CN111026289A - 用于载人航天器的人机交互终端 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于载人航天器的人机交互终端,包括：壳体(1)；触控显示器(2)，设置在所述壳体(1)的一个面上；按键组(3)，与所述触控显示器(2)设置在所述壳体(1)上的同一面上，并且围绕所述触控显示器(2)设置；处理模块，设置在所述壳体(1)内部，用于接收所述按键组(3)和所述触控显示器(2)的输入信号并控制所述触控显示器(2)的显示内容；所述触控显示器(2)包括触摸屏和OLED显示器。本发明的人机交互终端利用OLED显示器，不含玻璃部件，因此可靠性高，不易碎，体积小、质量轻。

Description

用于载人航天器的人机交互终端
技术领域
本发明涉及航天器领域，尤其涉及一种用于载人航天器的人机交互终端。
背景技术
我国载人航天工程经历了载人一期和载人二期两个阶段的发展，目前正全面进入载人三期的研制阶段，在此过程中，信息显示技术也随着载人航天的发展不断进步。载人一期阶段航天器显示设备一般通过移植地面用显示设备实现，在适应空间环境和可靠性方面存在缺陷，不适应载人航天器的特殊使用环境。二期阶段航天器的显示设备在设计上有所改观，液晶显示器的背光源由传统的冷阴极荧光灯(CCFL)背光源，改为使用发光二极管(LED)背光源，从而避免了真空放电现象，改变了不能在低气压环境中使用的情况，从一定程度上提高了可靠性。现有液晶显示器的技术缺点表现在：液晶显示器的两个主要部分，分别是液晶光阀和背光源。改用LED背光源，只能有限的提高可靠性，并不能彻底解决问题。液晶显示器器件的基板为玻璃基板，抗电磁干扰能力有限。进行电磁兼容性试验(EMC试验)时有通不过的风险。液晶OLED显示器的重量较大，且设备占用空间大，液晶显示器设备表面为玻璃，易碎，一旦破碎，在太空环境下会对使用者带来较大安全隐患。综上，现有航天器显示器已经满足不了载人三期阶段对显示器设备的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可靠性高的用于载人航天器的人机交互终端。
为实现上述发明目的，本发明提供一种用于载人航天器的人机交互终端，包括：
壳体；
触控显示器，设置在所述壳体的一个面上；
按键组，与所述触控显示器设置在所述壳体的同一面上，并且围绕所述触控显示器设置；
处理模块，设置在所述壳体内部，用于接收所述按键组和所述触控显示器的输入信号并控制所述触控显示器的显示内容；
所述触控显示器包括触摸屏和OLED显示器。
根据本发明的一个方面，所述OLED显示器包括依次排列的金属基板、第一隔离层、第一电极层、OLED层、ITO层、第一保护层和第一宽带减反射膜；
所述第一隔离层设置在所述金属基板上，所述第一电极层设置在所述第一隔离层上；
所述ITO层、第一保护层和第一宽带减反射膜依次设置在所述OLED层上。
根据本发明的一个方面，所述OLED层与所述第一电极层之间设有隔离板；
所述隔离板与所述第一电极层之间为电子或空穴传输层，所述隔离板与所述OLED层之间为电子或空穴加速层。
根据本发明的一个方面，所述第一隔离层上嵌入有驱动IC，所述OLED层上嵌入有阴极材料。
根据本发明的一个方面，所述金属基板的材质为SUS304不锈钢板，厚度为0.1-1mm；
所述第一隔离层的材质为SiO2，厚度为1-10μm，采用溅射或电子束蒸发的方式设置在所述金属基板上。
根据本发明的一个方面，所述触摸屏包括第二隔离层，设置在所述第二隔离层上的第二电极层，覆盖在所述第二电极层上的第二保护层，设置在所述第二保护层上的第二宽带减反射膜。
根据本发明的一个方面，所述第二隔离层的材质为SiO2，厚度为1-10μm，设置在所述第一宽带减反射膜上；
所述第二电极层包括四个对角布置的方形电级以及在设置在每两个所述方形电级之间的条形电极；
所述第二保护层的材质为SiO2；
所述第二宽带减反射膜通过镀膜方式镀制在所述第二保护层上。
根据本发明的一个方面，所述处理模块包括：
主处理器和信号处理电路；
用户接口模块，包括外部视频信号输入接口和RS-422通讯接口，用于接收PAL-D、SOG和LVDS信号；
视频解码模块，用于将PAL-D、SOG信号转换成ITU656、YCbCr、RGB格式并传输给所述信号处理电路；
按键组控制板，用于采集所述按键组信息和显示按键状态，并通过接口通讯及控制电路向所述信号处理电路反馈；
LVDS处理模块，包括LVDS接收模块和LVDS发送模块，用于将LVDS信号分别进行并行转串行或串行转并行的转换；
电源模块，包括电源滤波模块和电压转换模块。
根据本发明的一个方面，所述信号处理电路包括：
视频输入模块，用于接收所述视频解码模块解码后的数据并输出；
图形输入模块，用于接收所述LVDS接收模块转换后的数据并输出；
视频叠加模块，用于将所述视频输入模块和图形输入模块输出的视频信号和图形信号叠加处理并经所述LVDS发送模块发送给所述OLED显示器进行显示；
I2C接口，用于接收所述视频解码模块向所述OLED显示器发送的控制命令；
触控分析模块，用于接收所述触摸屏的触摸信息并计算触摸点坐标反馈给所述主处理器。
根据本发明的一个方面，所述按键组控制板的接口通讯及控制电路模块采用RS422通用串口，用于发送所述按键组的状态信息和接收到的控制命令。
根据本发明的一个方案，触控显示器中采用OLED显示器作为显示器件，其中的OLED层可自发光，因此无需额外设置背光源，从而增加设备可靠性，并能降低功耗。
根据本发明的一个方案，OLED显示器中的基板为金属材质，可以有效的降低外部电磁信号对设备内部的干扰。并且相对于玻璃基板具有不易碎的特点，避免玻璃结构破碎而对航天员造成威胁。
根据本发明的一个方案，OLED显示器中的第一隔离层材质为SiO2，且采用溅射或电子束蒸发的方式设置在金属基板上，可以有效地减轻显示器的重量。
根据本发明的一个方案，在触摸屏两侧和下方设置按键组，由按键控制板可以采集按键组中按键的信息，并通过RS422通用串口将信息发送给信号处理电路。并且按键控制板上的LED信号灯可以显示按键状态。而触控分析模块可接收触摸屏的触摸信息并计算触摸点坐标反馈给主处理器。主处理器读取触摸坐标区域，根据触摸坐标区域和当前显示页面的有效触摸区域，对触摸操作的有效性进行判断，判断有效后，根据触摸区域对应的操作内容，执行对应的动作。由此，采用机械按键和触控可增加人机交互终端的可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是示意性表示根据本发明第一种实施方式的用于载人航天器的人机交互终端的正面视图；
图2是示意性表示根据本发明第一种实施方式的用于载人航天器的人机交互终端的背面视图；
图3是示意性表示根据本发明第一种实施方式的用于载人航天器的人机交互终端的OLED显示器结构图；
图4是示意性表示根据本发明第一种实施方式的用于载人航天器的人机交互终端的触摸屏结构图；
图5是示意性表示根据本发明第一种实施方式的用于载人航天器的人机交互终端的触摸屏的第二电极层结构图；
图6是示意性表示根据本发明第一种实施方式的用于载人航天器的人机交互终端的功能框图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
在针对本发明的实施方式进行描述时，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”所表达的方位或位置关系是基于相关附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细地描述，实施方式不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施方式。
图1是示意性表示根据本发明第一种实施方式的用于载人航天器的人机交互终端的正面视图；图2是示意性表示根据本发明第一种实施方式的用于载人航天器的人机交互终端的背面视图。结合图1和图2，本发明的用于载人航天器的人机交互终端,包括壳体1、触控显示器2、按键组3和处理模块。壳体1基本上为一个立方体，图1为壳体1的正面视图。触控显示器2的形状为矩形，设置在壳体1的正面上。而按键组3也设置在壳体1正面，且其中的按键环绕着触控显示器2设置在其两侧和下方。处理模块整体设置在壳体1内部，用于接收用户按压按键和触控显示器2的信息，从而控制触控显示器2的显示内容。如图2所示，处理模块中的用户接口模块6设置在壳体1的背面的底部，包括多个相间排列的接口。
触控显示器2包括触摸屏和OLED显示器，OLED显示器图3示出了OLED显示器的结构图。如图3所示，OLED显示器中的基板51为金属基板，材料可以为SUS304，厚度为0.1-1mm。原有设备上的液晶显示器中使用玻璃材质作为基板，会造成电磁泄漏问题，并且玻璃结构容易破碎的特性会给航天员带来极大地安全隐患。因此本发明使用金属材质的基板可以有效的降低外部电磁信号对设备内部的干扰，并且不易碎，从而解决了现有技术的问题。金属基板54上设置有第一隔离层52，第一隔离层52的材质为SiO2，厚度为1-10μm，采用溅射或电子束蒸发等方式设置在金属基板51上。第一隔离层52的上方设置有第一电极层53，第一电极层53上方设置有OLED层56。OLED层56与第一电极层53之间设有隔离板60，隔离板60与第一电极层53之间形成电子或空穴传输层54；而隔离板60与OLED层56之间形成电子或空穴加速层55。OLED层56上侧还设置有ITO层57，ITO层57可以与第一电极层53形成电势差。ITO层57上设置有第一保护层58，第一保护层58的材质同样为SiO2，并通过镀制的方式镀在第一电极层53上，这种设置方式有利于减轻OLED显示器的重量。而第一保护层58上设置有第一宽带减反射膜59(参见图4)。其中，第一隔离层52上嵌入有驱动IC52a，驱动IC52a用于寻址；OLED层56上嵌入有阴极材料56a，用于产生电势位。而OLED层56本身可以发光，因此使得OLED显示器为单一发光器件，无需设置背光源，相对于以往的“液晶光阀+背光源”的串联计算结构的可靠性指标更高，并且可以明显降低功耗。
图4是示意性表示根据本发明第一种实施方式的用于载人航天器的人机交互终端的触摸屏结构图。如图4所示，触摸屏整体为电容式触摸屏，包括第二隔离层41、第二电极层42、第二保护层43和第二宽带减反射膜44。第二隔离层41材质为SiO2，厚度为1-10μm，设置在第一宽带减反射膜59上。第二电极层42设置在第二隔离层41上，第二电极层42为ITO电极，其图案形式如图5所示。图5从俯视的视角示出了第二电极层42的电极图案形式，第二电极层42包括方形电级42a和条形电极42b。方形电级42a设置四个且对角布置，条形电极42b设置在每两个方形电级42a之间但不能干涉中间的有效显示区域。第二电极层42上覆盖有第二保护层43，第二保护层43的材质为SiO2。第二宽带减反射膜44通过镀膜的方式镀制在第二保护层43上，使得触控显示器2在整个可见光谱范围内的反射率达到0.5％以下。综上所述，触摸屏和OLED显示器中的两层减反射膜的设置可以起到减反增透的作用，从增加OLED显示器的透过率，减小器件表面的反射率，有效地提高了OLED显示器的显示效果。
图6是示意性表示根据本发明第一种实施方式的用于载人航天器的人机交互终端的功能框图。如图6所示，本发明的处理模块除上述用户接口模块6以外还包括：主处理器、信号处理电路、视频解码模块、按键组控制板、LVDS处理模块和触摸分析模块。上述用户接口模块6中，包括两种接口，分别为外部视频信号输入接口和RS-422通讯接口。外部视频信号主要包括SOG、PAL-D和LVDS信号。其中，PAL-D视频信号和SOG视频信号均属于模拟编码视频信号，模拟信号接收电路通过信号电缆直接与外部电连接器相连，并在模拟视频信号输入输出端口上设计静电保护电路避免后端原件免受损坏。而视频解码模块则负责将这两种信号进行解码和数字转换。视频解码模块中的视频解码器可将PAL-D和SOG信号转换成ITU656、YCbCr和RGB等分量多种数字视频格式并传输给信号处理电路。LVDS信号即低压差分信号，这种信号不能直接通过一般数字视频处理电路的并行接口进行输入输出。因此本发明中设置了LVDS处理模块来处理低压差分信号。LVDS处理模块包括LVDS接收模块和LVDS发送模块，分别负责将LVDS数据进行并行转串行或串行转并行的转换。
信号处理电路由FPGA组成，负责完成PAL-D信号的去隔行处理和帧频率变换、两路图形信号的选择、图形与视频信号叠加融合、SDRAM接口、I2C接口、键盘显示接口等各种功能。主要工作为对输入的复合视频信号进行滤波放大、模数转换、插值处理及场频变换等；对输入的计算机信号进行解码和调节，转换成符合液晶屏时序的驱动信号；对复合视频信号和计算机信号进行透明叠加处理；同时还具有图像亮度与对比度调节的功能。其主要包括视频输入模块、图形输入模块、视频叠加模块和I2C接口。如图6所示，视频输入模块接收视频解码模块解码后的数据并输出。图形输入模块则接收LVDS接收模块转换后的数据并输出。视频叠加模块负责将视频输入模块和图形输入模块输出的视频信号和图形信号叠加处理并经LVDS发送模块发送给OLED显示器进行显示。本发明中，视频解码模块通过I2C接口向相应的寄存器发送寄存器控制命令，寄存器暂存后向OLED显示器传递控制命令完成模拟信号解码机数字化过程。
由于本发明的人机交互终端采用触控和按键两种方式控制，可以提高人机交互终端的可靠性。触摸屏的触摸信息通过信号处理电路中的触控分析模块来采集。触控分析模块采集到使用者在触摸屏上的触摸信息后，计算处触摸点坐标并以中断的形式通知主处理器。主处理器读取触摸坐标区域，根据触摸坐标区域和当前显示页面的有效触摸区域，对触摸操作的有效性进行判断，判断有效后，根据触摸区域对应的操作内容，执行对应的动作。而按键组3的信息由按键组控制板来采集处理。按键组控制板采集到按键信息后，通过接口通讯及控制电路传输给信号处理电路进行处理。而按键组控制板上还设有LED信号提示灯，用于指示按键状态，同样通过接口通讯及控制电路进行信号反馈。接口通讯及控制电路传输采用一路专用的RS422通用串口，用于发送按键组3的状态信息和接收到的控制命令。
如图6所示，本发明中，由于壳体1内部使用的元器件工作电压类型较多，如+12V、±5V、+3.3V、+1.8V和+1.5V等。为提高电源可靠性、减少电源损耗，设备内部单独设计一块电源板作为电源模块，作为设备中各器件统一电源。电源模块主要包括电源滤波模块和电压转换模块。电源滤波模块可以将输入的直流电压进行滤波，而电压转换模块可以提供稳定的电压输出，并具有防电源尖峰和浪涌的保护功能。如图6所示，电源滤波模块接收+28V电压滤波后传递给电压转换模块，电压转换模块直接从一次母线变换得到+3.3V、±5V和+18V，避免多次变换导致转换效率的降低。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.用于载人航天器的人机交互终端,包括：
壳体(1)；
触控显示器(2)，设置在所述壳体(1)的一个面上；
按键组(3)，与所述触控显示器(2)设置在所述壳体(1)的同一面上，并且围绕所述触控显示器(2)设置；
处理模块，设置在所述壳体(1)内部，用于接收所述按键组(3)和所述触控显示器(2)的输入信号并控制所述触控显示器(2)的显示内容；
其特征在于，所述触控显示器(2)包括触摸屏和OLED显示器。
2.根据权利要求1所述的人机交互终端,其特征在于，所述OLED显示器包括依次排列的金属基板(51)、第一隔离层(52)、第一电极层(53)、OLED层(56)、ITO层(57)、第一保护层(58)和第一宽带减反射膜(59)；
所述第一隔离层(52)设置在所述金属基板(51)上，所述第一电极层(53)设置在所述第一隔离层(52)上；
所述ITO层(57)、第一保护层(58)和第一宽带减反射膜(59)依次设置在所述OLED层(56)上。
3.根据权利要求2所述的人机交互终端,其特征在于，所述OLED层(56)与所述第一电极层(53)之间设有隔离板(60)；
所述隔离板(60)与所述第一电极层(53)之间为电子或空穴传输层(54)，所述隔离板(60)与所述OLED层(56)之间为电子或空穴加速层(55)。
4.根据权利要求2所述的人机交互终端,其特征在于，所述第一隔离层(52)上嵌入有驱动IC(52a)，所述OLED层(56)上嵌入有阴极材料(56a)。
5.根据权利要求2所述的人机交互终端,其特征在于，所述金属基板(51)的材质为SUS304不锈钢板，厚度为0.1-1mm；
所述第一隔离层(52)的材质为SiO2，厚度为1-10μm，采用溅射或电子束蒸发的方式设置在所述金属基板(51)上。
6.根据权利要求2所述的人机交互终端,其特征在于，所述触摸屏包括第二隔离层(41)，设置在所述第二隔离层(41)上的第二电极层(42)，覆盖在所述第二电极层(42)上的第二保护层(43)，设置在所述第二保护层(43)上的第二宽带减反射膜(44)。
7.根据权利要求6所述的人机交互终端,其特征在于，所述第二隔离层(41)的材质为SiO2，厚度为1-10μm，设置在所述第一宽带减反射膜(59)上；
所述第二电极层(42)包括四个对角布置的方形电级(42a)以及在设置在每两个所述方形电级(42a)之间的条形电极(42b)；
所述第二保护层(43)的材质为SiO2；
所述第二宽带减反射膜(44)通过镀膜方式镀制在所述第二保护层(43)上。
8.根据权利要求1所述的人机交互终端,其特征在于，所述处理模块包括：
主处理器和信号处理电路；
用户接口模块(6)，包括外部视频信号输入接口和RS-422通讯接口，用于接收PAL-D、SOG和LVDS信号；
视频解码模块，用于将PAL-D、SOG信号转换成ITU656、YCbCr、RGB格式并传输给所述信号处理电路；
按键组控制板，用于采集所述按键组(3)信息和显示按键状态，并通过接口通讯及控制电路向所述信号处理电路反馈；
LVDS处理模块，包括LVDS接收模块和LVDS发送模块，用于将LVDS信号分别进行并行转串行或串行转并行的转换；
电源模块，包括电源滤波模块和电压转换模块。
9.根据权利要求8所述的人机交互终端,其特征在于，所述信号处理电路包括：
视频输入模块，用于接收所述视频解码模块解码后的数据并输出；
图形输入模块，用于接收所述LVDS接收模块转换后的数据并输出；
视频叠加模块，用于将所述视频输入模块和图形输入模块输出的视频信号和图形信号叠加处理并经所述LVDS发送模块发送给所述OLED显示器进行显示；
I2C接口，用于接收所述视频解码模块向所述OLED显示器发送的控制命令；
触控分析模块，用于接收所述触摸屏的触摸信息并计算触摸点坐标反馈给所述主处理器。
10.根据权利要求8所述的人机交互终端,其特征在于，所述按键组控制板的接口通讯及控制电路模块采用RS422通用串口，用于发送所述按键组(3)的状态信息和接收到的控制命令。
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