Autor: Mark Patrick, Mouser Electronics

Escoger una pantalla para un sistema integrado no es tarea fácil. Hay muchos requisitos en conflicto, por ejemplo, por un lado es importante que la experiencia de usuario sea atractiva, intuitiva y luminosa, pero también es importante gestionar el perfil de consumo de potencia de un modo que contribuya a prolongar la vida de la batería entre cargas.

Este artículo analiza algunos de los requisitos de aplicaciones y limitaciones técnicas a los que se enfrentan los ingenieros al seleccionar una pantalla en un diseño integrado.

Veremos a grandes rasgos cuáles son las distintas tecnologías de visualización disponibles y pondremos algunos ejemplos de productos para entender sus características.

Interfaces humano-máquina: el diseño de la interfaz de una aplicación

Los sistemas integrados están por todas partes. Interactuamos con ellos de manera regular y, en algunos casos, como ocurre con el móvil, la interacción es casi constante. Con la excepción del tiempo que pasamos durmiendo, es probable que estemos todo el día usando estos sistemas: cuando nos levantamos, al desplazarnos, en el trabajo y en casa. Algunos ejemplos de esto son los relojes inteligentes, los microondas, los sistemas de infoentretenimiento de los coches, los panales de control industriales o la domótica.

Todos estos ejemplos tienen requisitos de funcionamiento específicos, como veremos en la siguiente sección. Para el usuario, la interfaz humano-máquina (HMI) suele consistir en una pantalla, cuyo tamaño y número de funciones depende de la aplicación. En este sentido, los móviles son la referencia: interfaces elegantes, intuitivas y sencillas que han pasado a ser una constante en otros sistemas, en las casas, los coches o las fábricas. Las HMI son una necesidad operativa, pero también se han convertido en un atractivo con el que las empresas pueden establecer su posición y marcar la diferencia.

¿Qué tipo de pantalla necesita mi aplicación?

Un equipo de ingenieros debe tener en cuenta factores diversos y, a menudo, en conflicto, al seleccionar el tipo de pantalla para la interfaz de usuario del sistema integrado. El marketing del producto estipulará la mayoría de estos desde una perspectiva operativa, pero la pantalla elegida podría imponer limitaciones técnicas en el diseño global del sistema. Por ejemplo, un panel grande de cristal líquido (LCD) podría hacer que la HMI fuese más intuitiva para un producto con batería, pero al usuario podría parecerle que el corto tiempo de funcionamiento entre cargas es un factor limitante. Aunque este artículo se centra en la visualización con pantallas, no olvidemos que, en algunas aplicaciones simples, quizá nos baste con un panel de siete segmentos y algunos botones.

Para acertar a la hora de escoger una pantalla, el equipo de ingenieros debería repasar los siguientes factores.

Entorno de funcionamiento: ¿dónde se va a usar el sistema integrado? El uso de una pantalla a la que le da el sol directamente es mucho más complicado que cuando estamos dentro de una oficina o una fábrica. Además, para que el uso de una pantalla no se resienta durante la noche (por ejemplo, en aplicaciones para barcos o aviones), la retroiluminación o el diseño de los colores debe adaptarse automáticamente. También es importante saber si el producto va a estar expuesto a factores medioambientales. La humedad y el polvo pueden estropear visualizadores táctiles, por eso la mayoría de relojes inteligentes y dispositivos de navegación personales usan botones físicos protegidos frente a la entrada de estos elementos. El ángulo de visión también es importante. ¿Dónde estará la aplicación con respecto al usuario? No podemos asumir que este se encontrará siempre justo delante de la HMI.

Complejidad de la interfaz de usuario: ¿cuál es el grado de complejidad de la HMI? ¿Se trata simplemente de controles on/off o son de un tipo más variable? ¿Habrá solo componentes de texto o habrá también controles visuales sofisticados, como en una pantalla táctil capacitiva o resistiva? Para diseñar una interfaz de usuario (IU) sencilla e intuitiva, debemos entender en detalle cómo es la experiencia de usuario (UX), lo que se considera una especialización. Una estructura de menú con muchas páginas ordenadas en sentido lógico y jerárquico contribuye a simplificar el funcionamiento. Además, si las IU mantienen una similitud en los distintos productos de una gama, contribuimos a establecer nuestras credenciales como marca líder y de confianza, algo que no debemos olvidar.

Limitaciones de espacio y carcasa: ¿cuál será el tamaño del producto final y cuánto espacio habrá para poner el sistema integrado y la pantalla? Por ejemplo, ¿hay limitaciones de espacio porque tenemos que lograr alguna certificación industrial de espacio en un armario de control eléctrico? Es posible que la pantalla deba ir ubicada tras una protección de vidrio o plexiglás en sistemas y aplicaciones que se vayan a usar en exteriores en el sector industrial o médico. En el caso de aplicaciones de consumo y para el automóvil, es preferible emplear un método de montaje elegante y en el mismo plano que la superficie. Además de la pantalla, ¿hará falta una PCI controladora independiente o podemos conectarla directamente al microcontrolador hospedador? Si la carcasa es suficientemente profunda, quizá sea posible apilar la pantalla, el controlador y el hospedador. Este método simplificaría las interconexiones entre placas, en lugar de tener que usar patillas de PCI flexibles.

Limitaciones técnicas: los requisitos para la IU y la carcasa determinarán en gran medida el tamaño de la pantalla, lo que nos revelará una serie de consideraciones técnicas. Las especificaciones eléctricas de tensión de alimentación y consumo de corriente son elementos esenciales, sobre todo en diseños con batería. La interfaz principal es otro factor importante, la mayoría precisa de una conexión serie de alta velocidad, como UART, SPI o HDMI. Una conexión I²C podría ser suficiente para pantallas pequeñas, con una menor transferencia de datos. Muchas pantallas populares se comercializan en módulos para facilitar el desarrollo y la integración, con la pantalla, el controlador, la memoria de la pantalla y el controlador táctil. En el caso de sistemas con batería o de aquellos que se usan con poca frecuencia, es aconsejable disponer de un modo en espera para la pantalla y el sistema integrado. En esos casos, habrá que asegurarse de que la aplicación y la pantalla puedan volver al funcionamiento normal rápidamente tocando la pantalla. La disponibilidad de recursos de software y un entrono de desarrollo HMI gráfico simplifican considerablemente la generación de prototipos de IU.

Tecnologías de visualización populares

Estos son algunos métodos populares de visualización en sistemas integrados:

• Las pantallas led (diodo fotoemisor) pueden ser de matrices de puntos y de 7 y 14 segmentos, y emplean diodos emisores de luz para facilitar el diseño de interfaces de usuario alfanuméricas simples. El término «led» (o LED) se suele confundir con las pantallas LCD que usan ledes para la retroiluminación.
• Pantalla de cristal líquido (LCD): el tipo de pantalla más común. Los cristales líquidos utilizan sus propiedades de modulación de luz y filtro de polarización junto con una luz de fondo o un reflector para crear imágenes de color. Como las estructuras de cristal líquido no emiten luz, sino que dependen de la luz de fondo, pueden ser difíciles de ver cuando hay luz solar directa.
• LED orgánico (OLED): son pantallas muy versátiles y cada vez más populares. Son adecuadas para aplicaciones gráficas y de texto y emplean ledes para proyectar luz a través de filtros polarizantes. Puesto que los ledes emiten la imagen directamente sin necesidad de luz de fondo, el contraste es mejor para situaciones de luz solar directa.
• Tinta electrónica (también conocida como papel electrónico): las pantallas de tinta electrónica se suelen usar en libros electrónicos, y se están volviendo muy populares para las etiquetas en los estantes de supermercados conectados y para aplicaciones de señalización digital. Esta tecnología no emite luz ni necesita retroiluminación, sino que refleja la luz ambiental. Tienen una mejor relación de contraste, así que son perfectas para la luz solar directa. Además, las pantallas de tinta electrónica tienen el ángulo de visión más amplio que cualquiera de las otras opciones. Una ventaja importante de las pantallas de tinta electrónica es el perfil de consumo de potencia, ya que solo consumen corriente al actualizar la pantalla.

Algunos ejemplos de módulos de pantalla LCD son la serie Riverdi EVE, la gama Newhaven Display NHD o los productos 4D Systems LCD 43480272.

Los módulos LCD de alto brillo y transistores de película fina (TFT) Riverdi EVE4 están disponibles en 3,5″ (320 × 240 píxeles), 4,3″ (480 × 272 píxeles), 5″ (800 × 480 píxeles) y 7″ (1024 × 600 píxeles) (imagen 1). Están disponibles con controles táctiles capacitivos o resistivos o sin pantalla táctil.

Imagen 1: módulo de pantalla táctil capacitiva de 5″ Riverdi EVE4. (fuente: Riverdi)

Los módulos utilizan el motor de vídeo integrado avanzado Bridgetek BT817 (imagen 2). La conectividad entre el hospedador y la pantalla utiliza una interfaz QSPI o SPI. La pantalla de 5″ necesita una alimentación de 3,3 VCC y 5 VCC para la retroiluminación. El consumo de corriente suele estar en 203 mA, con 365 mA para la retroiluminación.

Imagen 2: diagrama de bloques funcional del controlador Bridgetek BT817 empleado en la serie Riverdi EVE 4. (fuente: Riverdi)

La imagen 3 muestra la pantalla capacitiva de 5″ Newhaven Display utilizada en aplicaciones agrícolas de gestión de ganadería. La pantalla y el controlador táctil necesitan 3,3 VCC con una corriente de hasta 72 mA, y la retroiluminación se alimenta a 21 VCC a 60 mA. El ángulo de visión suele ser de 80º y tiene una relación de contraste promedio de 1000.

Imagen 3: el módulo de pantalla LCD TFT de 5″ NHD-5.0-800480AF de Newhaven. (fuente: Newhaven Display)

4D Systems es otro distribuidor de módulos LCD TFT, con productos como el módulo de 4,3″ (480 × 272 píxeles) 43480272. Cuenta con capacidad táctil capacitiva y solo precisa de una alimentación de 3,3 VCC, el ángulo de visión es de 70º y la relación de contraste es de 500. La retroiluminación también se alimenta a 3,3 VCC y tiene un consumo máximo de 60 mA. Para facilitar el trabajo de los desarrolladores a la hora de crear una pantalla profesional, 4D Systems ofrece el entorno de desarrollo integrado (IDE) visual Workshop 4 (imagen 4).

Imagen 4: una IU de ejemplo en desarrollo con el entorno de desarrollo integrado visual Workshop 4 de 4D Systems. (fuente: 4D Systems)

El IDE Workshop 4 contiene herramientas y widgets visuales y sencillos, como indicadores, controles deslizantes, ruedas y fuentes, de modo que el equipo de desarrollo se pueda centrar en el software de la aplicación sin tener que meterse en los aspectos visuales de la HMI.

Un ejemplo de pantalla OLED es la serie EL de Futaba. Está disponible en distintos tamaños (0,5-3,6″) y son pantallas delgadas, ligeras y de bajo consumo, con un excelente nivel de contraste para una amplia gama de aplicaciones industriales y de consumo. La imagen 5 muestra el modelo ELW2106AA, una pantalla blanca de 2,1″ (256 × 64). Se alimenta a 16,5 VCC (pantalla) y 3 VCC (circuitos). El consumo de la pantalla es de un máximo de 52 mA con todos los píxeles encendidos, y los circuitos solo consumen 475 uA. La relación de contraste es de 10 000. 

Imagen 5: módulo de pantalla OLED de 2,1″ ELW2106AA, de Futaba. (fuente: Futaba)

Un ejemplo de producto final es el módulo de 3,7″ de tinta electrónica EPD (pantalla de papel electrónico) de Pervasive Displays (imagen 6). Cuenta con interfaces SPI e I²C y un ángulo de visión de 180º, y consume un máximo de 2,49 mA durante la actualización de pantalla con una alimentación de 5 VCC. Se trata de una pantalla en blanco y negro que no consume nada cuando muestra una imagen en reposo. El sensor táctil se alimenta a 3,3 VCC y consume un máximo de 10 mA en activo (2,5 mA en reposo).

Imagen 6: el modelo EPD de 3,7″ TP370PGH01 de Pervasive Displays. (fuente: Pervasive Displays)

La selección de la mejor pantalla para un sistema integrado

La elección adecuada de una pantalla para un sistema integrado requiere un análisis cuidadoso. En este artículo, hemos visto algunos factores que los ingenieros deben tener en cuenta, como la estética, la complejidad de la IU, el espacio disponible y los aspectos técnicos.

Si nuestro producto cuenta con la mejor opción de visualización posible y con una interfaz de usuario intuitiva, nos aseguraremos una posición destacada en el mercado.