Тема 3 Пристрої відображення інформації

 

3.1. Класифікація та характеристики пристроїв відображення

3.2. Засоби відображення інформації

3.3. Стандартизація пристроїв відображення на ЕПТ

 

 

3.1. Класифікація та характеристики пристроїв відображення

 

Пристрої відображення інформації (ПВІ) широко використовуються для виведення алфавітно-цифрової та графічної інформації, відображення довідкових даних по об‘єктах контролю та управління технологічними процесами. Пристрої відображення інформації дозволяють надавати людині інформацію у найсприятливішому вигляді типу текстів, таблиць, рисунків, діаграм. Висока швидкодія більшості пристроїв відображення дозволяє використовувати їх у реальному масштабі часу.

Пристрої відображення можна класифікувати:

а) за методом використання;

б) за часом поновлення інформації;

в) за використанням символів;

г) за технічною реалізацією.

Так, за методом використання ПВІ поділяються на групові та індивідуальні. Групові ПВІ є пристроями колективного використання, вони мають великий розмір екрана, розвинуте математичне забезпечення функціональних можливостей. Такі пристрої встановлюють в диспетчерських пунктах або залах керування польотами і дозволяють взаємодіяти з інформацією значній кількості операторів. Пристрої індивідуального використання відрізняються малими габаритами, вони призначені для взаємодії з одним або двома операторами.

В залежності від характеру задач можливі два режими поновлення інформації. Перший режим дозволяє відслідковувати відображення безперервно в режимі реального часу, а другий дозволяє дискретне відображення через певні проміжки часу. Робота ПВІ в реальному масштабі часу має на увазі наявність такого спостереження оператором візуальної інформації, коли забезпечується її повне сприйняття. В другому випадку інформація надається оператору з затримкою. Припустимість затримки визначається швидкістю протікання процесів в інформаційній системі.

За використанням символів поділ проводиться на алфавітно-цифрові, графічні та мнемонічні. За конкретною технічною реалізацією поділ ПВІ ведеться на пристрої на основі: електронно-променевих трубок безпосереднього відображення; електронно-променевих трубок з проектуванням на екран; газорозрядних, електролюмінісцентних, квантових та інших пристроїв індикації.

До основних характеристик пристроїв відображення інформації відносяться:

•                            Швидкодія;

•                            Об‘єм інформації, що відображається;

•                            Спосіб відображення інформації;

•                            Параметри зображення;

•                            Метод зв‘язку з ЕОМ.

Швидкодія ПВІ характеризується швидкістю поновлення інформації на екрані ПВ, періодичністю зміни цієї інформації, часом накопичення даних для відображення кадру та максимальною частотою надходження запитів на відображення.

Об‘єм інформації, що відображається, оцінюється загальним об‘ємом даних, що одночасно відображаються, числом окремих пристроїв відображення та кількістю операторів, які одночасно працюють з ПВІ.

Спосіб відображення інформації характеризується методом кодування інформації, символікою, що використовується, та форматами даних.

До параметрів зображення відносять яскравість, контрастність, роздільну здатність.

Метод зв’язку з ЕОМ визначається інтерфейсом.

 

 

3.2. Засоби відображення інформації

 

До засобів відображення інформації відносять електронно-променеві трубки, електролюмінісцентні панелі, газорозрядні індикатори та панелі, рідкокристалічні, сегнетокерамічні та електрохромні індикатори, проекційні пристрої.

Електронно -променева трубка являє собою електронний прилад, в якому електронний промінь, що випромінюється катодом, фокусується в поперечному перерізі до розмірів крапки на екрані, покритому люмінесцентним матеріалом. Найбільш просто побудовані ЕПТ з електростатичним відхиленням (рис.6).

 

 

 

 

 

Рис.6. Структура елетронно-променевої трубки

 

Вони складаються з скляної (або металевої) колби, що розширюється від вузької горловини до екрана. В колбу вставляється електронна гармата, яка розташована в горловині колби і складається з катода, керувального електрода, прискорювальних та фокусувальних електродів, відхиляючих пластин та інших елементів.

Електронна гармата випромінює з поверхні катода, вкритого окисною плівкою, потік електронів. Цей потік ініціюється шляхом нагрівання поверхні катода за допомогою спеціального підігрівача. Інтенсивність потоку електронів регулюється потенціалом керувального електрода, який, як правило, є від’ємним по відношенню до потенціалів на прискорювальних електродах ПЕр1, П_РЕ2. Цей же електрод визначає коефіцієнт підсилення вхідного сигналу в проміжку керувального електрода – першого прискорювального електрода:

 

M= - V_np/U_ynp

 

Керувальний електрод є по суті модулятором електронного потоку, що випромінюється катодом. Ця модуляція здійснюється сигналом, який необхідно відобразити на екрані ЕПТ.

Прискорювальний електрод надає електронному потокові швидкості, достатньої для ефективного бомбардування люмінесцентного матеріалу з його засвічуванням в зоні бомбардування. Для того щоб електронний потік дозволяв формувати на екрані ЕПТ чіткі зображення, потрібно забезпечити його фокусування перед падінням на екран. Таку функцію забезпечує електростатична лінза, що складається з першого прискорювального електрода та фокусувального електрода ФЕ, відстань між якими А1 та потенціали впливають на розмір світлового елемента (крапки) на екрані ЕПТ.

Після фокусування необхідно забезпечити відхилення світлового елемента по екрану як в горизонтальному, так і в вертикальному напрямках. Таке відхилення в сукупності з відповідною модуляцією кожного з елементів дає можливість отримати на екрані ЕПТ відображення інформації, яка надходить на керувальний електрод. Забезпечує відхилення спеціальна відхиляюча система з 4-х попарно ортогональних пластин.

Для ЕПТ статичного типу потенціал катода дорівнює нулю, керувального електрода – від мінус 100В до плюс 2В, першого прискорювача на рівні 400 – 500В, фокусуючого електрода від 0 до 400В – 500В, на другому прискорювачі – до 15кВ.

Окрім електростатичного відхилення електронних променів застосовується також магнітне, яке має дещо гірші характеристики порівняно з електростатичними, проте використовується частіше.

Газорозрядні прилади з‘явились в 40 – 50 роках нашого сторіччя у вигляді неонових сигнальних індикаторних ламп змінного струму. Однак з появою газорозрядного індикатора постійного струму, ці прилади досягли бурхливого розвитку у вигляді матричних панелей. Принцип роботи газорозрядного індикатора ґрунтується на тому, що при переході електрона з верхнього енергетичного рівня атома на більш низький, або втраті електрона атомом, газ випромінює світло. При втраті одного електрона більшістю атомів газу говорять про те, що газ іонізований (атоми перетворились на іони). Станом іонізації управляють за допомогою енергії зовнішнього електричного поля, що достатня для виведення електрона з поля атома. Ця енергія забезпечується подачею напруги на певні електроди між якими знаходиться газ. Існує багато схем газорозрядних приладів. Найбільш типова з них складається з двох скляних пластин, одна з яких прозора (рис.7). Простір між пластинами заповнюється газовою сумішшю, а на поверхні пластин напиляються провідники. При подачі на провідники напруги газ починає іонізуватися і при певному значенні напруги виникає світловий розряд. Колір світлового розряду визначається газом заповнення.

 

 

 

 

 

 

 

Рис.7. Конструкція газорозрядної комірки

 

Електролюмінесцентні панелі. Першим прикладом використання явища люмінесценції стали матричні електролюмінесцентні поперечні панелі. Конструкція такої панелі (рис.8) складається з двох електродів, типу катода та анода, між якими нанесено люмінесцентний шар з порошку сульфату цинку (ZnS) та марганцю (Mn). На поверхню люмінесцентного шару наноситься порошкова мідь, яка виступає активатором формування люмінофорних комірок.

 

Cu

 

 

Катод Анод

Mn Zn S

 

Рис.8. Конструкція електролюмінесцентної комірки

 

При прикладанні до електродів постійної напруги на поверхні кожної люмінофорної гранули формується напівпровідниковий перехід, який починає випромінювати світло. Яскравість цього світла залежить від величини напруги та яскравості люмінофора. Деяке збільшення характеристик яскравості досягається в конструкції коли порошок замінюється на люмінофорну плівку, яка нанесена на скляну підкладку. Плівка також виготовляється з сульфату цинку (ZnS), марганцю (Mn) та міді (Cu). Характерна напруга, що прикладається до пари електродів знаходиться на рівні 50В.

Рідкокристалічні індикатори. Рідкокристалічні індикатори відрізняються від люмінесцентних та газорозрядних індикаторів тим, що не випромінюють світла та не вимагають додаткового зовнішнього підсвічування. Вони працюють на принципі модулятора шляхом пропускання та відбивання світла. Регулювання потоку світла досягається тим, що рідкокристалічна комірка розміщується на шляху світлового потоку, а її коефіцієнт оптичного пропускання змінюється за рахунок подачі електричного поля. Рідкокристалічний кристал зовнішньо нагадує звичайну рідину, але подібно електролюмінесцентному кристалу має впорядковану структуру у вигляді витягнутих молекул.

Конструктивно рідкокристалічний індикатор (рис.9) являє собою скляний резервуар, обидві стінки якого мають провідникове покриття. Всередині цього резервуару знаходиться кристалічна рідина.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 9. Рідкокристалічний індикатор

 

В певних умовах, молекули рідини розміщують перпендикулярно скляним пластинам. Якщо на провідникові покриття подати достатню напругу, характер розміщення молекул зміниться і зміниться коефіцієнт світловідбиття. Хоча рідкокристалічні комірки можуть збуджуватись постійним струмом в більшості випадків використовується збудження змінним струмом. Постійний струм швидше зруйновує комірки. На практиці частота перемикання складає 30Гц, хоча при певних умовах можлива робота і на частоті 1кГц.

 

 

 

3.3. Стандартизація пристроїв відображення на ЕПТ

 

Стандартизація пристроїв відображення на ЕПТ встановлює принципи взаємодії між складовими частинами ЕОМ та відеопідсистемою в склад якої входять монітор та відеоадаптер. За типом інтерфейсу відеомонітора з відеоадаптером пристрої відображення поділяються на композитні, цифрові та аналогові RGB, за типом відеоадаптера на MDA, CGA, EGA, VGA, SVGA.

Композитні пристрої відображення (дисплеї) мають один аналоговий вхід на який надходить відеосигнал в відеостандартах NTSC (американський стандарт) або PAL – SECAM (Європа, СНГ). Композитні дисплеї застосовувались найчастіше з відеоадаптерами типу MDA та CGA. Вони мають однокольорове зображення (чорне, біле).

Цифрові пристрої відображення мають до шести вхідних ліній за їх допомогою відображаються до 2*n (12) кольорів (де n – кількість вхідних ліній), цей тип дисплеїв застосовували найчастіше відеоадаптери типу CGA та EGA.

Аналогові пристрої відображення мають три аналогових лінії, кожна з яких управляє своїм кольором (червоним – R, синім – B, зеленим - G) електронного променя кольорової ЕПТ. Спектр кольорів на екрані ЕПТ утворюється шляхом зміни интенсивності базових кольорів та їх змішування. Аналоговий RGB дисплей, як правило, використовується з VGA та SVGA відеоадаптерами.

Відеоадаптер типу MDA (monohrome displey adapter) був розроблений для роботи з однокольоровими електронно-променевими трубками. Він мав роздільну здатність 80х25 елементів зображення (знакомісць), причому кожне знакомісце забезпечується матрицею 7х9 елементів зображення (крапок зображення, пікселів).

Відеоадаптер типу CGA забезпечував роботу з кольоровими ЕПТ. Кількість кольорів дорівнювала 4. Адаптер CGA дозволяв обробляти кольорову графічну інформацію з роздільною здатністю 320х200 (при матриці 8х8) елементів зображення. Окрім графічної CGA монітори можуть відтворювати символьну інформацію для чого мають до 16 кбайт пам‘яті відеокартки. Вищевказані відеоадаптери практично не використовуються в сучасних комп‘ютерах, їх замінили відеоадаптери реалізовані по стандартах EGA, VGA та SVGA.

Відеоадаптер EGA був поширений на комп‘ютерах типу АТ, ХТ та 286. він забезпечує відображення графічно-символьної інформації з 16 кольорами з роздільною здатністю до 640х350 знакомісць з матрицею символів 8х16.

Відеоадаптер VGA довгий час був загальноприйнятим для 386 комп‘ютерів. Цей відеоадаптер забезпечує підтримку до 256 кольорів, однак може підтримувати і монохромний (однокольоровий) режим. В

режимі підтримки 256 кольорів роздільна здатність забезпечується на рівні 320´200 елементів, в той же час режим підтримки 16 кольорів забезпечує роздільну здатність до 640´480 елементів.

Відеоадаптер SVGA дозволяє забезпечувати надвисоку роздільну здатність від 640´480 до 1024´1024 елементів зображення (символи) і більше при 256 кольорових відтінках. В основному SVGA адаптер поставляється починаючи з 486 машин.

Кожний відеоадаптер має відповідну програму керування, яка називається драйвером (EGA, VGA, SVGA). Монітори можуть працювати в різних стандартах шляхом використання відповідних драйверів та об‘ємів оперативної пам‘яті (відеокартка).

Розвиток пристроїв відображення відбувався паралельно розвитку ПК. До появи ІВМ РС більшість дисплеїв були алфавітно-цифровими. Це означало, що інформація, яка записувалась процессором у відеопам‘ять складалась не з пікселів (крапок), а з символів і перетворення цих символів у пікселі здійснювалось самим пристроєм відображення (дисплеєм, відеомонітором). Перші ПК типу ІВМ РС поставлялись з алфавітно-цифровими дисплеями та відеоадаптером MDA. Роздільна здатність була 80´25 символів з матрицею пикселів 7´9. В подальшому вони були заміщені дисплеями з відеоадаптерами типу CGA та EGA, що забезпечили більш високу роздільну здатність та кольорове зображення.

 

3.4. Алфавітно-цифрові дисплеї

 

За ступенем складності і повнотою виконуваних функцій алфавітно-цифрові дисплеї можна підрозділити на дисплеї прості з апаратною реалізацією основних функцій і "інтелектуальні", у яких функції обробки інформації виконуються програмно- керованим дисплейним процесором.

На рис.10 наведена структурна схема алфавітно-цифрового дисплея (АЦД) з апаратною реалізацією функцій.

ЕПТ

Рис.10. Структурна схема АЦД

В цій схемі використано такі абревіатури :

БК – блок керування,

ВПС – відеопідсилювач сигналів,

ЕПТ – електронно-променева трубка,

БЗП – буферний запам’ятовувальний пристрій,

БРВ – блок розгортки та відхилення електронного променя,

БВВ – блок введення/виведення даних,

ІВВ – інтерфейс зв'язку з ЕОМ,

АЦК – алфавітно-цифрова клавіатура,

ЗГ – знакогенератор.

Двосторонній зв'язок з ЕОМ здійснюється за допомогою інтерфейсу введення - виведення (ІВВ). Блок введення - виведення (БВВ) керує напрямком переміщення інформації відповідно до режимів роботи дисплея: автономного, автоматичного, режиму передачі даних. За вибір цих режимів відповідають певні клавіші АЦК.

В автономному режимі роботи АЦД на вхід БЗП підєднується алфавітно-цифрова клавіатура, що дозволяє вводити текст, при цьому зв'язок з ЕОМ через інтерфейс ведення - виведення розривається.

В цьому режимі роботи забезпечується можливість редагування тексту. Функції редагування полягають у стиранні чи записуванні символу або рядка, чи заміні (вставці) символа або рядка, переміщенні сторінки чи стиранні сторінки.

В автоматичному режимі роботи встановлюється двосторонній зв'язок з ЕОМ, що забезпечує введення інформації в БЗП. Взаємодія оператора з АЦД забезпечується за допомогою клавіатури ЕОМ.

Режим передачі даних забезпечує передачу відредагованої на екрані АЦД інформації з пам'яті дисплея в ЕОМ.

Формування тексту на екрані ЕПТ забезпечують БЗП, ЗГ, блок розгортання та відхилення (БРВ) і відеопідсилювач (ВПс) при безпосередній участі блоку керування (БК). Місце розташування символа на екрані ЕПТ жорстко зв'язано з визначеною коміркою БЗП, у якій зберігається код символу.

При відображенні текстів інформація, яка надходить в пристрій відображення (ПВ), має вигляд стандартних кодів. Якщо відображається графічна інформація, то вхідні дані визначають координати окремих крапок чи елементів зображення. В текстових ПВ ємність буферного ЗП повинна бути достатньою для запам'ятовування всіх кодів символів, які відображуються на екрані ЕПТ. Оскільки відображення тексту розбивається на ряд текстових рядків з обмеженою кількістю знаків в них, то максимальний об'єм інформації яка відображується на екрані можна визначити як

N_екр =N_стр *N_зн* n

де N_екр - об'єм буферного ЗП для зберігання всіх символів екрана

N_стр - кількість рядків, що відображається на екрані

N_зн - максимальна кількість знаків в рядку

n - кількість біт інформації, що кодує один знак (символ).

Для перетворення кодових слів, знаків (символів) в їх зображення на екрані ЕПТ використовується знакогенератор. Його вихідний сигнал може безпосередньо подаватися на керувальний електрод ЕПТ (модулятор яскравості) або через цифро-аналоговий перетворювач для керування роботою системи відхилення електронного променя. Для забезпечення відхилення променя по всьому екрану ЕПТ як в горизонтальному, так і в вертикальному напрямках, на систему відхилення додатково подаються спеціальні сигнали розгортки від блоку відхилення променів (БРВ). Цей блок керується та синхронізується сигналами пристрою управління (БК).

В деяких випадках, наприклад, коли ПВ використовуються як термінал, у його склад вводиться клавішний пристрій у складі алфавітно-цифрової та функціональної клавіатури. Задача такого пристрою полягає в забезпеченні зв'язку користувача з ЕОМ, оперативного коригування інформації.

Найбільш просто формування кадра зображення на екрані ЕПТ забезпечується при однозначному взаємозвязку між номером комірки БЗП, де зберігається код символу та знакомісцем на екрані, де буде відображатись цей символ (рис.11). Так, наприклад, символ, код якого зберігається в першій комірці БЗП повинен відображатись на першому знакомісці (перший знак в першому рядку), а символ, код якого знаходиться в другій комірці - на другому знакомісці і т.д. При такій організації процесу відображення пристрій керування (БК) організує послідовну вибірку кодів з памяті та синхронне з нею зміщення променя по екрану, по горизонталі (формування рядка) та по вертикалі (формування кадру).

Рис.11. Кадр зображення на екрані ЕПІ

 

Коли необхідно відредагувати (стерти) знак, який відображається на першому знакомісці (1-1), то це означає, що необхідно замінити в першій комірці БЗП код одного символу на код іншого символу або на код відсутності символа. Для виконання цієї операції необхідно сформувати адресу комірки, код якої змінюється. Для цього можна використати символ курсора, який встановлюється під відповідним знакомісцем. Координати курсора фіксуються двома лічильниками, перший визначає положення символу (знакомісця) на рядку, а другий визначає номер рядка. По суті ці два лічильники визначають адресу комірки БЗП. Це дає можливість при черговій регенерації (поновлення) відображення занести у відповідну комірку код нового символу (відсутність символу). Зсув інформації на екрані ЕПТ зводиться до зсуву кодів в БЗП.

Для функції редагування інколи використовують так зване "світлове перо", що являє собою спеціальну конструкцію з фотоприймачем (рис.12).

Рис.12. Структурна схема «світлового пера»

 

Де РА – регістр адреси, ФП – фотоприймач, ФСА – формувач сигналів адреси, ЛЧ – лічильник адреси, СК – схема керування, ІНТ – інтерфейс з ЕОМ.

При піднесенні світлового пера до обраного на екрані символу чи спеціально визначеної світлової області фотоприймач у черговому циклі регенерації зображення формує електричний сигнал, що фіксує адресу комірки БЗП, яка відповідає адресі символу на екрані. Далі виконуються ті ж процедури, що і при взаємодії з курсором. Такі функції редагування, як вставка символу, вставка рядка і т.д. фактично зводяться до переміщення тексту в БЗП і виконуються блоком керування разом із блоком радагування і блоком введення/виведення.

Застосування мікропроцесорів і периферійного устаткування привело до створення так званих "інтелектуальних дисплеїв", що крім досить широких функцій редагування можуть автономно, за допомогою дисплейного процессора, робити сортування інформації, її розміщення за даною формою, виконувати арифметико- логічні операції над відображуваними даними, програмування процедур обміну інформації, переданої з дисплея, і т.д.

На рис. 13 наведено спрощений варіант алфавітно-цифрового дисплея, у якому функції дисплейного процесора реалізуються мікропроцесором (МП). В основу структури покладений магістрально - модульний принцип організації. До системної магістралі, що явлає собою об'єднаний інтерфейс, підключені модульні пристрої. В ОЗП зберігаються коди символів відображуваної інформації і програми функціонування дисплея під керуванням МП, у тому числі обробки запитів від ЕОМ і клавіатури. У ПЗП МП записані програми стандартних процедур, до яких відносяться процедури формування коду, відображення символу, редагування тексту, керування маркером. Для відображення символу на екрані МП через системну магістраль (CM) вибирає його код з ОЗП і пересилає на адресний вхід ПЗП знакогенератора. Отриманий на виході ПЗП ЗГ код відображення (один рядок матриці) передається на вхід контролера пристрою керування екраном, що перетворює його у відповідний електричний сигнал.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.13. Схема алфавітно-цифрового дисплея з програмувальними функціями з мікропроцесорами.

 

Кожен режим редагування реалізується своєю програмою, збереженою в ПЗП МП. Для виклику тієї чи іншої програми МП опитує клавіатуру, звертається до відповідної підпрограми, що змінює зміст масиву даних в ОЗП.

Основний недолік розглянутої структури - обмеження інтервалу часу, що виділяється МП для виконання програм обробки інформації (час зворотного ходу електронного променя), тому що під час прямого ходу променя здійснюється перетворення кодів символів і формування коду відображення, тобто МП основний час зайнятий в циклі регенерації інформації. МП може бути звільнений від процесу регенерації, якщо до складу дисплея ввести спеціальний ЗП, який називають - бітовою картою, і увімкнути його між системною магістраллю(СМ) і контролером екрана (КЕ).

Структура ЗП бітова карта (ЗП БК) така, що кожному растровому елементу екрана (пікселу) повинен відповідати певний біт (елемент) памяті. У залежності від того, повинен цей елемент екрана світитися чи ні, у даний розряд памяті записується код, "1" чи "О". При цьому ємність ЗП БК повинна визначатися як

К = m * n

де n - кількість рядків екрана; m - кількість елементів в рядку.

Після заповнення ЗП БК МП звільняється від функцій перетворення кодів символів, а всім процесом регенерації зображення керує КЕ. Крім того, даний спосіб регенерації зображення дозволяє виводити не тільки алфавітно-цифрову, але й графічну інформацію.

Для формування кольорового зображення в код знаку додаються розряди кольоровості, що керують відеопідсилювачами кольору, на інші входи яких надходять сигнали, що визначають контури знаку.

Якщо до складу дисплея входять ЗП БК, то для керування кольором елемент памяті повинен мати кілька розрядів, тобто ЗП повинно складатися з декількох однорозрядних бітових карт, у кожній з них записується відображувана інформація для одного кольору; при цьому в найпростішому випадку кожен шар ЗП БК буде звязаний із своїм відеопідсилювачем кольору.