1

12. DISPOZITIVE DE VIZUALIZARE ŞI ÎNREGISTRARE A SEMNALELOR ȘI INFORMAȚIILOR BIOMEDICALE

(Continuare)

Prof. Hariton Costin

12.5 Dispozitive de afişare a informaţiilor. Clasificări

Un dispozitiv de afişare a informaţiilor ideal ar trebui să răspundă cumulativ următoarelor cerinţe:

• durata de funcţionare îndelungată (> 100.000 ore de funcţionare);

• consum energetic cât mai redus;

• funcţionarea în limite cât mai largi de temperatură şi (nu în ultimul rând);

• să aibă un raport preţ / performanţe cât mai mic.

Din punct de vedere constructiv, actualmente există mai multe categorii de dispozitive de afişare a

informaţiilor:

• dispozitive de afişare cu LED-uri;

• cu tuburi catodice;

• cu cristale lichide;

• cu plasmă.

La momentul actual cel mai des utilizate sunt cele cu cristale lichide (LCD).

O altă clasificare a dispozitivelor de afişare din punct de vedere al tipurilor de informaţii afişate, este:

• Dispozitive numerice - permit afişarea unui set fix de caractere numerice, formate din cifre (0-9);

• Dispozitive alfanumerice - permit afişarea unui extensibil de caractere alfa-numerice (uzual caractere

ASCII). Fiecare caracter afişat de acest tip de dispozitiv este definit ca o matrice de pixeli. Setul de

caractere poate fi extins prin adăugarea de circuite de memorie suplimentară (pentru noile caractere),

sau prin definirea pixel cu pixel a fiecărui nou caracter;

• Dispozitivele grafice - permit pe lângă afişarea informațiilor alfa-numerice şi a imaginilor.

12.6 Dispozitive numerice – afişoare cu diode electroluminescente

Diodele electroluminescente (LED) sunt dispozitive semiconductoare cu joncţiune p-n, care emit

lumină în spectrul vizibil atunci când sunt polarizate direct.

Practic, caracterele numerice sunt aşezate într-un singur plan, realizările concrete fiind:

2

• fie cu 7 segmente plus punctul zecimal (Fig. 1a);

• fie sub forma unei matrice de puncte (Fig. 1b).

a) b)

Figura 1 – a) Celulă de afişare cu 7 segmente; b) Matrice de leduri

Celulele de afişare cu 7 segmente sunt, din punct de vedere tehnologic, realizate în două variante:

• cu leduri având anodul comun;

• leduri având catodul comun.

Comanda de activare a celulei respective este dată de un decodor la anodul sau catodul comun. În cazul

matricelor de leduri se realizează practic conectarea sub forma unei matrice, conectând împreună anozii

ledurilor de pe o coloană, respectiv catozii ledurilor de pe un rând.

Din dorinţa reducerii costului și complexității implementării, dispozitivele de afişare cu leduri

funcţionează în mod dinamic, cu multiplexare. Acest tip de afişaj se bazează pe inerţia optică a ochiului,

informaţia fiind afişată prin baleierea ciclică a tuturor elementelor dispozitivului de afişare numeric.

Informaţia care se afişează este stocată în memoria RAM a microsistemului, chiar în codul de 7 segmente,

pentru fiecare caracter afişat fiind necesari 8 biţi (7 biţi pentru segmente şi un bit pentru punctul zecimal).

Figura 2 – Conectarea a unui dispozitiv de afişare cu 7 segmente la un microsistem

3

Fig. 3a): notarea celor 7 segmente (+ punct zecimal) la un dispozitiv de afişare cu leduri.

Fig. 3b): convenţia adoptată pentru corespondenţa dintre formatul în 7 segmente şi codul sub care se

memorează informaţia corespunzătoare unei cifre zecimale.

a) b)

Figura 3 – a) Forma unui dispozitiv de afişare cu 7 segmente, b) Convenţia adoptată pentru corespondenţa

dintre formatul în 7 segmente şi codul sub care memorează informaţia corespunzătoare unei cifre zecimale

Conform convenţiei stabilite în Fig. 3 rezultă pentru codarea celor 9 cifre zecimale, fără punct zecimal,

următorul tabel:

CIFRA AFIŞATĂ INFORMAŢIA

MEMORATĂ CIFRA AFIŞATĂ

INFORMAŢIA

MEMORATĂ

0 0x3F 6 0x7D

1 0x06 7 0x27

2 0x5B 8 0x7F

3 0x4F 9 0x6F

4 0x66 AFIŞOR STINS 0x00

5 0x6D

12.7. Dispozitive numerice – afişoare cu cristale lichide

Utilizarea dispozitivelor de afişare cu ecrane cu cristale lichide (ecran LCD) asigura posibilitatea

afişării informaţiilor cu consum mic de energie. Sub acțiunea unei diferențe de potențial cristalele din celula

LCD (pixelul) îşi schimbă polarizarea, modificând cantitatea de lumină ce trece prin celulă. Lumina este

generată de o sursă care se află în spatele ecranului.

Pentru afişarea informaţiilor alfa-numerice pe ecranul LCD există două metode:

a BIT 0

b BIT 1

c BIT 2

d BIT 3

e BIT 4

f BIT 5

g BIT 6

p BIT 7

4

- metoda segmentelor (afişează caractere numerice similar celulelor cu 7 segmente) şi

- metoda matricei (afișează caractere alfa-numerice şi imagini folosind matrice de puncte).

Se folosesc două tipuri de adresare a elementelor matricei: adresarea pasivă cu electrozi verticali și

electrozi orizontali, la intersecţia unui electrod vertical cu un electrod orizontal aflându-se câte un pixel.

Ecranele LCD monocrome mai vechi au o structură cu matrice pasivă care utilizează tehnologia STN

(Super-Twisted Nematic) sau DSTN (double layer STN).

a) b)

Figura 4 – Ecran LCD monocrom: a) cu 7 segmente; b) alfa-numeric

Există mai multe tipuri de ecrane LCD alfanumerice care diferă între ele prin:

- numărul de linii (rânduri de caractere): uzual 1 sau 2;

- numărul de caractere pe linie: 16, 20, 32 sau 40;

- modalitatea optică de vizualizare: reflectiv, transflectiv sau transmisiv;

- culoare fundal (uzual verde sau albastru);

- tipul de controler utilizat pentru comanda ecranului.

Ecranul LCD alfanumeric poate fi conectat la un microsistem folosind 4 sau 8 biţi de date. Acesta dispune

de o memorie de tip RAM pentru stocarea codurilor caracterelor de afişat, imaginea fiecărui caracter fiind

sub forma unei matrice de 5x7 pixeli.

Exemplu: setul de instrucţiuni al unui ecran LCD comandat de un controler HD44780.

R

S

R/

W

D

B7

D

B6

D

B5

D

B4

D

B3

D

B2

D

B1

D

B0

Descriere Timp

execuţie

0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 Şterge display-ul şi aduce

cursorul la poziţia 0 linia 1

1.64ms

0 0 0 0 0 0 0 0 1 * Aduce cursorul la poziţia 0 linia

1

1,64ms

5

0 0 0 0 0 0 0 1 I/D S Setează direcţia de scriere (I/D),

specifică staţionarea sau

deplasarea textului pe display

(scroll). Aceste operaţii sunt

efectuate în timpul transmisiei de

date

40us

0 0 0 0 0 0 1 D C B Setează starea închis/deschis a

displayului (D), starea

prezent/absent a cursorului (C) şi

clipirea cursorului (B)

40us

0 0 0 0 0 1 S/

C

R/

L

* * Setează deplasarea textului sau a

cursorului (S/C) şi direcţia de

deplasare (R/L).

40uS

0 0 0 0 1 DL N F * * Setează lungimea datelor pe

interfaţa(DL), numărul de linii

pe display (N) şi fontul de

scriere (F)

40uS

0 0 0 1 Adresa CGRAM Setează adresa CGRAM 40uS

0 0 1 Adresa DDRAM Setează adresa DDRAM 40uS

1 0 Date de scris Scrie date în CGRAM sau

DDRAM

40uS

1 1 Date de citit Citeşte date din CGRAM sau

DDRAM

40uS

- DDRAM = Display Data RAM – Adresa corespunde poziţiei cursorului pe display

- CGRAM = Character Generator RAM – generator de caractere

- * - indiferent (0 sau 1)

- I/D 0 = incrementează poziţia cursorului

1 = decrementează poziţia cursorului

- S 0 = nu deplasează textul pe display

1 = deplasează textul pe display

- D 0 = Display off

1 = Display on

- C 0 = Cursor off

1 = Cursor on

- B 0 = Cursor intermitent off

6

1 = Cursor intermitent on

- S/C 0 = Mută cursorul

1 = Deplasează textul

- R/L 0 = Deplasare către stânga

1 = Deplasare către dreapta

- DL 0 = Setează interfaţa pe 4-biţi

1 = Setează interfaţa pe 8-biţi

- N 0 = Setează ecranul pentru afişare pe o linie

1 = Setează ecranul pentru afişare pe 2 linii

- F 0 = Setează caracterele pentru 5x7puncte

1 = Setează caracterele pentru 5x10puncte

- BF 0 = Poate accepta instrucţiuni

1 = Operaţie internă în desfăşurare

12.8 Dispozitive grafice – monitoare cu cristale lichide

Astăzi marea majoritate a producătorilor de monitoare le realizează cu ecrane cu cristale lichide (LCD).

Acestea au ecrane care reflectă foarte puţin lumina, sunt complet plate (înguste) şi consumă foarte puțină

energie (câțiva zeci de W). Calitatea culorii unui ecran LCD cu matrice activă este apropiată de cea a

majorităţii monitoarelor cu tub catodic.

Ecranele LCD color cu rezoluție ridicată utilizează o structură cu matrice activă. O matrice de

tranzistoare fabricate dintr-o peliculă transparentă subțire, numite TFT (thin-film transistor) este adăugată

filtrelor de polarizare și culoare. Fiecare pixel beneficiază de propriul tranzistor, astfel fiecare pixel putând fi

adresat de catre un rand. Cand o linie este activata pe un rand, toate coloanele sunt conectate la randul de

pixeli activati, iar fiecare coloana primeste voltajul necesar. Astfel este activat randul si se trece a activarea

randului urmator. Toate randurile sunt activate secvential in urma unei operatii de ”refresh”. Ecranele cu

adresare bazate pe matrice activa ofera o imagine mai luminoasa si mai clara decat cele cu matrice pasiva de

aceeasi dimensiune si in general au timpi de raspuns mai mici, eliminand astfel in mare masura efectul de

încetoșare a imaginii.

Panoul VA (Vertical Alignment)

Ecranele cu aliniere verticala sunt un tip de ecrane LCD in care materialul cristalelor lichide exista in

mod natural intr-o stare de aliniere orizontala, astfel nemaiexistand nevoia pentru tranzistoare suplimentare

(asa cum se intampla la tehnologia IPS - In Plane Switching). Cand nu este aplicata tensiune celula de cristal

lichid ramane perpendiculara pe substrat, creand un ecran negru. La aplicarea de tensiune cristalul lichid se

7

deplaseaza in pozitie orizontala, paralel cu substratul, permitand luminii sa treaca prin el si afisand un ecran

alb. Ecranele cu cristale lichide aliniate vertical au o parte din avantajele ecranelor IPS, mai ales un unghi de

vizbilitate imbunatatit si un nivel mai profund al culorii negru.

Panoul TN (Twisted Nematic)

Panourile LCD bazate pe efectul TN contin cristale lichide care isi variaza orientarea astfel incat sa

permita trecerea luminii intr-o cantitate mai mare sau mai mica in functie de unchiul format intre cristale si

axa perpendiculara pe panou. Cand nu este aplicata nici o tensiune unei celule TN, lumina este polarizata

astfel incat sa treaca prin celula. Proportional cu tensiunea aplicata, celula de cristal lichid se roteste cu pana

la 90 grade schimbandu-si polaritatea si blocand trecerea luminii. Variind tensiunea aplicata se poate obtine

aproape orice nivel de gri. Panourile TN Film sunt cele mai bune existente pe piata din punctul de vedere al

timpului mic de raspuns. Timpi de raspuns ca 4 ms si chiar sub acesta sunt comuni in TN Film. Profunzimea

negrului nu este la fel de buna ca la panourile VA, dar totusi s-a imbunatatit semnificativ in ultimul timp,

ajutata de introducerea ratei ridicate de contrast dinamic. Acuratetea culorilor este foarte buna și se obtine

prin buna calibrare a ecranului. O problema ar fi zgomotul la redarea imaginilor in miscare, in special cand

tehnologiile ”overdrive” sunt excesiv folosite, implementate eventual cu un control ineficient. Poate ca cel

mai mare dezavantaj al ecranelor bazate pe tehnologia TN Film sunt unghiurile de vizibilitate restrictive, in

mod special pe verticala. Panourile bazate pe TN Film sunt totusi eficiente din punct de vedere financiar, au

un cost scazut și sunt lidere de piata incepand cu si peste diagonala de 22”.

Panoul IPS (In-Plane Switching)

Tehnologia IPS, folosita pentru panourile LCD, aliniaza celulele cristalului lichid pe orizontala.

Utilizand aceasta metoda, campul electric este aplicat la fiecare cap al cristalului, dar acest lucru necesita doi

tranzistori pentru fiecare pixel fata de un singur tranzistor folosit in panourile TFT standard. Aceasta

tehnologie realizeaza o blocare a unei arii mai mari de transmisiune, necesitand o sursa de lumina mai

puternica pe fundal care va consuma mai multa energie. Din acest motiv, acest tip de panouri nu sunt

implementate in mod curent pe calculatoarele portabile (laptop). Panourie IPS si Super-IPS au o piata foarte

buna in acest moment. Ofera cele mai mari unghiuri de vizibilitate de pe piata si sunt superioare in aceasta

privinta matricelor cu aliniere verticala (VA). Panourile IPS sunt cele mai costisitoare, dar unele variante

mai noi sunt bune in majoritatea privintelor. Adesea afisarea imaginilor in miscare este mai putin fidela

decat in cazul panourilor VA din cauza interferentelor (zgomot).

Parametrii cei mai importanti luati in calcul la analiza unui monitor LCD sunt:

8

Rezolutia: Dimensiunea pe verticala si pe orizontala exprimata in pixeli (ex: 1280×1024). Spre deosebire de

monitoarele CRT, monitoarele LCD au o rezolutie nativa și se obtine cea mai buna afisare a imaginii.

Dimensiunea punctului (Dot pitch): Distanta intre centrele a doi pixeli adiacenti, exprimata in mm. Cu cat

este mai redusa, cu atat este redusa granularitatea pe imagine, rezultand o imagine mai clara. Dimensiunea

punctului poate fi aceeasi pe orizontala si verticala cat si diferita (mai rar).

Suprafata vizibila: Marimea unui panou LCD masurata pe diagonala (cunoscuta si ca suprafata vizibila

activa).

Timp de raspuns: Timpul minim necesar schimbarii culorii sau stralucirii unui pixel. Timpul de raspuns este,

de asemenea, alcatuit dintr-un timp de crestere si un timp de cadere. Pentru panourile LCD acesta este

masurat negru-la-negru (B2B) sau gri-la-gri (G2G). Aceste tipuri de masura diferita fac dificila comparatia

intre diferiti producatori.

Rata de reimprospatare (Refresh Rate): Specifica de cate ori pe secunda monitorul afiseaza imaginea care ii

este oferita. O rata de reimprospatare prea mica poate cauza o palpaire a imaginii si va fi mai sesizabila pe

monitoarele de dimensiuni mai mari. Multe televizoare LCD ”high-end” suporta o rata de reimprospatare de

120 Hz. Aceasta ofera o distorsiune mai mica la vizionarea filmelor inregistrate la 24 cadre pe secunda (fps)

si afisate pe televizor (video) la 30 fps, prin procedeul de conversie ”3:2 pulldown”. Rata de 120 Hz a fost

aleasa ca fiind cel mai mic multiplu comun intre 24 fps (cinema) si 30 fps (TV).

Unghi de vizibilitate: Unghiul maxim fata de o axa imaginara trasa perpendicular pe panoul LCD de la

momentul in care imaginea perceputa de observator este alterata semnificativ.

Suportul de culori: Arată cate tipuri de culori sunt suportate (cunoscuta si ca ”gamut”).

Luminozitate: Cantitatea de lumina emisa de panou (cunoscuta si ca luminanta) [cd/mp].

Contrast: Raportul intre intensitatea celui mai luminos alb si intensitatea celui mai intens negru afișate.

Format ecran: Raportul intre latimea si inaltimea imaginii (ex 4:3, 16:9 sau 16:10).

Porturi de intrare: de exemplu DVI, VGA (D-Sub), LVDS, S-Video, HDMI.

9

Monitorul TFT-LCD

Componentele principale ale unui monitor LCD sunt:

• un video controller;

• un buffer de cadre (frame buffer);

• o interfata video (video interface);

• display TFT-LCD (TFT-LCD panel) şi

• o sursă de lumină aplicată în spatele display-ului TFT-LCD (backlight) (Fig. 5).

Buffer-ul de cadre (frame) este de fapt o porţiune de memorie care cu ajutorul unui software

specializat livrează datele video către video controller. Datele video din aplicaţie sunt memorate in buffer-ul

de cadre de către unitatea centrală de procesare (CPU).

Video controller-ul aduce în avans datele video în memorie şi generează semnalele video potrivite

(care pot fi analogice (ex. VGA) sau digitale (ex. DVI)) către interfaţa video. Aceasta transportă semnalele

video între video controller şi monitorul TFT-LCD. Monitorul primeşte datele video şi generează nuanţa

corespunzătoare (numită transmitanta) pentru fiecare pixel. Pixelii display-ului LCD sunt iluminaţi de către

o sursă de lumină aşezată în spatele acestuia. Pentru utilizator pixelul afişat apare stralucitor dacă

transmitanţa este mare (adică este in starea ‘ON’), ceea ce înseamnă că lasă să treacă lumina sursei din

spatele display-ului. Pe de altă parte, un pixel afişat arată întunecat dacă transmitanţa este mică (adică este în

starea ‘OFF’), ceea ce înseamnă că acesta nu lasă să treacă lumina sursei.

În componenţa display-ului intră un controler de afişaj care face posibilă afişarea paletei de nuanţe

de gri pe ecranul LCD prin folosirea de tensiuni crescătoare foarte mici care controlează numărul de niveluri

luminoase ale luminii care trec prin ecran către utilizator. Dacă transmitanţa se vrea a fi ajustată la mai mult

de două niveluri între stările ‘ON’ şi ‘OFF’, atunci se foloseşte blocul ”grayscale” care modifică adâncimea

de culoare. Nuanţa poate fi colorată ca roşu, verde sau albastru utilizând filtre diferite de culori diferite, iar

pixelii pot fi afişaţi color prin amestecarea culorilor a trei sub-pixeli fiecare dintre ei având propria culoare şi

adâncime de culoare. Cu alte cuvinte, stralucirea percepută a fiecărui pixel este determinată de către

transmitanţa şi de intensitatea sursei de lumină.

Blocul Scanner sau selectorul de linie comandă stările ‘ON’ sau ‘OFF’ ale porţilor tranzistoarelor, iar

blocul ”Video data” sau selectorul de coloană furnizează tensiunea corespunzătoare fiecărui subpixel. De

exemplu: 8 biţi furnizează 256 nuanţe de gri sau 256 de culori distincte per subpixel.

Sursa de lumină din spatele ecranului (backlight) este în general un set de lampi CCFL (Cold

Cathode Fluorescent Tubes), un tip de lampă fluorescentă recunoscută pentru durabilitate în timp şi pentru

uniformitatea luminii emise. Lampa funcţionează pe baza curentului alternativ, dar restul componentelor

monitorului LCD funcţionează în curent continuu, de aceea pentru sursa de lumină se foloseşte un modul

care converteşte curentul continuu în curent altenativ (DC-AC).

10

Figura 5 – Schema bloc a unui monitor TFT-LCD