Elektromechaninės švieslentės (flip-dot display)

270201_10150228228681035_479737_nNors tai tikrai sena technologija, tačiau elektromechaninės (angl. flip-dot) švieslentės yra vis dar plačiai paplitusios. Jos naudojamos ten, kur reikia didelio informacijos perskaitomumo ir didelio apžvalgos kampo. Elektromechaninės švieslentės dažniausiai yra naudojamos traukinių ir autobusų stotyse, lauko stadionuose, oro uostuose ir viešajame transporte. Prieš porą metų, kelios tokios švieslentės pakliuvo man į rankas. Su mintimi tokio tipo švieslentes panaudoti savo tikslams, nusprendžiau jas šiek tiek plačiau patyrinėti.  Ypač tuo metu domino jų valdymas ir „vangių“ segmentų atsiradimo priežastys.MINOLTA DIGITAL CAMERAViršuje pateikta kompanijos „LAWO Luminator Technology Group“ informacinės sistemos „Full-matrix System“ elektromechaninių švieslenčių, naudojamų Vilniaus miesto autobusuose, nuotrauka. „Full-matrix System“ švieslentės yra elektromechaninės. Kiekviena švieslentė turi papildomą liuminescencinį apšvietimą, naudojamą tamsiu paros metu.  Kiekviena švieslentė yra sudaryta iš aibės individualių 10 – 15 mm skersmens aštuonkampių skydelių, kurių viena pusė yra nudažyta juodai, kita – geltonai.

MINOLTA DIGITAL CAMERA
MINOLTA DIGITAL CAMERA

segmentas
Kiekvieną skydelį valdo elektromagnetas, sudarytas iš U formos magnetolaidžio bei dviejų ričių. Elektromagnetas, priklausomai nuo valdymo signalo, atverčia arba geltonąją arba juodąją skydelio pusę. Išjungus valdymo signalą, dėl liekamojo elektromagneto magnetolaidžio įmagnetėjimo skydelis pasilieka fiksuotoje padėtyje.

Tokiu būdu yra užtikrinamas vaizduojamo teksto įskaitomumas bei beveik 180º matymo kampas. Detalus švieslentės skydelių vartymo mechanizmų veikimas ir gamybos metodas yra aprašytas patente „US 2003/0041492 A1 Small dot display element“. Šaltinyje yra nurodyta, kad skydeliai ramybės būsenoje yra šiek tiek pasvirę. Pagal patentą, tai yra padaryta tam, kad būtų sumažintas sukimo monetas, reikalingas skydelio pervertimui. Iš principo, kuo mažesnis skydelio posvyrio kampas, tuo didesniu apžvalgos kampu skydelis yra matomas, tačiau tuo pačiu reikia sukurti stipresnį magnetinį lauką skydelio pervertimui.

Švieslentės yra maitinamos nuolatine 24V ± 20% įtampa. Dėl konstrukcijos ypatybių lentos naudoja labai mažai elektros srovės: 360 – 560 mA skydelių pervertimo metu ir tik 60 – 200 mA „ramybės“ būsenoje. Lentų konstrukcija taip pat lemia ir tai, kad atvaizduojamas tekstas išlieka net ir išjungus maitinimą. Tiesa, elektromechaninė konstrukciją turi ir trūkumų: švieslentės skydeliai ilgainiui tampa „vangūs“, apsiverčia per lėtai arba neatsiverčia iš viso. Švieslentės yra jautrios mechaninėms šiukšlėms ir dulkėms. Be to, „pasyvūs“ švieslentės taškai reikalauja papildomo apšvietimo, kuris yra gana reiklus elektros srovei (0,5 – 5,5 A).

268118_10150228228661035_4800258_n

MINOLTA DIGITAL CAMERA
MINOLTA DIGITAL CAMERA

Vilniaus autobusuose taip pat yra naudojama kompanijos „Krueger Apparatebau GmbH & Co.“ gaminama informacinė sistema. Šios kompanijos švieslenčių Vilniaus autobusuose yra įrengta nedaug, tačiau „Krueger“ sistema iš kitų sistemų išsiskiria savo mechanine konstrukcija. Ankščiau aprašytose švieslentėse skydelių vartymo mechanizmas pagal atitinkamą valdymo signalą perverčia visą skydelį (nuotrauka), tačiau „Kruger“ sistemoje yra verčiama tik viena skydelio „pusė“. T. y. „Krueger“ švieslentės tašką sudaro judanti skydelio dalis bei nejudanti, pusiau juodai ir geltonai nudažyta, plokštelė. Vartymo mechanizmą paveikus atitinkamu valdymo signalu, vartomoji skydelio dalis yra atverčiama geltonąja puse, kuri uždengia juodąją nejudančios plokštelės pusę, arba juodąja, kuri uždengia geltonąją stacionarios plokštelės pusę.

Pasak horizontaliai ir vertikaliai vartomų švieslenčių segmentų palyginimo, kvadratinės konstrukcijos segmento matomas plotas yra bent 16 % didesnis jei apskrito, horizontaliai vartomo skydelio. Tokia skydelių konstrukcija užtikrina geresnį informacijos perskaitomumą ir didesnį švieslentės vaizduojamos informacijos atnaujinimo greitį. Taip pat vertikalios konstrukcijos segmentų elektromagneto konstrukcija yra daug paprastesnė: „Krueger“ sistemoje yra naudojamas įprastos konstrukcijos solenoidas su cilindrine feromagnetine šerdimi. Tokia konstrukcija yra ne tik paprastesnė, bet ir pigesnė, jos gamybai nėra keliami tokie griežti reikalavimai kaip U formos (naudojami „LAWO“ sistemoje) vartymo mechanizmams.

„Vangių“ skydelių nustatymas ir atsiradimo priežastys

Kaip jau minėjau tekste, kartais kai kurie švieslentės skydeliai ima pasidaro „vangūs“, apsiverčia per lėtai arba neatsiverčia iš viso. Tai puikiai iliustruoja aukščiau pateiktas video (atsiprašau už kokybę). Video filmuke valdiklis paeiliui perverčia kiekvieną matricos skydelį į geltonąją pusę, po to – į juodąją. Manau tikrai turėtumėte pastebėti skydelius, kurie veikia kitaip nei visi. T. y. persiverčia atvirkščiai negu visi, persivertę nelieka nustatytoje padėtyje ir t. t. Vat tokių skydelių atsiradimo priežastį ir nusprendžiau patyrinėti šiek tiek giliau.

Tyrimui buvo pasirinkta „Full-matrix System“ informacinėje sistemoje naudojama šono skaitinė švieslentė, sudaryta iš 448 skydelių su vartymo mechanizmais (elektromagnetais). Vartymo mechanizmai yra elektriškai sujungti į matricą, sudarytą iš 16 eilučių ir 28 stulpelių. Šono skaitinėje lentoje yra sumontuoti 3 vartymo mechanizmų valdikliai FP2800A.

lenta
lenta_2

FP2800A – tai „iš 5 į 28“ tipo dešifratorius, atpažįstantis kodinę signalų jo įėjimuose kombinaciją ir sukuriantis signalą viename tą kodinę kombinaciją atitinkančiame išėjime [R. Kirvaitis. Loginės schemos]. Pagrindinė FP2800A ypatybė yra ta, kad dešifratoriaus išėjimai dirba „šaltinio imtuvo“ režimais  (nuotrauka apačioje), t.  y. dešifratorius pagal valdymo komandą gali tam tikrą išėjimą prijungti arba prie maitinimo šaltinio teigiamo poliaus arba prie neigiamo. Tai yra ypač svarbu elektromechaninių švieslenčių valdymui, nes elektros srovė per vartymo mechanizmo rites turi tekėti abejomis kryptimis.

source-sinkKaip jau buvo minėta, švieslentės 16 x 24 skydelių matricą valdo 3 vartymo mechanizmų valdikliai FP2800A. Vienas iš jų yra skirtas matricos stulpelių valdymui (funkcinė schema virsuje), kiti du – eilučių valdymui. Kiekvienas iš šių valdiklių yra valdomas 7 linijų duomenų perdavimo magistrale, kuri pagrindiniame valdiklyje dažnai būna multipleksuojama. Mikrovaldiklis tinkamais laiko momentais privalo kiekvienam iš valdiklių nurodyti konkretų komutuojamo išėjimo adresą (5 adreso linijos) ir komutuojamo išėjimo poliariškumą (Data signalas). Be to, mikrovaldiklis turi generuoti Enable signalą, inicijuojantį adreso linijos dešifraciją, bei dekoduoto valdiklio išėjimo prijungimą arba prie maitinimo šaltinio teigiamo poliaus, arba prie neigiamo.

rc
pinout

Valdikliai FP2800A gali komutuoti iki 370 mA srovę, todėl, norint apsaugoti skydelių vartymo mechanizmus bei pačius valdiklius, yra būtina riboti valdiklio išėjimų komutavimo intervalus. Tam gamintojas siūlo nesudėtingą schemą (nuotrauka viršuje), sudarytą iš kondensatoriaus C1 ir rezistoriaus R1. Gamintojo rekomenduotinos elementų parametrų vertės yra C1=0,22 μF ir R=22 kΩ , garantuojančios maksimalią 24 ms Enable signalo veikimo trukmę. Kadangi elektros srovė turi tekėti abejomis kryptimis per skydelių vartymo mechanizmų elektromagnetų rites, yra naudojami 2 atskiri lygiagrečiai sujungti valdikliai. Valdiklių apsaugai jų išėjimai yra atskirti diodais D1 ir D2 (nuotrauka viršuje, dešinėje).

timing
apsauga

Norint detaliau ištirti švieslentės veikimą bei gauti norimas dinamines charakteristikas buvo nuspręsta sukurti eksperimentinį švieslentės valdiklį, kuris leistų valdyti švieslentės taškus pagal tiesiogines komandas, siunčiamas iš asmeninio kompiuterio. Vienas svarbiausių dalykų, kuriant eksperimentinį valdiklį, buvo sužinoti, kaip švieslentės taškai yra prijungti prie 3 vartymo mechanizmų valdiklių FP2800A. Tai buvo nustatyta rankiniu būdu, analizuojant švieslentės spausdintinę plokštę.  Dešifratorių FP2800A ir flip-dot matricos jungimai yra pateikti lentelėje apačioje. Lentelėje panaudota eilučių ir stulpelių numeracija yra pažymėta pirmoje poskyrio nuotraukoje.

desifratoriaus_jungimasEksperimentiniame švieslentės valdiklyje buvo panaudotas mikrovaldiklis AtMEGA16, tiesiogiai, per lankstų 26 gyslų kabelį su IDC jungtimi, siunčiantis valdymo ir adreso signalų kombinacijas dešifratoriams FP2800A. Valdiklyje periferinių įrenginių ir asmeninio kompiuterio prijungimui buvo įprojektuotos USART ir I2C sąsajos. Taip pat numatyti keli papildomi mygtukai ir šviesos diodai, naudojami valdiklio veiksmų kontrolei ir indikacijai, bei IBIS duomenų perdavimo sąsaja, naudotina komunikacijai su įvairiais autobusuose naudojamų informacinių sistemų įrenginiais.

Smalsiausi, galite valdiklio Eagle failus atsisiųsti iš čia: flip-dot controller. Valdiklio kodo kol kas nepateikiu, nes apie tai bus atskiras straipsnis, tačiau prikabinu funkciją, atsakingą už flip-dot skydelių vartymą: flip-dotflip-dot_controller

pcb
circuit

Srovės matavimui buvo parinktas 1 Ω 17 W šunto rezistorius. Didelės vardinės galios rezistorius buvo parinktas tam, kad būtų galima išvengti šiluminių galios nuostolių dėl kurių šuntas fiziškai šyla. Dėl to keičiasi jo elektriniai parametrai, t. y. varža, kas darbo metu sukelia srovės matavimo paklaidas. Rezistoriaus vardinė 1 Ω varža leido tiksliai ir be papildomų matematinių veiksmų nustatyti, kokia srovė teką švieslentės grandine. Įtampos krytis šunto varžoje buvo matuojamas skaitmeniniu oscilografu Rigol DS1052E.

134131656895Tyrimo metu, eksperimentiniam valdikliui buvo sudaryta programa, paeiliui perverčianti visus 28-o stulpelio skydelius pirma į geltonąją pusę, po to – į juodąją. Bandymo buvo gauta srovės oscilograma, pateikta viršuje, kairėje.  Iš jos matome, kad verčiant skydelius į geltonąją pusę (1 impulsų serija), srovė tekanti per skydelių elektromagnetų rites yra maždaug 100 mA mažesnė nei verčiant skydelius į juodąją pusę (2 impulsų serija). Tai galima paaiškinti tuo, kad skydelio vartymo mechanizmo elektromagneto magnetolaidis yra nesimetriškas. Vienas magnetolaidžio strypelis yra šiek tiek ilgesnis nei kitas. Dėl to, skydelio posvyrio kampas abiejose stacionariose padėtyse skiriasi. Pasak patento, kuo yra mažesnis skydelio posvyrio kampas, tuo reikia sukurti stipresnį magnetinį lauką skydelio pervertimui.

134131672916Galima pastebėti, kad verčiant 28-ojo stulpelio pirmąjį skydelį, per elektromagnetą tekanti srovė yra mažesnė (pažymėta raudona rodykle) nei verčiant kitus to paties stulpelio segmentus. Ši tendencija kartojasi ir individualiai vartant tik šį segmentą. Iš oscilogramos (28;1) matome, kad srovė tekanti per segmento (28;1) elektromagneto ritę yra vienoda verčiant skydelį ir į vieną pusę, ir į kitą. Taip būti neturėtų, nes korektiškai veikiančių segmentų vertimo srovės skiriasi. Apačioje yra pateikta segmento (3;4) oscilograma, patvirtinanti prieš tai suformuotą teiginį.

134131656919134131656944Paveiksle, pateiktame viršuje, dešinėje, yra atvaizduota srovės, tekančios per segmento su išimtu feromagnetiniu skydeliu vartymo mechanizmo elektromagnetą, oscilograma. Iš tiesų (28;1) ir (1;3) segmentų oscilogramos yra labai panašios, tik šiek tiek skiriasi amplitudinės vertės, todėl galima teigti, kad  segmento (28;1) skydelis yra sugadintas. Iš tikro, tai matosi net plika akimi. Skydelis yra vangus, persiverčia daug lėčiau nei visi kiti. Taip pat jis tvirtai nesilaiko stacionarioje pozicijoje, ir persiverčia, verčiant kaimyninius skydelius, pav. (27;1) ar (28;2).

134131656861Su specialia magnetinius polius parodančia kortele buvo nustatyta, kad segmento (28;1) skydelis yra nekorektiškai permagnetintas. Paveiksle viršuje yra pateiktas gerai įmagnetinto skydelio (segmentas (3;4)) brėžinys, šalia – neteisingai permagnetinto. Iš paveikslų matome, kad gerai veikiantis skydelis yra įmagnetintas horizontalia kryptimi, o vangus skydelis – vertikalia.

1 komentaras

  1. Atgalinis pranešimas: Flip-Dot Clock | Paulius Bautrėnas

Parašykite komentarą

El. pašto adresas nebus skelbiamas.