Passendes TFT-Modul richtig bauen

Natürlich kann eine HMI-Anwendung um das Display herum entwickelt werden. Eine Alternative dazu ist, das Display anzupassen und eine Baugruppe zu entwerfen, die alle Aufgaben des Human-Machine-Interface übernimmt. Hinzu kommt, dass selbst große Display-Hersteller eine Produktlebensdauer von lediglich drei bis fünf Jahren garantieren. Für Projekte in der Industrie und Medizintechnik ist dies wegen der langen Entwicklungs- und Zertifizierungszyklen zu kurz. Mit der anwendungsspezifischen Lösung kann eine deutliche längere Lebensdauer abgebildet werden. Wird zum Beispiel das Display-Glas nicht mehr hergestellt, kann der Hersteller auf ein ähnliches Produkt zurückgreifen. Der Kunde erhält ein in Form-Fit-Function kompatibles Modell, das keine Änderungen in der systemseitigen Hard- oder Software erfordert und damit die Verfügbarkeit deutlich verlängert.

Wie entsteht ein Display?

Neben den großen Display-Herstellern, die sich auf Standard-Modelle und großvolumige Märkte wie Consumer und Automotive konzentrieren, haben sich so genannte Module Maker etabliert. Sie kaufen bei einem Panel-Hersteller ein Mutterglas eines Standard-Displays. Ein Mutterglas ist wie eine Tafel Schokolade, von der man einzelne Stücke abbrechen kann. Die einzelnen Panels sind wohldefiniert, das heißt sie tragen die Strukturen für das Einzeldisplay und die komplette Verdrahtung für Zeilen und Spalten und den Display-Controller-Treiber. Ausgehend vom Mutterglas entwickeln Module Maker komplette TFT-Lösungen, die in hohem Maße kundenspezifisch konfektionierbar sind.

Die Muttergläser tragen eine größere Anzahl an Einzeldisplays. Die exakte Anzahl hängt von der Prozessgröße ab, in der die Muttergläser gefertigt werden, und den Abmessungen eines Einzeldisplays. Beim Mutterglas sind die beiden Gläser, nämlich Elektroden und Farbfilter, aus denen das fertige Display bestehen wird, bereits miteinander verklebt. Als erstes wird der passende Flüssigkristall eingefüllt, danach werden die Muttergläser vereinzelt. In den folgenden Schritten werden nur noch individuelle Gläser verarbeitet.

Dem Display-Panel fehlen noch Polfilter auf Vorder- und Rückseite und der Chip, die in Folgeprozessen aufgebracht werden. Für den elektrischen Anschluss wird eine Flexfolie auf das Glas geklebt, und das Backlight mit dem Display verbunden.

Exkurs: Was macht ein Display-Controller?

Der Display-Controller ist hauptsächlich für die Kommunikation zum Host zuständig. Er bietet eine Standard-Schnittstelle, zum Beispiel Datenbus, parallel (RGB), MIPI, SPI oder I²C. Während beim Betrieb an einer RGB-Schnittstelle neue Daten mit der Wiederholfrequenz des Displays (60 Hz) eingeschrieben werden müssen, füllen die anderen Schnittstellen den integrierten Bildspeicher (frame buffer), der den Displayinhalt lokal speichert, so dass die CPU nur bei Änderungen neue Informationen senden muss. Mit verschiedenen Kommandos kann die Betriebsart, wie der Speicher ausgelesen werden soll, von der CPU modifiziert werden. Manche Controller beinhalten Funktionen zum Zeichnen von Grafikprimitiven (Linie, Rechteck, Bitmap), was die Host-CPU entlastet. Mit Hilfe einer Lookup-Table kann die Wiedergabe von Farbstufen beeinflusst werden.

Der Display-Treiber sorgt dafür, dass der im Bildspeicher befindliche Inhalt ausgelesen und periodisch an das Display mit den korrekten Spannungspegeln weitergegeben wird. Die dafür erforderlichen Spannungen werden über eine eingebaute Ladungspumpe erzeugt und über eine interne Widerstandskette fein für die Graustufen eingestellt. Die Spannungen hängen von der elektro-optischen Kennlinie des Displays ab und müssen für jeden Typ neu festgelegt werden.

Kompakte Displays bis zur Auflösung von etwa Viertel-VGA (320x240) werden von einem Single Chip-Controller/Treiber angesteuert, der in einem einzigen Chip alle Funktionen vereint. Ein typischer Chip (siehe Blockschaltbild in Abbildung 3) hat über 1.000 Kontakte. Dieser wird in einem Chip-on-Glass-Prozess auf dem Glas verklebt.

Individuelle Anpassung

Für Projekte bereits ab 1.000 Stück können Anpassungen durchgeführt werden, bei denen sich die zusätzlichen Kosten lohnen, um das TFT-Modul individuell zu gestalten (zum Beispiel Deckglas) oder an die Anwendung (zum Beispiel Interface) anzupassen. Welche Möglichkeiten es gibt, listet der folgende Abschnitt auf.

Flüssigkristall und Polfilter

Da die TFT-Zelle ohne Polfilter und Flüssigkristall geliefert wird, können im Rahmen ihrer eigenen Spezifikation Materialien ausgewählt werden, die bestimmte Eigenschaften haben. Bei manchen Projekten muss ein erweiterter Temperaturbereich garantiert werden, bei anderen kommt es eher auf die Ersparnis an, wenn ein normaler Polfilter verwendet wird.

Backlight

Hat man das Modul gefunden, das alle gewünschten Parameter erfüllt, fehlt es vielleicht noch an der Helligkeit, die für den Einsatz im Außenbereich erforderlich ist. Durch Ersetzen der LED-Typen oder dem Design eines Backlights mit mehr LEDs kann die Helligkeit gesteigert oder die Lebensdauer (Halbwertszeit) des Backlights erhöht werden.

Die Systemintegration wird einfacher, wenn sich der Wandler für die LEDs gleich auf dem Modul befindet, und das Backlight mit einer festen Spannung betrieben und dessen Helligkeit über ein PWM-Signal gedimmt werden kann.

Controller-IC und Schnittstelle

Auch wenn das TFT-Glas für einen bestimmten Controller-Chip ausgelegt ist, gibt es für manche kompatible Typen. Sie können eine Schnittstelle haben, die besser in das System passt oder andere Eigenschaften, wie zum Beispiel einen Sleep-Mode mit Auffrischung des Display-Inhalts in geringeren Raten, oder einen Bildspeicher, der die CPU entlastet.

Design der Flexfolie

Für die mechanische Integration sollte die Flexfolie möglichst dort im Gerät landen, wo sich der Anschlussstecker für das Display befindet. Unter Umständen muss die Steckerbelegung an das Vorgängermodell angepasst werden, um Hardwareänderungen im Gerät zu vermeiden.

Besonders einfach wird die Anwendung, wenn alle Komponenten – Display, Touchscreen und LED-Backlight auf einen einzigen Steckverbinder geführt werden. Dadurch wird die Montage vereinfacht, und Fehlerquellen werden minimiert.

Design des Deckglases

Bei professionellen Anwendungen wird das empfindliche Display immer mit einem Deckglas geschützt – die Frontseite wird vom Polfilter gebildet, der empfindlich gegenüber Kratzern und Feuchtigkeit ist. Ob sich hinter dem Deckglas noch ein Touchscreen befindet, spielt dabei keine Rolle. Das Deckglas kann bedruckt werden, im einfachsten Fall ist dies eine schwarze Maske, die den Rand des Displays kaschiert. Die Bedruckung liegt dabei hinter dem Glas, so dass sie kratzfest ist und sich im Betrieb nicht abnutzt.

Die Farbe der Bedruckung kann beliebig gewählt werden, mit so genannten keramischen Farben wird sie eingebrannt und widersteht extremen Temperaturen genauso wie permanenter UV-Bestrahlung im Außenbereich. Auch Größe und Form des Glases sind beliebig – abgerundete Ecken und geschliffene Kanten gehören zum Standard-Repertoire.

Optical Bonding

Für höchste Darstellungsqualität auch in schwierigen Lichtverhältnissen wie in Montagehallen mit Deckenbeleuchtung oder im Außenbereich wird das Deckglas nicht mit einem umlaufenden Klebeband, sondern vollflächig mit dem Display verklebt. Dadurch werden Reflexionen des einfallenden Lichts deutlich reduziert. Ein angenehmer Nebeneffekt ist die Abdichtung, so dass weder Staub noch Feuchtigkeit in den Spalt zwischen Display und Deckglas eindringen können.

Integration eines Touchscreens

Soll das Display interaktiv eingesetzt werden, wird hinter das Deckglas ein Touchsensor laminiert. Der Touchscreen verwendet in den meisten Fällen die PCAP-Technologie, bei der kleinste Änderungen der Kapazität als Touch-Ereignis ausgewertet werden. Seine Funktion kann in weiten Bereichen parametriert werden – von der Einfinger-Bedienung bis hin zur Gestensteuerung, von der Bedienung mit Arbeitshandschuhen bis hin zur Benetzung mit Wasser und anderen Flüssigkeiten.

Für beste optische Performance und elektrische Funktion wird der Touchsensor mit dem Frontglas laminiert und dieser Verbund mit dem Display-Modul verklebt. Hier besteht der Freiheitsgrad, die Verklebung mit einem umlaufenden Klebeband oder durch optisches Bonding herzustellen. Aktuelle Technologien wie OCA ermöglichen auch nach der Fertigung eine Reparatur im Werk, ohne die beteiligten Komponenten zu beschädigen oder zu zerstören.

Auswahl des Touch-Controllers

Die oben erwähnten Funktionen werden mit der Auswahl eines geeigneten Touch-Controllers realisiert. Er wird ebenfalls auf der Flexfolie des Displays integriert. Mit einem High-Performance-Controller können alle Anwendungsfälle abgedeckt werden, ist die Applikation einfach (nur ein Finger, keine Umwelteinflüsse), können mit einem einfachen Controller die Kosten niedrig gehalten werden.

Zusätzliche Sensoren

Durch die variable Bedruckung der Glasoberfläche kann ein Sichtfenster für einen Sensor freigehalten werden, der die Umgebungshelligkeit misst und die Displayhelligkeit beeinflusst. Auch eine Fotodiode für eine Infrarot-Fernbedienung kann im Deckglas eingebaut werden. Ein Präsenzdetektor schaltet das Display nur dann ein oder auf volle Helligkeit, wenn sich ein Bediener davor befindet.

Zusätzliche Tastflächen

Soll ein grafisches HMI mit zusätzlichen Tasten versehen werden, kann die Auswerte-Elektronik dazu auf der Flexfolie integriert werden. Ein separater Aufbau für Lautstärke, ein/aus oder den Reinigungsmodus wird überflüssig.

Indikator-LEDs

Ebenso wie zusätzliche Tastflächen können hinter dem Glas LEDs integriert werden. Sie können sowohl umlaufend als ein Ambiente-Beleuchtung als auch individuell für die Anzeige von Betriebszuständen verwendet werden. Besonders geeignet sind dafür auch Mehrfarb-Dioden, die mit Hilfe einer bestimmten Farbe verschiedene Maschinen-Zustände anzeigen können.
In Tabelle 1 sind verschiedene Bereiche aufgelistet, in denen ein TFT-Modul modifiziert werden kann, um genau auf die Anwendung zu passen.

Fazit

Ein TFT-Modul muss nicht immer dem Standard entsprechen. Mit sogar nur kleinen Modifikationen lässt es sich genau auf die Anwendung zuschneiden: von der Helligkeit über das Interface bis hin zum Touchscreen und zusätzlichen Bedienelementen. Dabei ist systemseitig keine umfängliche Konstruktion erforderlich, denn alles ist bereits auf dem Modul integriert und wird über eine einzige Flexfolie mit dem System verbunden. Durch den Einsatz einer Standard-TFT-Zelle sind die Stückzahlen für einen lohnenden Einsatz gering, und auch die Kosten für die Modifikationen sind überschaubar.