大量消费产品(如手机和音乐播放机)中的全彩图形显示器已经抓住了公众的注意力,为嵌入式设备的设计确定了新的标准。
要 点
近来带图形显示器的消费类产品的普及使嵌入系统设计者感到了必须配合用户体验的压力。
虽然图形显示器内部是复杂的,但在用户需要之前隐藏了辅助功能和特性,从而简化了用户界面。
设计良好、带图形用户界面的嵌入设备可以在不作硬件修改情况下,完成产品变化和升级。
多个供应商都提供完全插入式的图形子系统,可以作为嵌入处理器的独立串行外设。
嵌入系统开发者可以用一个连接普通外置式消费设备的通信链路,取代用户界面硬件。
伴随着价格的滑落,嵌入系统设计者正转向图形显示器以简化操作、方便系统升级,并实现产品的差异性。传统嵌入产品的设计者更重视性能最大化,而忽视用户界面。但今天 PC、手机和其它便携式消费设备上炫耀的全彩图形提高了消费者对电子产品的期望值。这些涨升的用户界面的期望值以及无处不在的网络,已经重新定义了传统嵌入设计的规则。新型嵌入产品将不限于计算资源和存储资源,比起设备来通信和图形显示可能更需要强大的处理能力。
设计者可以用图形显示系统创建出简单的操
作界面,从而同时处理简单的命令或功能。设计者可以在大多数复杂的辅助功能使用前将其“隐藏”起来,以简化运行。图形显示界面是产品给人的第一印象,也是产品实现与竞争对手差异化的一种明显方式。设计者可以用图形来建立产品独特的外观与感受,并且在整个产品线上提供类似的主题。当你将一个图形显示器与触摸板相结合时,用户就可以模仿几乎所有前面板的配置,并且仍能用固件修改方式来增加或改变产品特色。
显示系统可能有助于缓和产品开发周期的问题,并能提供附加或再生的收益。产品设计一般都是抢先面市和最佳性能之间的一种折衷。一个适应性强的界面结合内置的网络连接,能够为产品的推出提供一种选择,即产品先有一组初步的性能,然后通过网络升级固件,满足对竞争压力或解决问题的要求。另一种营销策略是低价提供一种有限功能的设备,然后再向用户提供可选的远程激活功能或服务。两种方法都需要设计良好的通用硬件平台,以及一个适应性强的图形单元和足够的系统资源,以容纳未来的软件应用。
显示处理器
为嵌入产品中设计一个显示界面的工作是一项对成本和开发周期有显著影响的重要任务。过去只需要一片 8 位处理器的应用现在可能需要第二片 CPU,考虑到图形功能还要升级到 16 位甚至 32 位。图形子系统会消耗相当多的内存和功率资源。在一个传统嵌入系统作业中增加图形处理可能还要增加实时操作系统,以保持应用的时序性能。另外,显示设备需要一个新的电源和机械封装。
将图形显示集成到嵌入设备中的方法是多种多样的。最彻底的方法是用新的处理器区段作重新设计,使它可以同时支持嵌入式作业和图形显示。然后软件小组就可以为嵌入系统应用开发定制的图形库。虽然这种方法可能需要大量的 NRE(非经常性工程)成本,但它能够用最低费用制造硬件,提供最高效的系统。还有一种动作不大的方法是将图形部分看作一个外设,它与嵌入处理器之间是一个通信信道。这种技术可以让开发者选择市场上现成的图形与软件产品,尽量降低开发成本。
有源阵列 LCD 屏幕是嵌入系统中最常用的图形输出设备,因为嵌入系统的要求是低功耗、重量轻、优秀的图像质量以及快速响应。LCD 显示器是在两片垂直极化的玻璃板之间夹一层光偏振液晶,形成很多三明治小单元,并由一个 TFT(薄膜晶体管)阵列驱动。电流改变液晶的偏振特性,阻挡住通过单元的光线传输。在这个基本原理上作一些扩展,制造商就可以提供各种高分辨率、单色与彩色 LCD 屏幕,适合大多数嵌入系统应用。很多设计者将 LCD 屏与电阻性触摸屏或多功能输入开关相结合,组成一个完备的用户界面。
Eastman Kodak 公司 20 多年前开发的 OLED(有机 LED)显示技术也正在嵌入系统应用中获得普及,与 LCD 相比,该技术能够以较低的功耗和制造成本提供更高亮度、更高对比度的图像。OLED 是在一个金属阴极和一个透明阳极之间夹入多层有机碳基薄膜。这些碳基薄膜含有一个空穴注入层、一个空穴传输层、一个发射层以及一个电子传输层。有机材料的选择以及层的结构决定了颜色、使用寿命和功率效率。当在 OLED 上施加电压时,注入的正、负电荷就在发射层中重新组合,并产生场致发光。与 LCD 屏不同,OLED 能够自发光,无需背光照明。OLED 的问题是成品率低,使用寿命有限。另外,水可以轻易地损坏矩阵。
电子纸显示器
尽管电子纸显示技术最早源自20世纪 70 年代,但只有当近期制造技术取得突破后,才重新唤起了人们对它的兴趣。这些显示器的特点是像纸张一样,有高对比度,极低功耗,外形轻、薄,可以有些弯曲(图 1)。它使用时就像阅读报纸