基于人体胸前显示的特种触摸显示器设计

桂诗信 孙 勇 王 杰 徐业飞

（中航华东光电有限公司，安徽 芜湖 241002）

0 引言

军用特种穿戴显示器所处的工作环境温度较高、紫外线辐射强，易使人体感到不适，甚至会造成皮肤病变；如何将热源屏蔽在触摸穿戴显示器外部，不因热源与太阳辐射进入显示器内部而导致温度上升是重要的研究课题。虽然已有将隔热纸贴覆于玻璃外表面的解决方案，但是隔热纸的粘贴品质取决于工艺手法，其品质不易掌控。同时，使用时间过长也会导致隔热纸出现破损或内部产生气泡等缺陷。

众所周知，传统电容触摸屏一般只包括盖板玻璃、Sensor功能层，这类电容式触摸屏内部都不具有隔热、吸热结构，在户外使用该产品，特别是在特种穿戴显示器设备上使用该产品，会使人体长期受到红外线及紫外线的侵害，在特种高温环境中，产品内部及表面的温度都会不断升高，触摸屏表面的高温会影响用户的使用及体验，而且随着时间的不断推移，紫外线会加速产品的老化，导致产品出现黄变、气泡返弹等缺陷，从而缩短了产品的使用寿命。

该文分析理论并设计了一种新型隔热电容触摸屏；其整体透过率高，可以有效地切断对人体有害的电子辐射、紫外线以及远红外线，从而起到防辐射的效果。在该基础上进一步设计了一款特种触摸显示器并阐述了其主要技术原理、设计方案以及关键技术，为特种触摸穿戴显示器在极端环境下的使用提供了重要的技术支持[1-4]。

1 技术方案

1.1 显示器组成和工作原理

OLED 显示模块式是某服装配套终端控制界面和显示用配套产品，主要运行控制终端GUI，可通过网络播放中心计算机、摄像头的视频信号，按要求显示画面，OLED 显示模块外形图如图1 所示。OLED 显示模块包括OLED 屏组件、电路板组件和结构组件，如图2 所示。

图1 OLED 显示模块外形图

图2 显示器组成示意图

OLED 屏组件包括OLED 屏、触摸屏等，OLED 屏为显示介质，它是一种光电显示器件，触摸屏包括盖板保护玻璃（抗辐射玻璃）、传感器功能玻璃、ITO 屏蔽玻璃和2 层玻璃之间的光学胶；电路板组件包括产品背光亮度控制、温度采集控制以及信号处理；结构组件包括面板、屏框架、后框架、盖板及安装支架等。

1.2 整体方案设计

总体设计是以OLED 显示模块的功能要求为基础，合理分配硬件资源，搭建可以满足OLED 显示模块功能要求的硬件平台，实现模块化设计、余度设计以及可靠性设计，电路总体设计如图3 所示。

图3 硬件功能框图

从OLED 屏选型、光学强光可视等方面对光学指标进行总体设计并结合产品的整体加固设计，在保证技术指标的前提下，选取可靠性更高的整体加固方案并结合光学绑定设计，以降低OLED 显示模块在强光照射时的反射亮度，增加强光对比度，有利于乘员更加清晰地辨识OLED 显示模块上的信息。

2 关键技术分析及解决措施

2.1 触摸屏设计

为满足触摸性能、抗辐射以及电磁兼容的要求，该电容触摸屏在总体设计思路上采用G+G+G 的结构设计方案，第一层为盖板玻璃，第二层为传感器功能玻璃（上、下两面分别为Rx电极层及走线、Tx电极层及走线），第三层为ITO屏蔽玻璃，以达到电磁屏蔽的目的，3 层玻璃之间通过厚度为0.2 mm 的光学胶进行全贴合[5-7]。各层组成如图4 所示。

图4 电容屏层叠结构示意图

通过光学胶有效地将Sensor 功能片与盖板玻璃、屏蔽玻璃粘接在一起，起到加强保护和固定的作用，相关措施如下：1） 选择高透光性、耐高温的OCA 光学胶。2） 通过定制专用的贴合夹具来满足整体厚度的要求并对贴合尺寸进行控制。

2.2 隔热触摸屏盖板玻璃设计

隔热玻璃又叫低辐射玻璃，它是采用磁控真空溅射技术，在玻璃表面镀9～20 层厚度为50 nm～300 nm 的金属化合物膜涂层。涂层可以反射远红外辐射，有效降低玻璃的传热系数；还可以反射太阳中的热辐射，有选择地降低遮阳系数，且不会过多地限制可见光的穿透。它可以达到以下技术指标：1） 抗弯强度≥200 MPa。2） 在1 100 nm 的波长范围内，透过率衰减率≤0.8%。3） 二次电子发射系数≤3.0。4） 耐热冲击温度≥280 ℃。

将其作为触摸屏的盖板玻璃，此外，玻璃采用AG 处理（化学蚀刻），AG 玻璃的蚀刻深度仅为0.05 mm～0.07 mm，其特点是使原玻璃反光表面变为漫反射表面，防止眩光，强光下可视。对经过AG 处理后的防眩玻璃进行化学强化处理，以增强玻璃的强度和表面抗划伤的性能。化学蚀刻型AG 玻璃表面光学参数如下：雾度为8%～10%，粗糙度（Ra）＜0.12 μm，触感更光滑，人机交互体验更优。通过光学胶水绑定触摸Sensor 功能片，达到抗辐射隔热玻璃和触摸屏二合一的效果，一方面起到保护和加固触摸屏功能片的作用，另一方面切断对人体有害的电子辐射、紫外线以及远红外线，达到防辐射的效果[8-10]。

2.3 温度采集设计

航天环境较为复杂多变，为了实现对环境温度的监控以及方便对OLED 显示模块工作模式进行控制，OLED 显示模块内置多个温度传感器实时检测OLED 显示模块关键部件的环境温度，以此判断芯片工作状态是否良好并根据环境温度调节主要芯片的工作模式。

使用的传感器为电阻型的高精度温度传感器，通过运算放大反馈电路，将其温度的变化转换为电压值的变化（温度传感器采样电路框图如图5 所示），然后通过AD 转换上报给控制器，通过控制器对温度进行调节与控制。

图5 温度传感器采样电路

2.4 自检设计

自检设计是为了监控产品的状态、提高产品的测试性，确保产品达到规定的测试性要求，提高产品的战备完好性和任务成功性，降低对维修人力和其他资源的要求和寿命周期费用并为管理提供必要的信息。

OLED 显示模块的故障模式框图如图6 所示。根据故障模式框图，自检电路包括以下3 个方面的内容。

图6 OLED 显示模块的故障模式框图

2.4.1 外部电源自检

外部输入的电源自检主要检测电源电压是否在工作范围内或是否断电，当电源电压低于预设的范围或电源断电时，可检测到的瞬间的电压跌落被MCU 快速记录并通过通信电路上传至电路板。

2.4.2 网络和RS485故障

千兆网络与中心计算机之间一直都在进行报文传递，当网络故障时，RK3399 可在一定时间内根据网络芯片的工作状态判断网络是否故障并及时通过RS485 上报至中心计算机。同理，RS485 通信故障也可以通过网络上报至中心计算机。

2.4.3 OLED 屏故障

RK3399 与OLED 屏通过MIPI 接口相连，每时每刻均存在数据交互，当OLED 屏出现故障时，可通过OLED 驱动芯片寄存器侦测故障状态。

2.5 导热设计

在真空环境下，OLED 显示屏表面所受到的热量来源主要以热辐射为主，其次就是自身的工作热量。因此，需要在OLED 显示屏与结构面板之间增加一种具备导电、导热和缓冲效果的材料，对OLED 显示屏组件进行隔热固定处理，从而恒定OLED 显示屏的表面温度。使用一种扁平状导热泡棉作为OLED 显示屏与面板之间的导电缓冲材料，如图7 所示。

图7 导电隔热泡棉横截面示意图

该导电泡棉外部为环形导电布层，内部为导电泡棉。导电布层可使滤光片与面板之间有良好的导电性能，以达到电磁屏蔽的效果；导电泡棉内部的泡棉有导热和减震缓冲的作用，可有效降低OLED 显示屏的热量和所受到的冲击力。

显示器主要热源为OLED 显示屏自身的工作热量、芯片的热量，针对OLED 显示屏导热设计，使用厚度约为0.3 mm、导热系数约为1.5 W/m·K 的导热垫片作为OLED 显示屏和结构件之间的热传导介质。该导热垫片粘接性能较强，可将OLED 牢靠地固定在结构件上，以达到快速散热的效果[11]。

通过理论分析并结合热仿真分析可以证明，该产品的耐热设计方案合理、可行，能满足OLED 显示模块的使用要求。

2.6 机械接口设计

OLED 显示模块正面设计安装了托架，其上下设计有宇航服装配所需要的4 个安装孔。OLED 显示模块通过设计的2 个扭力转轴使OLED 显示模块沿上、下2 个方向旋转。需要旋转时，操作人员向前搬动OLED 显示模块，OLED 显示模块在扭力转轴的阻力下绕2 个扭力转轴进行旋转，可方便且平稳地转动到工作状态位置。用户装配完成展开示意图如图8 所示。

图8 用户装配完成展开示意图

2.7 抗振动、冲击设计

2.7.1 OLED 显示屏组件抗振性设计

OLED 显示屏的薄板结构形态导致其对显示方向的振动非常敏感，而环境的强烈振动会严重影响OLED 显示屏的图像显示质量。对该项目来说，由于该产品的显示尺寸较大，振动环境对OLED 显示屏的影响尤为明显。因此，需要对OLED 显示屏进行抗振设计，以提高其抗振性能。

OLED 显示屏由振动引起的应力与加速度成正比，共振引起的放大效应会增大应力。因此，OLED 显示屏的应力与振动频率的关系取决于外部环境的振动频率，如图9 所示。

系统固有频率频率公式如公式（1）所示。

式中：C为刚度；M为质量。

分析图9 可知，当阻尼系数s一定且f/f0大于1.25 时，物体振动强度才会减小，可达到减振的目的，减小固有频率f0是有必要的。因此，结合公式（1）可以减小刚度以及增大显示组件的质量；当f/f0一定时，增大阻尼系数s可以达到减振的目的。

图9 单自由度强迫振动系统响应图谱

综上所述，可以从3 个方面对OLED 显示屏进行抗振设计：使用刚性小的柔性材料进行安装固定、增加OLED 显示屏组件的自重以及增大减振系统的阻尼。

该项目采用在OLED 显示屏四周添加具有阻尼作用的特殊材料来隔离固定，以减小支撑环节的刚性；采用两面复合加固玻璃的方法提高OLED 显示屏自身的质量并提高OLED 显示屏组件的抗弯曲、应变能力，减少应力集中的现象，降低OLED 显示屏的固有频率。

2.7.2 电路板组件抗振性设计

电路板组件是OLED 显示模块的控制器，也是模块的核心组件，因此，提高电路板组件的抗振性是非常必要的。对整个OLED 显示模块、电路板的实际情况进行分析，其在非垂直于屏的方向，即X方向以及Z方向上电路板的尺寸较小，小于2 mm，因此在振动环境下这2 个方向不会出现破坏性变形；在垂直于屏的方向，即Y方向上，通过螺钉固定的方式将电路板固定在背光框架上，并且其固定点位于背光框架加强筋上，可以增加电路板的刚度强度。电路板与OLED显示屏对插部分采用刚柔板的连接方式，插件固定于结构件上，降低电路板主体带来的振动影响。

3 结语

针对特种触摸显示器的应用情况，该文设计了一种新型隔热电容触摸屏，在该基础上进一步设计了一款特种触摸显示器并阐述了其主要技术原理、设计方案以及关键技术，为特种触摸穿戴显示器在航天极端环境下的使用提供了重要的技术支持。