Введение к работе
Актуальность работы. Современный этап развития общества характеризуется внедрением во все отрасли систем управления и переработки информации. Эффективность их использования в значительной мере зависит от устройств отображения информации (УО), которые стали органическим элементом современных систем. По данным Display Search мировой рынок устройств отображения в 2002 году составил 62 млрд. долл., а в 2005 году он должен вырасти до 99,6 млрд. долл.
Современные устройства отображения обеспечивают воспроизведение больших объемов информации, изменяющейся с высокой скоростью. Информационная емкость УО, как правило, не менее 10* цветных элементов, которые высвечиваются со значительным (>30) числом уровней яркости, скорость изменения информации в большинстве случаев совпадает с критической частотой мельканий; Основным элементом устройств отображения являются индикаторы. Наиболее часто применяемыми индикаторами являются электроннолучевая трубка, электролюминесцентные (в основном светодиодные), жидкокристаллические и газоразрядные индикаторы. Наиболее высокие темпы роста продаж (до 50% в год при 14% росте рынка дисплеев) в настоящее время приходятся на газоразрядные матричные индикаторы (ГМИ) или PDP (plasma display panels). Достоинствами этих индикаторов являются высокие яркость (до 350кд/м2), большие углы обзора (до 160*), значительная информационная емкость - до 2048x2048 элементов. Ряд фирм- Fujitsu, Panasonic, Pioneer, Philips, NHK; NEC, Toshiba идр. успешно производят индикаторы с диагональю более метра и разрешением, соответствующим стандарту SXGA.
Российский рынок ГМИ в значительной степени определяется разработками НИИ ГРП "Плазма" (г. Рязань). Используются монохромные индикаторы красно-оранжевого цвета. Для построения устройств отображения индивидуального пользования подготовлены к производству цветные индикаторы с информационной емкостью до 640x480 элементов. Экраны коллективного пользования практически любого размера и стандарта разрешения создают из отдельных индикаторов с сохранением шага элементов отображения (ЭО). Выпускаются знаковые индикаторы.
Сравнительная оценка различных типов индикаторов, проведенная отечественными и зарубежными специалистами, показала, что в настоящее время одними из наиболее перспективных являются ГМИ. Эти индикаторы являются единственными отечественными элементами, которые могут составить конкуренцию другим типам индикаторов. Совер-
шенствование ГМИ, их исследование и разработка У О на газоразрядных индикаторах успешно ведется в НИИ ГРП «Плазма», НПЦ «завода Красное знамя», «НФП Плазмаинформ», «Инко», ИПК «Электронные системы», РГРТА, (г. Рязань), «Инкотекс» (г. Москва), «ЭЛАРА» (г. Чебоксары), «ЭКТА» (г. Житомир). Хорошо известны разработки фирм NEC, Hitachi, JVC, Panasonic, Pioneer, Sony и др. Значительный вклад в разработку, исследование и применение этих индикаторов внесли коллективы, руководимые A.M. Беркутовым, СМ. Карабановым, В.А. Ко-ротченко, О.Н. Крютченко, Ю.И. Орловым, В.Г. Самородовым, A.M. Смоляровым, Ю.Д. Соколовым, Ф. М. Яблонским, О. П. Якимовым, а также J. Schermerhorn, Н. Slottow, L. Weber и др.
Газоразрядные индикаторы, обладая существенными достоинствами, имеют и недостатки: значительное время запаздывания зажигания и диапазон его изменения, большой разброс напряжения возникновения разряда. Эти недостатки обуславливает недостаточную надежность воспроизведения информации, что особенно актуально для отечественных ГМИ. Успешное применение этих индикаторов для построения высококачественных УО больших объемов информации, изменяющейся с высокой скоростью, требует проведения исследований и разработок по повышению надежности воспроизведения информации. Для повышения надежности используются два основных направления: конструктивное и/или технологическое либо системен и схемотехническое.
Изменение конструкции и/или технологии изготовления, как правило, приводит к усложнению индикаторов, удорожанию их стоимости, существенному удлинению сроков до начала использования индикаторов в устройствах отображения. Улучшение характеристик индикаторов за счет совершенствования конструкции и технологии требует значительных капитальных вложений, что в ряде случаев, в частности, для отечественных производителей, в настоящее время практически невозможно. При этом ЭО ГМИ принципиально сохраняют присущие этому типу приборов задержки включения, а также значительный разброс напряжения возникновения разряда.
Более предпочтительно повышение надежности системо- и схемотехническими методами, когда необходимые характеристики УО обеспечиваются соответствующим выбором способа и/или устройства формирования изображений.
Распространенные способы и устройства воспроизведения изображений на ГМИ, устройства коммутации шин в большинстве случаев построены по традиционным принципам и не учитывают свойства, присущие газоразрядным индикаторам, в частности, запаздывание возникнове-
ния разряда, взаимодействие между элементами и др. Параметры индикаторов, определяемые изготовителями, не отражают свойства, значительно влияющие на надежность воспроизводимых изображений. Существующие показатели качества отображаемой информации не могут быть использованы разработчиками устройств формирования и развертывания изображений на газоразрядных индикаторах. Отсутствуют математические модели определения надежности формируемых изображений и поэтому нельзя осуществить объективный анализ, определить принципы формирования и развертывания изображений, учитывающие свойства, характерные для газоразрядных матричных индикаторов.
Цель работы - разработка и исследование высоконадежных способов и устройств отображения больших объемов информации, изменяющейся с высокой скоростью, на газоразрядных матричных индикаторах. Для достижения поставленной цели необходимо последовательно решить следующие основные задачи:
систематизировать и обобщить параметры ЭО ГМИ, показатели качества формируемых изображений, методы определения надежности воспроизведения изображений, способы и устройства формирования и развертывания изображений, узлы коммутации шин и УО информации на газоразрядных индикаторах;
выявить и исследовать свойства элементов отображения газоразрядных индикаторов, влияющие на качество отображения информации;
разработать систему объективных показателей и аналитические методы определения надежности формирования изображений, провести анализ надежности воспроизведения информации;
определить принципы формирования и развертывания изображений на газоразрядных индикаторах, обеспечивающие надежное воспроизведение информации;
разработать и усовершенствовать способы и устройства, учитывающие свойства ЭО и обеспечивающие надежное воспроизведение изображений;
- провести экспериментальные исследования разработанных устройств.
Диссертационная работа по совокупности основных положений и
результатов может быть классифицирована как систематизация и научное обобщение параметров ЭО газоразрядных индикаторов, показателей качества формируемых изображений, методов определения надежности воспроизведения изображений, способов и устройств формирования и развертывания изображений и представляет собой новое научное достижение в разви-
тии актуального направления - разработке и производстве надежных, конкурентоспособных УО больших объемов информации, изменяющейся с высокой скоростью, выполненных на основе ГМИ.
Достоверностьполученныхрезультатовиобоснованностьна-учныхположений подтверждаются соответствием результатов теоретических и экспериментальных исследований, совпадением результатов исследований при альтернативных подходах, расчетами для очевидных и проверенных ситуаций, математическим моделированием и физическим макетированием, а также многолетней эксплуатацией различных устройств, основанных на теоретических и технических идеях диссертационной работы.
Методы исследований. При исследованиях характеристик газоразрядных матричных индикаторов использовался аппарат математической статистики и теории вероятностей. Для решения поставленных задач привлечены классическая теория надежности, теория массового обслуживания, методы статистических испытаний, дифференциальных уравнений, рядов. Синтез и анализ способов и устройств формирования изображений осуществлялся с использованием двоичной алгебры логики. Определение функций и параметров распределений, расчеты и моделирование производились на ЭВМ. Для подтверждения теоретических выводов использовались экспериментальные исследования.
Научная новизна работы заключается в следующих положениях:
систематизации параметров, характеризующих свойства ЭО ГМИ, показателей качества воспроизведения изображений, аналитических методов и статистических моделей определения надежности отображения информации, способов и устройств формирования и развертывания изображений, узлов коммутации шин и УО информации на ГМИ;
установлении и комплексном исследовании параметров ЭО ГМИ, влияющих на качество формирования изображений. Для этого разработаны способы и устройства отбора элементов на информационном поле индикаторов, измерения их параметров и наглядного представления результатов исследований;
разработке системы показателей качества изображений, воспроизводимых на газоразрядных индикаторах;
разработке аналитических моделей определения надежности воспроизведения изображений на ГМИ, которые впервые позволили различными методами (с помощью интегральных уравнений, систем диф-
ференциальных уравнений, матричным методом и на основе конечных моментов) аналитически описать функционирование элементов отображения с учетом взаимодействия между ними и проанализировать надежность отображения информации;
разработке численных методов расчета надежности воспроизведения изображений на основе статистического моделирования процессов зажигания;
определении принципов формирования и развертывания изображений, обеспечивающих надежное воспроизведение информации;
разработке способов, комплекса устройств формирования и развертывания изображений, узлов коммутации шин и устройств отображения, обеспечивающих надежное воспроизведение графических, знаковых, зна-кографических и видео изображений на газоразрядных индикаторах постоянного и переменного тока.
Научные положения, выносимые на защиту
Система параметров, характеризующих свойства ЭО ГМИ, показателей качества воспроизведения изображений, аналитических методов и статистических моделей определения надежности отображения информации, способов и устройств формирования и развертывания изображений на ГМИ, узлов коммутации шин и УО информации;
Методы и устройства определения времени запаздывания и напряжения зажигания, наглядного представления результатов исследований и экспериментально полученные характеристики индикаторов различных типов.
Система показателей надежности воспроизведения изображений на ГМИ и аналитические модели определения вероятностей зажигания ЭО с учетом взаимодействия между ними.
Методы расчета надежности воспроизведения изображений на основе статистического моделирования процессов зажигания.
Принципы формирования и развертывания изображений на ГМИ, обеспечивающие надежное воспроизведение информации.
Способы формирования изображений, УО информации, комплекс узлов формирования и развертывания изображений, обеспечивающие высокую надежность зажигания ЭО, а также высокие технические и эксплуатационные характеристики по эргономике, точности, функциональным возможностям, технологичности.
Практическая значимость и реализация результатов
Разработанные аналитические методы и модели статистического моделирования, алгоритмы и программы определения надежности воспроизведения изображений на ГМИ позволяют объективно оценивать характеристики индикаторов, узлов формирования и развертывания изображений и УО информации.
Разработанные и изготовленные устройства измерения характеристик индикаторов обеспечивают достоверное определение параметров и используются при производстве и выборе рациональных режимов работы ГМИ.
Изготовленные и переданные для практического использования на различных предприятиях устройства, реализующие разработанные способы формирования и развертывания изображений, в частности, устройства отображения графической и знакографической информации, анализатор логических состояний, экраны для отображения знаковой информации, контроллеры развертки для отображения видеоизображений обеспечивают надежное воспроизведение информации. Переданные в эксплуатацию Устройства по своим характеристикам превосходят существующие аналоги, что подтверждается данными, опубликованными во многих работах, заключениями специалистов.
Практически все теоретические и экспериментальные исследования по надежности воспроизведения изображений выполнены в рамках НИР и ОКР в соответствии с решениями правительства СССР, РФ на Государственный оборонный заказ (№35-2 от 22.1.03). Важнейшие из них: НИР № 46-75 «Разработка и исследование устройства отображения на ГИП», № 71-76 «Исследование и разработка принципов построения газоразрядного матричного индикатора повышенной надежности», № 38-77 «Разработка индикатора на базе ГИП переменного тока», № 55-80, № 48-81, №57-83 -«Резистор РВО» - «Исследование динамических характеристик ГИПП и создание прибора на ее основе», №55-85, №55-87 - «Рыбец РВО» - «Комплексные исследования газоразрядных индикаторных панелей и разработка высокоэффективных устройств отображения информации», №55-89 «Разработка устройств коммутации шин газоразрядного матричного индикатора», №54-91 «Разработка алгоритмов контроля и устройств управления для индикатора «Орбита»; контракты № 02-01 «Поставка аппаратуры отображения ЭКПЦ1 -Зн», № Ц-35-05-03/1 «Поставка и монтаж табло ТХО-М(ЭКП2Ц-Зн-280)дляизделий 11К6,14К6».
Часть материалов диссертации бьиа положена в основу договоров, выполненных по инициативе автора К ним относятся договора на переда-
чу научно-технических достижений НТ2 от 26.06.80, и НТ6 от 7 04 81 и НТ5 от 14.12.85, НИР 12-95 «Исследование характеристик экрана коллективного пользования и разработка ключевых элементов для коммутации шин индикатора», НИР №27-03 «Сравнительный анализ надежности формирования изображений в экранах коллективного пользования, построенных на основе последовательной и параллельной адресации элементов».
Результаты исследований и разработок используются на предприятиях НИИ ГРП «Плазма», «Инкотекс», НПЦ завода «Красное знамя», Тирас-польском заводе литейных машин, Петровском заводе «Молот», НИИ АО, НПО «Орион», в/ч 32103 и др. (более подробно см. стр.11, 17, 22). Ряд теоретических положений и технических идей используются в РГРТА при проведении научных исследований и в учебном процессе.
Публикации и апробация. Результаты диссертации отражены в 138 научных работах, среди которых 67 авторских свидетельств и патентов РФ (8 способов), 58 статей (19 статей опубликованы в изданиях, определенных списком ВАК РФ, еще 12 - в журнале «Электронная техника», который в настоящее время не издается), 2 зарегистрированные программы (Госкоорцентр ОФАП), 11 тезисов докладов.
Материалы диссертации докладывались и обсуждались практически на всех научно-технических конференциях РГРТА с 1978 по 2004 год, Всесоюзной конференции "Отображение информации в информационных измерительных системах (Киев 1977), Ш - Всесоюзном НТС "Развитие систем и средств передачи данных для совершенствования технической базы ОГАС" (Москва, 1980), всесоюзном симпозиуме "Статистические измерения и применение микропроцессорных средств в измерениях" (Вильнюс, 1982), Ш - Всесоюзном НТС "Пути повышения надежности и стабильности микроэлементов и микросхем1' (Рязань, 1982), семинаре "Методы и средства оперативного ввода информации в вычислительных системах" (Москва, 1987), межотраслевой НТК ВНИИМИ (Москва, 1988), международной научно-технической конференции «Проблемы передачи и обработки информации в сетях и системах телекоммуникаций» (Рязань 2001, 2002), 12-th International Symposium "Advanced Display Technologies", Korolev, Moscow Region, Russia, 2003\
