Устройство для ввода-вывода графической информации

(57)ке ибытьвыводизобр СТРОЙСТВО Д ОЙ ИНФОРМАЦ зобретение ычислительн спользованои отображе тения - пов мат относится к ой технике и в устройств ния информац ьппение точно жет х вводаи. Цельти и настеклянных ерхности к из верхнеи 2 и нинелей, на внутреторых размещенытальные (строчны(столбцовые) 5 эные электроды 5первого аналогов Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике, а именно к устройствам ввода-вывода и отображения инйормации для микропроцессор ных устройств (например, персональных микро-ЭВМ, интеллектуальных терминалов, пультов и др.).Цель изобретения - повьппение точности и надежности устройства.На фиг. 1 изображена блок-схема предлагаемого устройства; на Фиг. 2 конструкция жидкокристаллическои (ЖК) матричной панели с сенсорной кла виатурой; на йиг. 3 - варианты топо логии сенсорных элементов и зон замыкания сенсорной клавиатуры.Устройство содержит жидкокристаллический индикатор (ЖКИ) 1, состоящий и розрачные горизон) 4 и вертикальныектроды. Вертикалоединены с выходаго мультиплексораэлектроды 4 соедирого аналоговоговыходы буФерногоены соответственн а горизонтальные ны с выходами вт мультиплексора 7 регистра 8 соеди ервого а правляювления выборуправляющими ового мультипные входы будинены соответ-,ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕК АВТОРСКОМУ СВИ(56) Патент СИА Р 459184кл. С 09 С 3/36, опубликПатент СИА М 4608558,кл. С 09 С 3/34, опублик дежности устройства. Указанная цельдостигается в устройстве, содержащемматричный жидкокристаллический индикатор (ЖКИ), первый и второй аналоговые мультиплексоры, регистр приема информации, буйерный регистр, блок, управления выборкой строк, блок обменаинформацией, генератор возбужпающихнапряжений и блок считывания, тем,что в него введены йормирователь тестсигнала, третий мультиплексор и маска,выполненная в виде матрицы прозрачныхэлектродов, в узлах пересечения которых расположены сенсорные контактныеэлементы, строчные и столбцовые электроды маски соединены соответственнос горизонтальными и вертикальными электродами ЖКИ. 3 ил. инйормационными входа гового мультиплексора щие выходы блока 9 уп кой строк соединены с входами второго анало лексора 7. Инйормацио ферного регистра 8 соственно с выходами регистра 10 приема информации, а информационные входы регистра 10 соединены с информационными входами блока 11 обмена информа 5 цией. Выходы блока 11 соединены с соответствующими входами управления регистра 10 приема информации, буферного регистра 8, блока 9 управления выборкой строк, а также со входами управления первого 6 и второго 7 аналоговых мультиплексоров. Выход .тонального сигнала блока 11 соединен с зуммером 12. Выходы управления блока 11 соединены со входами управления третьего аналогового мультиплексора 13. Вход формирователя 14 тест-сигнала соединен с соответствующими выходами блока 11, а выход соединен со входом тест-сигнала третьего аналогового . мультиплексора 13, Первый, второй и третий выходы генератора 15 возбуждающих напряжений подкпючен к третьему и четвертому входам второго аналогового мультиплексора 7, Первый выход 25 третьего аналогового мультиплексора 13 соединен с первым входом;:ервого аналогового мультиплексора 6 и первым входом второго аналогового мультиплексора 7. Второй выход третьего аналого-о вого мультиплексора 13 соединен со вторым входом первого аналогового мультиплексора б, а третий выход третьего аналогового мультиплексора 13 соединен со вторым входом второго35 аналогового мультиплексора 7. Вход порогового элемента 16 соединен с пятым выходом третьего аналогового мультиплексора 13. Контактное перо 17 снабжено эластичным электропроводящим наконечником 18, Выход порогового элемента 16 соединен с соответствующим входом блока 11. Блок 11 соединен микропроцессорной шиной 19 с внешними по отношению к устройству блоками - д 5 микропроцессором 20 и блоком 21 памяти, Сенсорная клавиатура 22, выполненная на внешней поверхности верхней стеклянной панели 2 ЖКИ 1, содержит систему ортогональных прозрачных коор.5 О динатных электродов 23 и 24, изолированных между собой диэлектрическими элементами 25, в узлах пересечения которых размещены сенсорные элементы 26, состоящие из двух изолированных)5 друг от друга и лежащих в одной плос-. кости прозрачных проводящих площадок 27, которые соединены с соответствующими координатными электродами 23 и 24, образующими узлы пересечения. Каждый из К координатных электродов 23 соединен с одним из М строчных электродов 4, а каждый из Ь координатных электродов 24 соединен с одним из М столбцовых электродов 5. Элементы сенсорной клавиатуры 22 выполнены оптически совмещенными с сеткой столбцовых 4 и строчных 5 электродовПороговый элемент 16 и контактное перо 17 относятся к блоку 28 считывания,В качестве матричного ЖКИ 1 используется индикатор на основе фазового холестерико-нематического перехода (ХНП), который наблюдается в гомеотропно ориентирующей жидкокристаллической ячейке с положительной величиной анизотропии диэлектрической проницаемости. Этот переход с бистабильчым поведением тестуры холестерическо го жидкого кристалла в электрическом поле носит гистерезисный характер и обладает метастабильным состоянием в отсутствии поля, Данные особенности фазового ХНП позволяют создать матрично-адресуемый ЖКИ, работающий в режиме управляемой памяти, при этом временная диаграмма .Функционирования представляет собой последовательности синфазных и сдвинутых по Фазе управляющих импульсов с использованием двух уровней постоянных напряжений. К основным преимуществам ЖКИ на основе фазового ХНП относятся низкий уровень управляющих напряжений, широкий угол обзора (до 140 С), что связано с отсутствием поляризаторов в конструкции, ЖКИ 1, а также наличие долговременной памяти при отключении управляющего напряжения, в результате чего отпадает необходимость регенерации записанного изображения.На фиг. 2 показана конструкция матричного ЖКИ 1 с сенсорной клавиатурой 22, Элементы сенсорной клавиатуры 22 могут быть получены применением стандартных методов планарной технологии: напыления, фотолитографии и травления. При этом координатные электроды 23 и 24, а также площадки 27 сенсорных элементов 26 могут быть получены напылением пленки двуокиси олова толщинойо1700 А с последующими операциями Фотолитографии и травления, Формирующих заданную топологию на поверхности стекла. Матрица упомянутых прозрачныхэлектродов 23 и 24 является маскойВ качестве диэлектрических элементов может использоваться пленка двуокиси кремния толщиной 700 А, имеющая размеры достаточные дпя надежной изоУ5 ляции ортогональных координатных электродов в узлах их пересечения, Соединение координатных электродов 23 и 24 сенсорной клавиатуры 22 с соответствующими строчными и столбцовыми эле ктродами ЖКИ 1 при сборке может быть получено, например, применением специально отформованной металлической шины, которая с одной стороны соедине" на с металлическими выводами, образующими электрические соединения, соответственно с проводящими строчными 4 и столбцовыми 5 электродами, а с другой стороны - с координатными прово дящими электродами 23 и 24. 20Возможные варианты топологии сенсорной клавиатуры 22 показаны нафиг. 3, Варианты предусматривают различные Форматы для рабочих полей сенсорных элементов 26, обеспечивающие 25 режимы выбора отдельного знакоместа, команды, состоящей из нескольких символов или же пиктограмм, имеющие формат 16 х 16 точек изображения матричного индикатора. При уменьшении размеров контактных площадок 27 сенсорных элементов 26 и увеличении числа координатных электродов до выполнения условия П = К; М = 1 сенсорная клавиатура 22 модифицируется в сенсорный экран, позволяющий обеспечивать с по 35 мощью контактного пера 17 блока 28 считывания графический ввод информации с точностью ф 1 точка изображения по горизонтали и вертикали что впол 40 не достаточно для многих практических применений дисплея, В этом случае сенсорным элементом 26 является сам узел пересечения ортогональных координатных электродов 23 и 24, а площадками сенсорного элемента являются участки площади координатных электродов 23 и 24, находящихся в узле пересечения, как показано на фиг, 3. Логика работы первого 6 и второго 7 аналоговых мультиплексоров одинакова. Первый б, второй 7 и третий 13 аналоговые мультиплексоры представляют собой совокупность транзисторных КМОП- ключей (не показаны).55 Устройство работает следующим образом. Управление работой устройства врежимах записи изображения и сканиро 1603409 6вания сенсорной клавиатуры осуществляется микропроцессором 20 по программехранящейся в блоке 21 памяти,Блок 11 обеспечивает сопряжение сФмикропроцессором 20 и блоком 21 памяти, а также обеспечивает прием ивыполнение команд управления, приемданных и передачу их в регистр 10 приема информации. Данные при этом поступают по информационным шинам, связывающим блок 11 и регистр 10 приема информации, а запись осуществляется сигналами управления, поступающими изблока 11,Данные, соответствующие строке. изображения, последовательно, побайтно или пословно записываются в регистр10 приема информации, имеющий П разрядов, каждый из которых соответствуетсвоему элементу изображения в записываемой строке, По сигналу управленияблока 11 производится перезапись содержимого регистра 10 приема информации в буферный регистр 8, имеющий также П информационных разрядов. Наличиебуферного регистра 8 позволяет совместить процесс записи строки изображения с приемом следующей строки изображения в регистр 10 приема информации. Перед проведением. пррцесса записи изображения производится начальная установка блока 9 управления выборкой строк. Блок 9 управления выборкой строк представляет собой сдвиговый регистр на М разрядов. Начальному состоянию сдвигового регистрасоответствует наличие на выходах всехМ разрядов состояний логического "0",В процессе записи изображения происходит сначала запись логической "1"и первый информационный разряд сдвигового регистра, затем осуществляетсяпоследовательный сдвиг, логической"1" по всем М разрядам. Начальная запись логической "1" в первый разряд.сдвигового регистра, а также последовательный сдвиг по всем М разрядамобеспечивается управляющими сигналамиблока 11. Третий аналоговый мультиплексор 13 в режиме записи обеспечивает коммутацию возбуждающих напряженийЖКИ 1. Таким образом, обеспечиваетсяподача возбуждающих напряжений ЖКИ 1 на соответствующие входы первого б ивторого 7 аналоговых мультиплексоров.Возбуждающие напряжения ЖКИ 1, соот- .ветствуннцие определенным столбцам, подаются на первый и второй входы перво- юго аналогового мультиплексора б, авозбуждающие напряжения ЖКИ 1, соответствующие определенным строкам, подаются соответственно на первый ин5второи входы второго аналогового мультиплексора 7.Перед проведением записи изображения производится начальное осветле"ние экрана в течение 10 - 20 мс подачей возбуждающих напряжений с четвертого и пятого выходов генератора 15возбуждающих напрякений на столбцовые5 и строчные 4 электроды. Этот процессобеспечивается управляющим сигналомблока 11, который подается на соответствующие входы управления первого 6и второго 7 аналоговых мультиплексоров, при этом соответствующие напряжения возбуждения ЖКИ 1 с соединенныхтретьих и четвертых входов первого би второго 7 аналоговых мультиплексоров подаются соответственно на всестрочные 4 и столбцовые 5 электроды,При записи каждой из М строк эффективные действующие напряжения обеспечивают изменение оптических состояний элементов выбранной строки в соответствии с состоянием информационныхвыходов буферного регистра 8. Приэтом изменяются оптические состоянияэлементов выбранной строки, которымсоответствует, например, логическая"1" буферного регистра 8. Оптическоесостояние элементов невыбранных строк35в процессе записи не изменяется,После завершения процесса записи изображения на матричном ЖКИ 1 по управляющим сигналам блока 11, поступающих на входы управления третьего ана" логового мультиплексора 13, производится изменение его коммутации для рекима нулевой фазы сканирования. В этом режиме под управлением микропроцессора 5 20 производится периодическое тестирование и анализ наличия касания проводящим наконечником 18 контактного пера 17 выбранного элемента сенсорной клавиатуры 22. Для этого по команде микропроцессора 0 соответствующими управляющими сигналами блока 11 регистр 10 приема информации, буферный регистр 8 и блок 9 управления выбор" кой строк сбрасываются в исходное55 состояние, характеризуемое наличием логического "0" на всех выходах перечисленных элементов, Наличие логического О" на всех управляющих входах первого аналогового мультиплексора 6 обеспечит прохождение сигнала со второго входа на все П его выходы. Всвою очередь логический "0" на всехМ входах второго аналогового мультиплексора 7 обеспечивает прохождениесигнала с любого из М его выходов на его второй вход. В этом случае второй вход является выходом, что обеспечивается двунаправленными транзисторными КМОП-ключами (не показаны). Далее по команде микропроцессора 20 блок 11 управляющим сигналом разрешает формирователю 14 тест-сигнала выдачу сигналов длительностью 5-10 мкс с периодом 50 мс, Тест-сигнал в соответствии с коммутацией третьего аналогового муль типлексора 13 поступает на второй вход первого аналогового мультиплексора 6 и, следовательно, на все П его выходы. Амплитудная и временная характеристика тест-сигнала обеспечивает в нулевой фазе сканирования сохранение изображения на экране ЖКИ 1. Подача тест-сигнала производится постояннодо момента касания проводящм наконечником 18 контактного пера 17 площадок 27 выбранного сенсорного элемента 26. При этом обеспечивается прохождение тест-сигнала на все П выходы первого аналогового мультиплексора 6 и на ь-й координатный электрод 23, соединенный с одной из площадок 27 выбранного сенсорного элемента 26 и соответственно на -й выход второго аналогового мультиплексора 7, а также на его второй вход. Коммутация третьего аналогового мультиплексора 13 обеспечит прохождение тест-сигнала с первого входа на пятый выход, соединеный со входом порогового элемента 16. На. выходе порогового элемента 16 в исходном состоянии - логический "0". Тест-сигнал вызывает изменениесостояния выхода порогового элемента 16. Состояние выхода порогового элемента 16 контролируется микропроцессором 20, что будет распознано как наличие касания и команда для осуществления первой и второй фазы сканирования, в процессе которых будет определяться позиция (координаты) выбранного элемента сенсорной клавиатуры 22. Для осуществления первой фазы сканирования, в которой определяется координата выбранного элемента, по команде микропроцессора 20 управляющим сигналом блока 11 производится изме1603409 10 О электрод 23 сейсорной клавиатуры 22. Далее по командам микропроцессора 20 и управляющим сигналам блока 11 бло ком 9 будет осуществляться последовательное подключение выходов второго мультиплексора 7 через третин мультип.лексор 13 ко входу порогового элемента 16. После каждого подключения микропроцессор 20 производит анализ состояния выхода порогового элемента 16. При подключении 1-го координатного электрода 24 клавиатуры 22, соответствующего выЬранному сенсорному элементу, положительный потенциал через ключи второго 7 и третьего 13 мультиплексоров поступает на вход порогового элемента 16 и изменяет состояЪние его выхода. Микропроцессор при этом определяет координату У выЬранного сенсорного элемента 26, после чего запоминает числа, соответствующие координатам Х и У выбранного элемента 2 ь в блоке 21 памяти и произво-дит через блок 11 подачу сигнала назуммер 12, извещающий об окончаниисканирования. Иикропроцессор 20 производит после этого проверку окончаниякасания площадок выбранного сенсорного элемента путем подачи тест-сигнала.Состояние управляющих входов регистра10, буферного регистра 8 и мультиплексоров 6, 7 и 13 сохраняется неизменным до сохранения контакта контактного пера 7 с площадками 27, а тест сигнал будет проходить на вход порогового элемента 16, состояние выхода которого контролируется микропроцессором 20. При появлении на выходе порогового элемента 1 Ь состояния логического "0" регистры 8 и 10, блок 9 имультиплексоры 6 и 7 управляющими сиг.налами блока 11 переводятся в исходное состояние, соответствующее хранению изображения на экране ЖКИ 1. Приэтом на всех электродах 4,5,23 и 24поддерживается нулевой потенциал. Микронроцессор производит интерпретацию полученного кода, соответствующего 11 будет производиться перезапись со 25,вход первого аналогового мультиплек"сора 6 и в каждом такте сканированиябудет последовательно проходить спервого по М-й его выходы. Блок 9 управления выборкой строк, а также второй 30 35 40 50 55 нение коммутации третьего аналоговогомультиплексора 13 для данного режимаработы, а также изменение режима работы регистра 10 приема информации.Регистр 10 переводится в режим работысдвигового регистра, затем производится запись логической "1" в его первыйразряд. В процессе первой фазы сканирования по управляющим сигналам блока 11 производится сдвиг логической "1" регистра 10 приема информации в сторону старших разрядов. После каждого сдвига соответствующим сигналом блока держимого регистра 10 приема информации в буферный регистр 8. Синхроннопо команде микропроцессора 20 в соответствии с управляющим сигналом блока11 на выходе формирователя 14 тестсигнала будет Формироваться сигналдлительностью 5-10 мкс,В соответствиис логической работы третьего аналоговаго мультиплексора 13 этот импульс с его первого выхода попадет на первый аналоговый мультиплексор 7 в этом режиме сохраняют предыдущее состояние.Как только в процессе первой фазысканирования тест-сигнал появится на х-ом выходе первого аналогового мультиплексора и, следовательно, на -омкоординатном электроде 23, замкну-.тым на электрод 24, он появится на-ом выходе второго аналогового мультиплексора 7. В соответствии с логикой рабоы второго аналогового мультиплексора 7 тест-сигнал пройдет наего второй вход и на вход пороговогоэлемента 16, состояние которого в соответствии с импульсом на его входебудет логической "1". Это состояниемикропроцессор 20 распознает как фактнахождения первой координаты Х выбранного сенсорного элемента, Координата будет определяться числам сдвигов, произведенным по команде микропроцессора 20 в первой фазе сканирования. Для определения второй координаты производится вторая фаза сканирования. Для этого по команде микропроцессора 20 блоком 11 производитсяизменение коммутации третьего аналогового мультиплексора 13. Состояниерегистра 10, буферного регистра 8 и мультиплексора 6 сохраняются неизменными во второй фазе сканиронания. На выходе формирователя 14 импульсов поуправляющему сигналу блока 11 установится положительныи потенциал, который будет сохраняться в течение всеи второй разы сканирования, Этот потенциал с -го выхода мультиплексора 6 бу- ч дет поступать на 1"и координатныи лозиции выбранного сенсорного элемен11 в 160340 та и может выполнять операции по обработке изображения,11 роцесс сканирования осуществляется достаточно быстро,.Например, для сканирования поля5 клавиатуры размером 20 х 20 сенсорных элементов 26 требуется че более 400- 500 мкс, Для графического сенсорного дисплея процесс сканирования аналогичен и для Формата 200 х 200 точек изображения займет не Цолее 40-50 мс.Изменение состояний столбцовых 5 и строчных 4 электродов в процессе сканирования не приведет к изменению качества изображения, поскольку амплитуды действующих сигналов не превышают пороговых значений, приводящих к изменению состояния элементов матричного 1 ККИ 1, 20 Формула изобретения Устройство для ввода-вывода графической инйормации, содержащее матрич ный жидкокристаллический индикатор (ЖКИ), первый аналоговый мультиплексор, выходы которого соединены с вертикальными электродами БКИ, второй аналоговый мультиплексор, выходы кото- З 0 рого подключены к горизонтальным электродам 11(КИ, регистр приема информации, выходы которого соединены с инФормационными входами буйерного ре" гистра, выходы которого подключены к инйормационным входам первого аналого 35 вого мультиплексора, блок управления выборкой строк, выходы которого соединены с управляющими входами второго аналогового мультиплексора, блок обмена инйормацией, одни из выходов которого подключены к инйормационным входам регистра приема информации, а другие выходы соединены с управляющими входами регистра приема информа 9 2ции, буферного регистра, блока управления выборкои строк, первого и второго аналоговых мультиплексоров, игенератор возбуждающих напряжений,блок считывания, выход которого соединен с управпяющим входом блока обмена информацией, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что, с целью повышения точности и надежности устройства, оносодержит Формирователь тест-сигнала,третий аналоговый мультиплексор имаску, выполненную в виде матрицы прозрачных электродов, в узлах пересечения которых расположены сенсорныеконгактные .элементы, строчные истолбцовые электроды маски соединенысоответственно с горизонтальными ивертикальными электродами ЖКИ, выходФормирователя тест-сигнала соединенс входом тест-сигнала третьего анало"гового мультиплексора, первый второйи третий выходы генератора возбуждающих напряжений подключены соответственно к первому, второму и третьемууправляющим входам третьего аналогового мультиплексора, первый и второйвыходы которого подключены к первомуи второму управляющим входам первогоаналогового мультиплексора, третий ичетвертый выходы которого соединеныс четвертым выходом генератора возбуждаюших напряжений, пятый выход которого подключен к третьему и четвертому управляющим входам второго аналогового мультиплексора, первый и второй управляющие входы которого соединены соответственно с третьим и четвертым выходами третьего аналоговогомультиплексора, четвертый управлякоцийвход которого подключен к соответствующему выходу блока обмена информацией, причем задающий вход блока считывания соединен с пятым выходом третьего аналогового мультиплексора, 16034091 б 03409 чипорович Корректор Т. Малец ев едакто ка исн изводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул Га 101 87осударстве1 ного 035,оставитель Т,ехред М,Ходани Тираж 560омитета по изобретениям и о осква, Ж, Раушская наб.,рытиям при 4/5