触控显示屏的抗恶劣环境设计

触控显示屏的抗恶劣环境设计

摘要:针对恶劣环境下对触控显示屏应用的迫切需求,通过抗振设计、热设计、电磁兼容设计、三防设计,设计了一种以LED液晶屏为原型的触控显示屏,该设计已应用到实际产品上,在不同恶劣环境下设备运行可靠稳定,该设计可以为恶劣环境下的产品设计提供参考。

关键词:触控显示屏,抗恶劣环境,抗振,电磁兼容,三防

本文将通过采用成熟流行技术,以20.1英寸LED液晶屏为原型,选用成熟工业级或军用级器件,针对各功能件的薄弱环节,进行抗恶劣环境设计,通过抗振设计、热设计、电磁兼容设计、三防设计等,使其符合高温、高湿、复杂电磁及振动等恶劣环境的使用要求。

1系统组成及工作原理

触摸输入技术事实已经非常普及,原理其实很简单,电气解决方案都很成熟,简单地说,只是在显示器上安装了触摸设备,成为带有触摸功能的显示器。触控显示屏主要由液晶显示屏、视频处理模块、电源模块、红外触控模块、恒流源、薄膜开关及对外连接器组成。来自外部的视频信号通过接口连接器进入视频处理模块,由视频处理模块完成外部信号的预处理,输出到视频处理模块的主处理器,由视频信号处理器处理转换为液晶显示屏所需时序的LVDS信号,由液晶显示屏显示相应画面;视频处理接收到控制按键的触发信号后,其视频信号处理器自己生成OSD菜单画面信号,该信号与经处理转换的视频信号叠加在一起,通过LVDS信号线传输至液晶显示屏,由液晶显示屏显示外部输入视频信号画面和OSD菜单;此时通过控制按键可调节显示器显示画面亮度、对比度等参数。电源模块将输入工作电源转换为+12V直流电,分别为视频处理模块和恒流源模块供电;恒流源接收到视频处理模块发送的使能信号后开始工作,输出稳定电流至液晶显示屏,为液晶显示屏供电;红外触摸屏通过对外连接器与外部终端连接;外部终端可通过显示器的专用接口与视频处理模块通讯,直接调整显示器的亮度,对比度等参数。

2总体设计

显示器采用整体密封设计,分为前面板、中盖和后盖;前面板用于安装薄膜按键、红外触控模块、绑定的液晶显示模块,中盖安装电源模块、恒流源、视频处理模块以及对外连接器,后盖通过导热橡胶垫与电源模块接触,便于电源模块散热。为保证触控显示屏能在恶劣环境下稳定工作并质量可靠,配套的所用主要器件,均选用成熟可靠的工业级以上器件,接口连接器因直接与恶劣环境接触,采用高可靠抗恶劣环境的军用圆形连接器。主要器材选型见表1。

3抗振设计

3.1显示屏的抗振设计

显示屏的面积较大,抗振性较差,为保证显示屏显示面有足够强度,将液晶屏、防反防爆玻璃、触控传感器通过特殊胶粘合在一起,使之成为一个整体,能有效提高显示屏刚度。对显示屏进行有效保护,满足恶劣环境下的使用需求。采用二级减振设计提高整屏的固有频率。第一级减振:采用“悬浮”设计,设计内框固定绑定屏,绑定屏与内框间采用柔软性材料填充。第二级减振:设计压板,将绑定屏固定在前面板上,绑定屏与压板、前面板之间用柔软性材料填充,其安装方式见图3。

3.2电路板的抗振设计

内部电路板采用自研设计,采用板厚至少2mm的印制板,设计较多安装螺钉固定位置,选用高等级表贴器件,提升电路板的抗振能力。对于外购的部分电路板,其自身板幅较小,设计有四个安装螺孔,可基本满足抗振要求,另外为增加其抗振能力,是在其周边设计环氧板固定座,增加固定点,限制位移空间,从而提高其抗振能力。

4热设计

4.1加热设计

限制液晶显示器使用的最大问题是它可适应的温度范围太窄,当工作温度低于0℃时,液晶材料就会变成粘稠状,甚至于会“结冰”;而且用冷阴极荧光管(CCFL)作背光源,冷阴极荧光管在温度小于0℃时,不仅会降低亮度,而且还降低了它的使用寿命,其在20~40℃条件下最亮,背光源亮度输出与环境温度关系见图4。为了提高液晶显示器的低温工作时的显示性能,采用自动加温控制技术,对液晶屏和背光源进行快速加温,使其满足在低温状态下的使用需求。温控电路由温度传感器、比较器、微处理器(MPU)、切换电路、电热膜、电源等组成。

4.2散热设计

触控显示屏采用全密封式加固方式,能避免外部水汽进入显示屏内部,影响正常运行,但密封设计让外部空气直接带走工作时发出的热量,容易导致积热,电路板工作环境升温,影响工作稳定。为达到良好的散热效果,在显示屏内部安装有两个低功耗直流风机,增加内部对流换热,避免局部过热,通过将内部热量均匀传递至设备壳体,通过辐射散热将热量散出,为提高散热效果,将后盖设计为散热片形状,以增加散热面积。电源模块和视频控制板时主要的发热器件,工作时电源板功率为40~50W,最好的散热方式是让风直接通过电源板表面以带走热量,从而降低电源板温度;视频处理模块则采用“冷板”散热方式,增加电路板上主处理芯片散热面积。

5电磁兼容设计

触控显示屏内部功能模块较多,电磁环境相对复杂,根据电磁发射和敏感度要求与测量的有关要求,为保证产品的电磁兼容性,减少或消除设备内及设备间的电磁兼容干扰、提高设备抗干扰的能力、破坏干扰传输条件,将考虑从内部模块到整体层层进行电磁兼容性设计的方式,主要采用下列措施:1)前面板液晶屏绑定电磁屏蔽玻璃,在增强显示屏强度的同时能有效提升产品的电磁性能(理论屏蔽效能40dB);2)设备壳体进行防电磁干扰结构设计和布线设计,设备内铺设良好的接地系统,将电源地、机壳地与信号地相互隔离,防止强弱信号在地线中互相干扰;3)采用屏蔽线或双扭线,并按信号特性分开布线;对各回路的布线进行交叉,减少磁场对模块的干扰,固定在壳体的线扎采取屏蔽措施;4)设备各盖板间接触面进行导电处理,增强导电性,合理设计螺钉间距,以保证壳体与零部件间的电连接连续性;并用导电橡胶垫屏蔽和密封,建设电磁辐射的泄露。

6三防设计

三防质量是指电子产品防潮、防盐雾、防霉菌的性能,为有效提升产品在湿热、工业大气和盐雾环境条件下的抵抗腐蚀的能力,采取了如下措施:1)产品采用密封结构设计,前面板、后盖间连接处安装导电橡胶绳进行密封,防止水汽进入设备内部;2)设备壳体采用铸铝材质,表面进行高平面要求机加处理,并对壳体表面进行铝化学导电氧化后在涂镀防护漆;3)加强生产、调试管理,产品装配和测试在超净干燥间内进行,每道工序完成时需对表面浮着的杂质、加工过程的残留物、灰尘、指纹、手汗等进行清理,减少霉菌源;4)对设备内部电子器件、控制板进行涂镀三防漆,对外接口采用密封绝缘和灌封工艺,紧固件与安装螺钉选用优质不锈钢材,能有效提升防潮、防腐蚀性能。

7结束语

本设计已经在相关项目上实现应用,在不同恶劣环境下进行了测试,长时间运行可靠稳定,在应用过程中取得了良好的效果,也可为后续相关产品设计提供参考。

参考文献

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作者:唐辉 单位:江苏自动化研究所