Soluzioni per la visualizzazione in ambito industriale

Introduzione

La maggior parte dei sistemi embedded presenti sul mercato, dai più comuni dispositivi dell’elettronica di consumo fino ad arrivare ai macchinari industriali, incorpora un qualche tipo di display. Oltre ad arricchire l’esperienza di utilizzo da parte dell’utente, l’interfaccia grafica e l’interattività offerte da un display ben progettato contribuiscono significativamente a migliorare l’estetica di un prodotto, rafforzando l’immagine del marchio e l’apprezzamento da parte dei clienti. La funzionalità tattile, disponibile su alcune classi di display, consente inoltre di ridurre i costi eliminando la necessità di interruttori, pulsanti o altri tipi di controlli esterni. L’affidabilità del prodotto può essere ulteriormente migliorata utilizzando i display con touch capacitivo, in grado di proteggere lo schermo da polvere, grasso e umidità derivanti da un utilizzo in condizioni proibitive come gli ambiti industriali.

I progettisti di sistemi embedded che intendono dotare la propria applicazione di un’interfaccia grafica, possono scegliere se progettare il sistema di visualizzazione da zero, oppure optare per una soluzione commerciale off-the-shelf. Nella maggior parte dei casi, i progettisti saranno in grado di trovare il display più adatto alle proprie esigenze tra una delle soluzioni, altamente specializzate, disponibili oggi sul mercato. Nei prossimi paragrafi verranno presentate le principali tipologie di display utilizzate nelle applicazioni embedded e illustrati alcuni criteri in base ai quali selezionare la soluzione più consona a una specifica applicazione.

Tipi di display

Una categoria di display ampiamente utilizzata sui sistemi embedded è rappresentata dai display a cristalli liquidi (LCD). Anche se le differenti tecnologie utilizzate per la fabbricazione dei display LCD sono numerose, in questa sede verranno esaminate quelle di maggiore interesse pratico, a partire dai display TFT.

La tecnologia TFT, acronimo di Thin Film Transistor, consente la realizzazione di display a cristalli liquidi planari di elevatissima qualità, associando ad ogni pixel un transistor dedicato in grado di comandarne l’accensione. Ciò consente di commutare a una frequenza molto elevata la corrente che determina l’illuminazione del display, ottenendo elevati livelli di luminosità, con immagini in movimento più fluide. Questa classe di display LCD viene anche detta a “matrice attiva“, per distinguerla dai display a “matrice passiva” che sono privi dei transistor. A questo proposito, è stato coniato anche l’acronimo TFTAMLCD (Thin Film Transistor Active Matrix Liquid Crystal Display), il quale denota dei display a schermo piatto di elevatissima qualità. In ambito embedded, i display TFT trovano applicazione sugli smartphone, dispositivi palmari e portatili, console per videogiochi, sistemi di navigazione e strumentazione automotive.

display LCD passivi, per contro, rappresentano una soluzione a basso costo adatta per applicazioni in cui non siano richiesti display con prestazioni particolarmente elevate. Questi display sono dotati di una matrice passiva composta da una griglia di collegamenti elettrici orizzontali e verticali; in corrispondenza di ogni intersezione è presente un elemento LCD che corrisponde a un singolo pixel. Rispetto ai display a matrice attiva, questi display sono privi di transistor e quindi offrono contrasto, risoluzione e tempi di risposta inferiori. In virtù del loro basso costo e delle ridotte dimensioni, i display passivi sono largamente utilizzati in dispositivi che includono: indossabili, elettromedicali, apparecchiature industriali e militari, console, mezzi di trasporto, strumentazione ed elettrodomestici.

A questa categoria appartengono i display TN (Twisted Nematic), considerabili come i display LCD monocromatici più economici disponibili sul mercato. Pur avendo un tempo di risposta molto rapido, il contrasto non è particolarmente elevato, consentendo normalmente la visualizzazione di simboli neri su sfondo grigio (colori differenti possono essere ottenuti tramite l’applicazione di filtri). Di qualità superiore sono i display STN (Super Twisted Nematic), display LCD monocromatici a matrice passiva. Le molecole del cristallo, attorcigliate tra loro con un angolo compreso tra 180 e 270 gradi, forniscono al display caratteristiche superiori. In particolare, la loro elevata soglia elettro-ottica consente di indirizzare un numero maggiore di righe e colonne. Rispetto ai display TFT, gli LCD STN assorbono meno corrente e richiedono un processo di fabbricazione meno costoso, a fronte dei quali corrispondono, tuttavia, una qualità dell’immagine inferiore e tempi di risposta maggiori. Un’altra caratteristica rilevante dei display STN è quella di poter essere fabbricati per essere puramente riflettenti, un requisito essenziale per garantire un’ottima visibilità anche sotto la luce solare diretta. Le opzioni di colore disponibili sono grigio, blu e giallo/verde, corrispondente alla versione più comune; altri colori possono essere ottenuti attraverso l’applicazione di particolari filtri. I display STN sono utilizzati nei dispositivi palmari o portatili a basso costo e come sorgente di informazione in alcuni dispositivi embedded digitali.

I display CSTN (Color Super Twist Nematic) sono invece una categoria di display LCD a matrice passiva che utilizza dei filtri rosso, verde e blu per visualizzare i colori. I più recenti progressi compiuti dalle tecnologie elettroniche hanno consentito la realizzazione di display CSTN con tempi di risposta inferiori a 100 ms (a fronte dei circa 8 ms offerti da un TFT), angolo di visione di 140° ed elevata qualità dei colori. Con una riduzione del costo pari a circa il 50%, i display CSTN possono essere considerati come una valida alternativa ai TFT in numerose applicazioni. I display LCD FSTN (Film compensated Super Twisted Nematic) differiscono dai precedenti per l’applicazione di una pellicola ritardante che consente la visualizzazione in bianco e nero (oppure in blu e bianco) con un contrasto particolarmente elevato e angoli di visione superiori a quelli offerti dalle tecnologie STN e TN, a cui corrisponde però un costo superiore. A titolo di esempio, si tenga presente che:

  • la maggior parte dei display LCD a caratteri (16×1, 16×2 e similari), molto comuni anche tra i maker e gli hobbisti, sono realizzati con tecnologia STN;
  • la maggior parte dei display a sette segmenti sono di tipo TN, anche se è comunque possibile ordinare la versione STN;
  • la maggior parte dei display grafici, noti anche come moduli LCD a matrice di punti, sono realizzati con tecnologia FSTN.

I display e-paper, progettati per simulare l’effetto prodotto dall’inchiostro nero su un foglio di carta bianco, vengono anche indicati con il termine EPD (acronimo di Electronic Paper Displays), display elettroforetici, o e-Ink. Questa tecnologia è ampiamente utilizzata, ad esempio, nella fabbricazione di e-reader ed etichette elettroniche da scaffale (un esempio è visibile in Figura 1), note anche come ESL (Electronic Shelf Label).

display ESL - visualizzazione industriale
Figura 1: esempi di display ESL

I display e-paper presentano un assorbimento di potenza bassissimo, in quanto l’immagine deve essere rinfrescata solo quando il contenuto visualizzato viene modificato. Si tratta quindi di display adatti per dispositivi alimentati a batteria che devono garantire un’elevata durata: se l’immagine riprodotta rimane statica, l’assorbimento di corrente è virtualmente nullo. L’elevato contrasto e la superficie antiriflesso rendono questa classe di display adatta anche agli ambienti con illuminazione solare diretta.

Un’altra tecnologia particolarmente innovativa è quella che sta alla base dei display MIP (Memory In Pixel), caratterizzati da un assorbimento particolarmente ridotto e adatti ad applicazioni in ambienti ad elevata luminosità. Rispetto ai display LCD tradizionali, i display MIP permettono di risparmiare fino all’80% dell’energia, in quanto non richiedono alcuna retroilluminazione. Inoltre, un ulteriore risparmio di energia è ottenibile quando sono visualizzate immagini statiche, grazie alle proprietà della tecnologia Memory in Pixel la quale utilizza dei circuiti di memoria a bit singolo integrati in ogni pixel della matrice. Ciò consente di realizzare dispositivi embedded con bassissimo assorbimento, prolungando la durata della batteria. I display MIP offrono inoltre risoluzione e resistenza alla temperatura e alle vibrazioni superiori rispetto ai display e-paper. In Figura 2 è visibile un esempio di display MIP per applicazioni elettromedicali.

display MIP - visualizzazione industriale
Figura 2: display MIP per elettromedicali

Una tecnologia di tendenza nel settore dei display è data dai diodi organici ad emissione di luce (OLED). I display OLED sono molto luminosi, offrono elevato contrasto, ampi angoli di visione e assorbono poca potenza. Strutturalmente, gli OLED sono composti da materiale organico in grado di emettere luce, inserito tra due elettrodi di cui almeno uno è trasparente. Applicando una corrente elettrica, si provoca l’emissione di luce da parte del composto organico elettroluminescente. Oltre che nell’elettronica di consumo, gli OLED sono ampiamente utilizzati per realizzare display nei sistemi portatili, telefoni cellulari, console di gioco e PDA. L’ OLED può essere controllato attraverso una matrice passiva (PMOLED) oppure attiva (AMOLED). Con la tecnica di controllo PMOLED, ciascuna riga del display viene indirizzata in modo sequenziale, una alla volta. Il sistema di controllo AMOLED utilizza invece un backplane di transistor a film sottile che consentono di accendere o spegnere singolarmente ciascun pixel, ottenendo così una risoluzione maggiore. I display OLED non necessitano di alcuna retroilluminazione e sono perciò in grado di visualizzare livelli di nero molto intensi, oltre a consentire una riduzione nello spessore del display.

Ref. https://www.data-modul.com/en

Redazione Fare Elettronica