Элементная база интеллектуальных сенсоров. Часть 2

Ответы

Ответы на вопросы

1. Узлы отображения информации и клавиатура нужны в интеллектуальных сенсорах для выдачи пользователю информации в наиболее удобной для него форме и для предоставления ему возможности изменять режимы работы сенсора, влиять на функционирование. Именно эти узлы обеспечивают эффективное взаимодействие пользователя с сенсором.

2. Сокращение "ЖКИ" расшифровывается как "жидкокристаллический индикатор". В портативных интеллектуальных сенсорах ЖКИ предпочитают применять потому, что они потребляют мало энергии, имеют высокое отношение полезной площади к объему, надежны в работе и относительно недороги.

3. "Графический дисплей" – это экран, на котором можно отображать не только символьную информацию, но и графики, диаграммы, полноценные изображения.

4. "Сенсорный экран" – это дисплей и клавиатура, объединенные в одно целое. Вместе с необходимым изображением на свободных местах экрана формируются изображения виртуальных кнопок управления, которые могут потребоваться в данном режиме работы. Для управления сенсором пользователь дотрагивается до экрана в соответствующих точках. Сообщение о прикосновении передается в микроконтроллер, который организует нужную реакцию на указание пользователя.

5. Основными достоинствами сенсорных экранов являются: экономия места (что очень важно для портативных сенсоров); исчезает необходимость в отдельной жестко фиксированной клавиатуре, она становится программируемой, гибкой, в каждой ситуации функционально оптимальной.

6. Внутренняя память становится нужна в сенсоре тогда, когда памяти, входящей в состав микропроцессора (микроконтроллера, микроконвертора), оказывается недостаточно.

7. Различают следующие виды внутренней памяти: оперативную, постоянную, репрограммируемую и память с последовательным доступом.

8. Под "организацией памяти" понимают разрядность "ячеек памяти", т.е. разрядность хранящихся под одним "адресом" чисел (слов), а также способ адресации к этим ячейкам – произвольный доступ по "адресу" или последовательный доступ.

9. "Произвольный адресный доступ" к памяти означает, что, задав любой допустимый адрес, можно сразу же считать или записать информацию в соответствующую ячейку памяти.

10. "Флэш-память" – это память с последовательным доступом. Записывать или считывать данные из неё можно лишь последовательно – ячейка за ячейкой. Но записывать, накапливать в таких микросхемах можно большие объемы данных, которые надежно хранятся и при отсутствии питания. "Флэш-карта" – это микросхемы флэш-памяти, оформленные в виде небольших пластин или "карт" с внешними выводами на торцах. "Флэш-накопитель" – это автономный узел флэш-памяти большого объема, который через соответствующий разъём может быть легко подключен к компьютеру или сенсору и который позволяет переносить между ними большие объёмы информации.

11. Внешний интерфейс нужен в интеллектуальных сенсорах для того, чтобы легко можно было организовать информационный обмен между сенсором и внешним компьютером или между сенсором и сетью связи.

12. Беспроводный интерфейс интеллектуального сенсора с компьютером" вполне возможен. Для этого можно использовать как оптический, в частности, инфракрасный интерфейс, так и радиосвязь, в частности, сверхвысокочастотную, например, интерфейс Bluetooth.

Ответы к упражнениям

Упражнение 26.1.

Вариант 1. Сейчас доступны такие виды устройств отображения информации, как стрелочные, знаковые, светодиодные, электролюминесцентные, катодолюминесцентные, плазменные и т.д. В портативных интеллектуальных сенсорах чаще всего используют индикаторы на жидких кристаллах потому, что они потребляют мало энергии, имеют высокое отношение полезной площади к объему, надежны в работе и относительно недороги.

Вариант 2. В ЖКИ между двумя прозрачными стеклянными пластинами размещается жидкокристаллический (ЖК) материал. На поверхности пластины создан микрорельеф, благодаря которому все вытянутые молекулы ЖК материала ориентируются возле поверхности в одном направлении. Ориентация молекул возле поверхности второй стеклянной пластины – перпендикулярная. Из-за этого ориентация молекул в промежуточных молекулярных слоях плавно меняется. Они образуют закрученную подобно спирали структуру, которая при прохождении света поворачивает плоскость его поляризации на 90 . Если на ЖК материал наложить достаточно сильное внешнее электрическое поле, то все молекулы переориентируются в направлении этого поля, поворот плоскости поляризации света исчезает. В конструкцию ЖКИ входят поляризатор и анализатор света. Если их установить так, чтобы при отсутствии электрического поля свет свободно проходил сквозь анализатор, образуя на индикаторе светлый фон, то такой режим работы называют "позитивным". Если же при отсутствии электрического поля анализатор установлен так, что полностью гасит свет, формируя на индикаторе темный фон, то такой режим работы называют "негативным".

Вариант 3. Конструкцию жидкокристаллического сегментного индикатора можно эскизно изобразить, как показано на рис.А. Здесь 1 –поляризатор света, 2 – стеклянная пластина со сплошным прозрачным электродом; 3 – изолирующая рамка; 4 – ЖК материал; 5 – стеклянная пластина с сегментными прозрачными электродами и контактными площадками к ним (по краям, вне поля зрения); 6 – анализатор; 7 – ламели внешних выводов; 8 – отражающий зеркальный слой. Когда между электродами 2 и 5 электрическое напряжение отсутствует, внешний свет проходит сквозь поляризатор 1. В ЖК материале 4 плоскость поляризации света поворачивается на 90 , совпадает с ориентацией анализатора 6, и потому свет легко проходит сквозь него, отражается от зеркального слоя 8, на обратном пути проходит то же самое.

В результате отраженный внешний свет создает сплошной светлый фон. Если на какой-либо сегментный электрод подать напряжение, то все молекулы над ним переориентируются электрическим полем. Поворот плоскости поляризации света не происходит, после прохождения ЖК материала 4 она остается перпендикулярной к ориентации анализатора 6. Поэтому свет поглощается в нем, участок поля дисплея над таким электродом становится темным.

Вариант 4. Кроме сегментных, в интеллектуальных сенсорах применяют также следующие виды жидкокристаллических дисплеев: матричные ЖКИ, на которых знаки формируются из набора отдельных элементов ("пикселей"); многопозиционные сегментные и матричные индикаторы, многострочные и комбинированные (сегментно-матричные). Для применений, в которых нужно отображать на экране не только символьную информацию, но и графики, диаграммы, полноценные изображения, промышленность выпускает монохромные и цветные графические ЖКИ разных форматов и размеров. Они, как правило, выпускаются вместе с электроникой, обеспечивающей формирование изображений и их запоминание.

Вариант 5. Сейчас существуют следующие виды клавиатур: отдельные кнопки, клавиши или их наборы; пленочные (мембранные) или силиконовые клавиатуры. Пленочные клавиатуры состоят из основы с электропроводящим покрытием, упругой мембраны с отдельными плёночными электродами и внешней пленочной "панели". Их преимуществами по сравнению с классическими кнопочными клавиатурами являются большой рабочий ресурс (свыше 20 млн. переключений), простота монтажа, небольшая цена, возможность спроектировать и воплотить уникальный собственный дизайн. Как правило, пленочные клавиатуры делают из полиэфира, который является очень стойким. Места нажатия контактов могут быть плоскими или иметь пластиковый "купол". Время возникновения контакта при нажатии не превышает 5 мс. Силиконовые клавиатуры могут имитировать любую форму выступающих или "утопленных" кнопок или клавиш и любые размеры, сохраняя все преимущества пленочных клавиатур. Тактильный эффект можно подобрать по желанию заказчика и реализовать оптимальное в каждом случае ощущение нажима и ход клавиши от 0 до 5 мм. Внешним оформлением можно имитировать пластиковые и металлические кнопки.

Вариант 6. Резистивный сенсорный экран состоит (рис.) из стеклянной основы 1, упругой майларовой мембраны 2 и изолирующих распорок 3. На нижнюю сторону мембраны 2 и на верхнюю сторону стеклянной основы 1 нанесены прозрачные электропроводящие покрытия 4 и 5. На краях сформированы металлические электроды внешних выводов 6 и 7. Электропроводящее покрытие на стекле делают максимально однородным.

Электрическая схема объясняет принцип действия сенсорной панели. Когда между электродами 6 и 7 подается небольшое эталонное напряжение, то на прозрачной электропроводящей пленке возникает градиент потенциала. При нажатии майларовой мембраны в точке нажима образуется электрический контакт между покрытиями 4 и 5. И через пленку 4 потенциал покрытия 5 в этой точке, пропорциональный координате Х, передается на выход. Для определения координаты Y точки нажатия опорное напряжение во втором такте опроса подается между электродами, расположенными ортогонально к электродам 6 и 7. Создается уже вертикальный градиент потенциала, благодаря чему потенциал на пленочном покрытии 4 становится пропорциональным координате Y. "Считывание" координат Х и Y происходит быстро с интервалом времени менее 1 мс.

Вариант 7. Структура матричных сенсорных экранов подобна описанной в варианте 6. Сенсорный экран состоит из стеклянной основы 1, упругой мембраны 2 из майлара и изолирующих распорок 3. На нижнюю сторону мембраны 2 и на верхнюю сторону стеклянной основы 1 нанесены прозрачные электропроводящие покрытия 4 и 5. Отличием является то, что в матричных сенсорных панелях эти покрытия разделены на системы изолированных параллельных шин, которые образуют ортогональную координатную сетку. В точке касания соответствующие горизонтальная и вертикальная шины электрически контактируют. Микроконтроллер организует периодическое быстрое сканирование горизонтальных и вертикальных шин. Номера шин, находящихся в контакте, и являются координатами точки касания.

Вариант 8. В сенсорных экранах на основе технологии DST во всех углах упругой мембраны находятся пьезоэлектрические чувствительные элементы. Когда палец или "стилус" дотрагивается до мембраны, то от точки соприкосновения по мембране распространяются упругие волны. Пьезоэлектрические элементы фиксируют их появление, формируя соответствующие электрические сигналы. По разности времен поступления этих сигналов от каждого из 4 угловых пьезоэлектрических элементов микроконтроллер вычисляет координаты точки прикосновения.

Упражнение 26.2.

Вариант 1. Оперативная память предназначена для занесения и хранения промежуточных данных: текущей информации, результатов измерений, промежуточных результатов вычислений и т.п. При выключении питания вся записанная в такой памяти информация пропадает. Сразу после включения питания состояние ячеек этой памяти является неопределенным. Поэтому перед дальнейшим использованием в неё надо программно заносить нужную начальную информацию ("инициировать").

Вариант 2. В "статической" оперативной памяти записанная в ячейку информация может сохраняться очень долго. В "динамической" оперативной памяти информацию надо периодически обновлять (регенерировать). Зато микросхемы динамической памяти имеют обычно более высокую плотность ячеек. Поэтому удельная стоимость единицы информации в них меньше, чем у статической оперативной памяти. В интеллектуальных сенсорах чаще используют статическую память.

Вариант 3. "Энергонезависимая" оперативная память нужна в тех случаях, если имеющуюся информацию требуется сохранять и тогда, когда сенсор не работает. В этом случае при отключении общего питания оперативную память переключают на питание от независимого источника (аккумуляторной батарейки). Микросхемы оперативной памяти, имеющие встроенный источник питания и электронику автоматического переключения питания, и называют "энергонезависимой памятью".

Вариант 4. Постоянная память – это память с произвольным адресным доступом, в которой записанная информация не изменяется в процессе функционирования, надежно сохраняется и при отсутствии питания. Она предназначена для хранения программ работы микроконтроллера, констант, таблиц и других данных. Ее часто называют еще "памятью программ".

Вариант 5. "Электрически программируемая постоянная память" – это память, информацию в которую (программы работы микроконтроллера, режимные параметры, служебные данные) заносят электрическими импульсами с помощью специальных "программаторов" при инсталляции и налаживании работы сенсора.

Вариант 6. "Репрограммируемая память" – это память, в которой записанная информация при необходимости может быть изменена (до 1000–10000 раз). Основными её видами являются электрически репрограммируемая постоянная память (ЕЕРRО) и программируемая постоянная память с ультрафиолетовым стиранием. В последнем случае для записи новой информации память надо предварительно "очистить" с помощью ультрафиолетового облучения.

Вариант 7. Особенностью памяти "с последовательным доступом" является то, что записывать или считывать информацию из неё нельзя адресно, обращаясь к произвольной ячейке. Записывать или считывать данные можно лишь последовательно – ячейка за ячейкой. Но записывать, накапливать в таких микросхемах можно большие объемы данных, которые надежно хранятся и при отсутствии питания.

Вариант 8. Микросхемы памяти сейчас конструктивно могут быть оформлены в стандартных корпусах, в мини-корпусах, в бескорпусном виде (в виде кристаллов с выводами), в виде "карт памяти" или в виде накопителей. Микросхемы в стандартных корпусах предназначены для монтажа на обычные печатные платы, в мини-корпусах – для т.н. "поверхностного монтажа", бескорпусные – для монтажа в гибридные интегральные схемы. "Карты памяти" рассчитаны на то, чтобы их можно было легко вставлять и вынимать из сенсора, а "накопители" – на автономное использование и соединение с сенсором или компьютером через стандартный "порт".

Упр. 26.3. Вариант 1. Последовательный интерфейс RS-232 – это наиболее распространенный ныне интерфейс синхронной и асинхронной передачи данных согласно стандарту EIA RS-232-C и рекомендациям V.24 CCITT. Он предназначен для непосредственного соединения кабелем двух произвольных устройств, одним из которых в нашем случае является интеллектуальный сенсор. Передающий выход одного устройства соединяется с приемным входом другого и наоборот. Используется 4-жильная линия связи и стандартный 9-контактный разъем (см. рис.).

Через одну из жил и соответствующий контакт разъема (TxD – Transmit Data) передаются данные от сенсора в компьютер или от компьютера в сенсор последовательным двоичным кодом. Через другую (RxD – Receive Data) данные принимаются. Третья жила – это "нулевой" ("общий") провод, а четвертая – экранная оплетка кабеля. Скорость передачи выбирается из стандартного ряда: 110, 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600 или 115200 бит/с. Расстояние, на которое ведется передача, не должно превышать 15 м.

Вариант 2. Передача данных в последовательном интерфейсе RS-232 организована следующим образом. Данные передаются побайтно. К каждому байту впереди прибавляется стартовый бит, а в конце – бит чётности и 1-2 стоповых бита. Получив стартовый бит, приемник выбирает из линии связи в приемный регистр биты данных тактами через установленные интервалы времени. Важно, чтобы продолжительность тактов приемника и передатчика была одинаковой ( 10 %). Скорость передачи выбирается из следующего стандартного ряда: 110, 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600 или 115200 бит/с.

Вариант 3. Последовательный интерфейс USB (Universal Serial Bus) стандартизован в 1996 г. Нынешние компьютеры допускают подключение этого интерфейса даже в процессе работы, автоматически распознают его и активируют соответствующий драйвер. Протокол USB предусматривает 2 скорости передачи данных: высокую (12 Мбит/с) и низкую (1,5 Мбит/с). Он допускает большое количество соединенных в сеть устройств – до 127. Максимальная длина кабеля соединения – до 5 м. Сигналы передаются через 4-жильный кабель и 4-контактный разъём. Стандартом предусмотрено 2 формы разъёма: одна – для соединения кабеля с компьютером, другая - для соединения с периферийным устройством, например, с интеллектуальным сенсором. Конструкция USB разъёмов рассчитана на многократное быстрое соединение/разъединение. Через первый контакт разъема подается напряжение питания (обычно +5 В), которое может быть использовано для питания периферийного устройства небольшой мощности; через контакт 2 происходит прием, через контакт 3 – передача данных; контакт 4 – это "общая шина" (шина "земли").

Вариант 4. При параллельном интерфейсе с целью ускорения обмена информацией данные передаются не последовательно бит за битом по одному проводу, а параллельно по многим проводам – полубайтами, байтами, 16-разрядными словами. Каждый бит передаётся в этом случае по "своей" жиле многожильного кабеля. Скорость передачи ускоряется в число раз, равное числу жил. Имеется много разных стандартов параллельного интерфейса.

Вариант 5. Сейчас действует стандарт на "инфракрасный" интерфейс IrDA (Infra red Data Assoсiation), рассчитанный на "ближний" ИК диапазон длин волн 850–900 нм с максимумом спектральной плотности излучения вблизи 880 нм. Он позволяет использовать недорогие малогабаритные устройства ИК связи. Такое устройство состоит из генератора тока через ИК светодиод, фотодиода, узла усиления и порогового детектирования сигналов. Информация передается побайтно. В начале каждого байта прибавляется стартовый бит ("0"), а в конце – стоп-бит ("1"); всего выходит 10 бит. Последовательные биты кодируются таким образом: "0" передается ИК импульсом продолжительностью от 1,6 нс до 3/16 периода передачи одного бита; "1" передается отсутствием ИК излучения на указанном интервале времени. Интенсивность излучения в конусе 30 должна быть 40-50 мВт/стерадиан. Двоичные коды, предназначенные для передачи, в том числе, стартовый и стоп-бит, формирует компьютер. Когда поступает "0", то импульс тока пропускается через светодиод, который излучает при этом импульс ИК света. Когда импульс света попадает на ФД, то в нем формируется соответствующий импульс фототока. Принятый байт передается в компьютер. В программном обеспечении компьютера для своевременного обнаружения ошибок передачи могут предусматриваться периодическая передача и контроль 2-байтной контрольной суммы и другие приемы. Скорость передачи может быть от 2400 бит/с до 4 Мбит/с.

Вариант 6. Для повышения надежности обмена информацией между интеллектуальным сенсором и компьютером можно применять разные меры. Для этого в программном обеспечении компьютера и сенсора могут предусматриваться процедуры подтверждения приема сигналов, дополнительные контрольные биты, позволяющие обнаруживать и исправлять одиночные сбои, периодическая передача и проверка контрольной суммы, повторная передача той же самой информации и другие "хитрости".

Вариант 7. В принципе канал радиосвязи между интеллектуальным сенсором и компьютером может быть реализован на любой частоте. Но сейчас для этого предпочитают использовать сверхвысокочастотную радиосвязь в не лицензируемой полосе частот. Согласно стандарту Bluetooth 1.1, например, связь происходит на частоте около 2,4 ГГц радиосигналами малой мощности на расстояния до 10 м (с усилителем – до 100 м). Ряд фирм промышленно выпускают готовые Bluetooth модули, в которых заложена вся электроника и программное обеспечение, требуемые для установления и поддержания связи. Разработчику интеллектуальных сенсоров нужно просто воспользоваться такими модулями. Следует лишь обратить внимание на то, какие "профили" Bluetooth поддерживает избранный модуль, и есть ли среди них те, которые нужны для "общения" с нужными Вам компьютерами.

Вариант 8. Интеллектуальные сенсоры, работающие в полевых условиях или на выезде в автономном режиме, часто не могут питаться от стационарной электросети. В таких случаях для питания сенсора используют встроенные батарейки или аккумуляторы. Важной характеристикой при этом оказывается удельная энергоёмкость. Лучшими по этому параметру сейчас являются ионно-литиевые полимерные аккумуляторы. Их и рекомендуется применять в портативных автономных сенсорах, когда очень важны габаритномассовые характеристики.