовую нагрузку на источники электропитания, повышает их энергоресурс и надежность светоиндикаторов.
На фиг.1 приведен пример функциональной схемы предлагаемого устройства индикации для работы с четырьмя семиэлементными светоиндикаторами. При необходимости, количество светоиндикаторов и их тип, в том числе по количеству используемых элементов, могут меняться.
Устройство индикации содержит элементы, указанные на фиг.1, наименование и назначение которых приведены в табл. 1.
| Таблица 1 | ||||
| № п/п | Наименование элементов / назначение | Обозначение элементов | Тип / значение | Примечание |
| 1 | Микроконтроллер, управляющее устройство(УУ) | D1 | PIC16F87X | Л5 |
| 2 | Резисторы, токоограничивающие | R1...R7 | ISО9002 YAGEO, 1...2 кОм | При Uпит=5 В |
| 3 | Светодиодные семиэлементные индикаторы | D4...D7 | HPHDSP- U411, Malaysia | С общим катодом |
| 4 | Цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) | D2 | AD7524 | Л9 |
| 5 | Дешифратор (ДТП) | D3 | К555ИД10 | - |
| 6 | Электронные ключи с цифровым и налоговым управлением | К1...К3 | на транзисторах типа ВС847С и ВС857С | Л8 |
Устройство индикации работает следующим образом.
Сигналы с портов РВ0...РВ6 микроконтроллера D1 в виде двоичного кода для семиэлементного индикатора через токоограничивающий резисторы подаются на входы а, b, с, d, e, f, g индикаторов D4-D7. Все логические единицы кода представляют собой уровень напряжения, равный напряжению питания всей схемы. В качестве примера в табл. 2 представлено типовое соответствие кода семиэлементного индикатора и выводимой на него цифровой и буквенной информации.
| Таблица 2 | |||||||
| Вид выводимой информации | Код, подаваемый на сегменты семиэлементного индикатора | ||||||
| а | b | с | d | e | f | g | |
| 1. Цифры | |||||||
| 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 2 | 1 | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 |
| 3 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 |
| 4 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 |
| 5 | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | 1 |
| 6 | 1 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| 7 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 |
| 8 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| 9 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 |
| 2. Буквы | |||||||
| а | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | 1 | 1 |
| b | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| С | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 0 |
| d | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 |
| Е | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| F | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 |
Включение отдельных светоиндикаторов осуществляется с помощью составных ключей К1-К4, управление которыми осуществляется сигналами "выбора индикатора", формируемыми дешифратором D3 и сигналами "поджигания сегментов", которые формируются цифроаналоговым преобразователем D2 из кода, подаваемого с портов РС0-РС7 микроконтроллера D1. Сигналы "выбора индикатора" в виде логической единицы, соответствующей уровню напряжения питания, поочередно подаются на цифровые входы ключей К1-К4. В течение действия сигналов "выбора индикатора" на аналоговые входы ключей последовательно с цифроаналогового преобразователя подаются сигналы "поджигания сегментов". Их количество зависит от типа информации, выводимой на светоиндикаторы. Например, при использовании данных, указанных в табл. 1 для отображения цифры "1" и "8" требуется включить свечение двух сегментов "b, с" и семи сегментов "а, b, с, d, e, f, g" соответственно.
Совпадение во времени сигналов с портов РВ0...РВ6 микроконтроллера D1 в виде двоичного кода для семиэлементного индикатора, сигналов "выбора индикатора", формируемых дешифратором D3, и сигналов "поджигания сегментов", формируемых цифроаналоговым преобразователем D2, приводит к тому, что создаются условия для прохождения тока через сегменты светоиндикаторов по цепи: питающий выход порта микроконтроллера, токоограничивающий резистор, сегмент светоиндикатора, катод светоиндикатора, открытый ключ и общий провод. Сигналы "поджигания сегментов" имеют треугольную форму с наклоном переднего фронта и крутым спадом заднего фронта. Воздействие такого сигнала на аналоговые входы ключей К1-К4 приводит к тому, что они открываются не мгновенно, а постепенно.
В результате этого в каждый момент времени включается свечение только одного сегмента светоиндикатора и яркость его плавно изменяется от нуля до максимального значения, что обусловлено формой сигналов "поджигания сегментов".
Все процессы периодически повторяются во времени с такой частотой, что в силу инерции зрения весь периодический процесс воспринимается как непрерывный и на индикаторе нормально отображается выводимая информация (Л6).
Рассмотрим пример отображения на табло индикаторов информации в виде "1234". Очевидно, что при этом на индикаторах D4, D5, D6, D7 должны отображаться цифры 1, 2, 3, 4 соответственно. Этот процесс иллюстрируется на фиг.2.
Как видно из фиг.2, на выходах дешифратора формируются сигналы ДШ1-ДШ4 в виде уровней, равных напряжению питания, сдвинутые по оси времени, что обеспечивает поочередную "выборку индикаторов" D4-D7 посредством ключей К1-К4. В течение действия сигналов "выборки индикаторов" с выходов портов РВ0-РВ6 микроконтроллером D1 последовательно устанавливается уровень логической единицы на соответствующих элементах a, b, c, d, e, f, g - осуществляется "выборка сегментов". В соответствии с данными табл.2 для вывода цифр "1, 2, 3, 4" на индикаторы D1, D2, D3, D4 соответственно микроконтроллер формирует уровни логической единицы на сегментах "b, c", "a, b, c, g, e, d", "a, b, g, d", "f, g, c" во время действия сигналов "выборки индикаторов" D1, D2, D3, D4 соответственно. Синхронно с сигналами "выборки сегментов" с выхода цифроаналогового преобразователя на аналоговые входы ключей К1-К4 подаются "поджигающие импульсы" треугольной формы, нарастающие фронты которых вызывают плавное включение режимов светоизлучения соответствующих сегментов индикаторов.
Оценка эффективности предлагаемого устройства индикации.
В известных типовых технических решениях в устройствах индикации для отображения информации одновременно поджигается большое количество сегментов на светоиндикаторе, точное значение которых зависит от типа отображаемого знака (символа, буквы или цифры), а также количества сегментов, используемых для вывода информации. Например, при использовании наиболее популярных семиэлементных индикаторов для отображения цифры "1" одновременно поджигаются два сегмента "b" и "с", а для отображения цифры "8" поджигаются семь сегментов: "а", "b", "с", "d", "e", "f", "g".
Таким образом, при отображении на индикаторе цифр количество одновременно поджигаемых сегментов варьируется от 2-х до 7-и. Ток потребления светоиндикатора при этом будет определяться следующим выражением:
где Iп - суммарный ток потребления светоиндикатора,
Iэ - ток поджигания одного сегмента.
В предлагаемом устройстве индикации за счет динамической индикации с периодическим последовательным поджиганием сегментов достигается отображение выводимой информации, при котором в каждый момент времени включен только один элемент светоиндикатора независимо от типа отображаемого знака (символа, буквы или цифры). Это приводит к тому, что суммарный ток потребления светоиндикатора Iп снижается до потенциально достижимого минимального значения Iэ.
Известно (Л6), что восприятие мелькающего света имеет специфические особенности, заключающиеся в том, что серия световых импульсов воспринимается как непрерывный сигнал, если интервалы между импульсами соизмеримы со временем инерции зрения.
За счет того, что период повторения вывода информации на отдельные сегменты светоиндикаторов устанавливается меньше периода инерции зрения, то периодический процесс зрительно воспринимается как непрерывный, то есть периодическое мигание сегментов светоиндикаторов, вызываемое их последовательным периодическим поджиганием, становится незаметным для глаз.
Известно (Л6, стр.60, фиг.16, график динамики изменения ощущения яркости во время действия раздражителя), что субъективное ощущение яркости в течение времени изменяется неравномерно - сначала быстро растет, а затем быстро понижается вследствие развития адаптационных явлений. Для компенсации процесса адаптации можно применить динамическую модуляцию яркости свечения сегментов индикаторов поджигающими сигналами специальной, например треугольной, формы. В устройствах индикации поджигающие импульсы имеют прямоугольную форму, что обусловлено использованием методов цифрового управления. Ток, проходящий через один сегмент светоиндикатора в течение действия такого импульса, не изменяется по величине, и расход энергоресурса определяется как
где Q - расход энергоресурса,
Iэ - ток, проходящий через один сегмент,
Т - время импульса.
При использовании поджигающих импульсов с формой, отличной от прямоугольной, расход энергоресурса определяется как
где Q - расход энергоресурса,
Кф - коэффициент, учитывающий форму поджигающих импульсов,
Iэ - ток, проходящий через один сегмент,
Т - время импульса.
Для прямоугольных импульсов Кф=1, а для треугольных импульсов К=1/2.
За счет использования изменения яркости свечения сегментов индикаторов во времени, например, включение их сигналами треугольной формы позволяет компенсировать процессы адаптации зрительного восприятия света и тем самым может быть достигнуто снижение мгновенного тока через сегменты и соответствующее снижение расхода энергоресурса потребляемого устройства индикации в целом.
Выигрыш расхода энергоресурса, который может быть получен при использовании предлагаемого устройства индикации, составляет
где N - выигрыш расхода энергоресурса,
Qп - расход энергоресурса прототипа,
Qи - расход энергоресурса предлагаемого устройства индикации.
С использованием выражений (1) и (3) для каждого периода свечения сегмента семиэлементного индикатора с использованием поджигающих импульсов треугольной формы можно получить
Как видно из расчетов, при использовании предлагаемого устройства индикации снижение расхода энергоресурса в зависимости от вида отображаемой информации по сравнению с прототипом может снижаться более чем на один порядок.
Известно (Л7), что снижение тока нагрузки позволяет увеличить реализуемую емкость питающих батарей, поэтому реально достигаемый выигрыш при использовании предлагаемого устройства индикации будет больше чем расчетные данные с использованием выражения (5) на 10-30%.
Таким образом, предлагаемое устройство индикации обеспечивает высокую экономичность энергопотребления, поэтому его применение позволяет в портативных устройствах увеличить длительность их автономной работы, а в сетевых устройствах снизить мощность блоков питания.
Источники информации
1. Охранная система с цифровой индикацией, О.Солдатов, журнал "Радио" №10, 1998 г., стр.60.
2. Часы на светодиодных индикаторах КЛЦ202А, Д.Никишин, журнал "Радио" №8, 1998 г., стр.46.
3. Частотомер на микроконтроллере, Д.Богомолов, журнал "Радио" №10, 2000 г., стр.5.
4. Проектирование дискретных устройств на интегральных микросхемах, Пухальский Т.Я., Москва, Радио и связь, 1990 г., Применение микросхем серии К 176. Журналы "Радио", 1984 г., №№4-6.
5. PIC16F87X Data Sheet, 1999, Microchip Technology Inc., www.microchip.com.
6. Справочник по инженерной психологии, ред. чл.-кор. АН СССР Б.Ф.Ломов, издательства "Машиностроение", Москва 1982 г.
7. Герметичные химические источники тока, А.А.Таганова, Ю.И.Бубнов, Санкт-Петербург, 2002 г.
8. Электронные компоненты для поверхностного монтажа. Каталог ТОО СМП.
9. Short Form 2001 Designers' Guide, ANALOG DEVICES, www.analog.com.
10. Maly Rudolf, Saackel Lutz, Bloss Wener. "Nachr.-Techn. Zeitschr", 1973, Bd.26, №3, s.123.
Устройство индикации, содержащее знакосинтезирующее и управляющее устройство, выполненное в виде микроконтроллера, которое знакоформирующими портами (РВ0, РВ1, РВ2, РВ3, РВ4, РВ5, РВ6) через токоограничивающие резисторы соединено с сегментами (А, В, С, D, Е, F, G) всех цифровых семиэлементных светоиндикаторов, портами выборки (РА0, РА1, РА2) соединено со входами дешифратора, отличающееся тем, что выходы дешифратора соединены с цифровыми входами электронных ключей, которые обеспечивают протекание тока от катодов светоиндикаторов к общему проводу, управляющие и аналоговые входы ключей соединены с катодами светоиндикаторов и выходом цифроаналогового преобразователя соответственно, входы которого соединены с формозадающими портами (РС0-РС7) знакосинтезирующего и управляющего устройства, реализующего алгоритм, при котором отображение информации обеспечивается последовательным периодическим включением отдельных сегментов светоиндикаторов с динамическим изменением яркости их свечения и возможностью компенсации процессов адаптации зрительного восприятия излучаемого ими света.
