Система сбора данных

Система сбора данных – комплекс средств, предназначенный для работы совместно с персональным компьютером и осуществляющий автоматизированный сбор данных с аналоговых и/или цифровых источников сигнала, а также первичную обработку, накопление и передачу данных. Типовая система сбора данных содержит в себе следующие узлы: датчики, коммутатор, измерительный усилитель, аналого-цифровой преобразователь, контроллер сбора данных.

Непосредственный ввод данных производится через стандартные платы, устанавливаемые в слоты компьютера. Типичные платы сбора данных содержат от 8 до 64 каналов ввода/вывода и обладают как аналоговыми, так и цифровыми возможностями. Платы сбора данных применяются в научных исследованиях, на производстве, в медицине и во многих других областях. Выбор конкретной платы определяется рядом требований к скорости сбора данных, числу каналов, уровням напряжений, разрешающей способности и полосе частот используемого на плате АЦП. Зачастую важным фактором является стоимость.

Совместно с персональной ЭВМ и специализированным программным обеспечением система сбора данных образует информационно-измерительную систему. Иными словами – это многоканальный измерительный прибор с широкими возможностями обработки данных, причем нередко в таких приборах стоимость собственно компьютера составляет весьма незначительную долю.

Частным случаем плат сбора данных являются датчики приближения, ускорения, света, гироскоп и электронный компас. Благодаря большой востребованности в современной мобильной технике стоимость их внедрения в состав компьютера существенно снизилась, что привело к возможности добавления новой функциональности, ранее недоступной на компьютерах.

Устройства вывода

Устройства вывода – средства вывода информации из компьютера.

Устройства для вывода визуальной информации

– монитор (дисплей)

– проектор

– принтер

– графопостроитель

Устройства для вывода звуковой информации

– встроенный динамик

– акустическая система (колонки)

– наушники

Монитор

Монитор, дисплей – универсальное устройство визуального отображения всех видов информации. Различают алфавитно-цифровые и графические мониторы, а также монохромные и цветные мониторы.

По строению мониторы делят на следующие:

– ЭЛТ – на основе электронно-лучевой трубки (англ. cathode ray tube, CRT);

Электро́нно-лучева́я тру́бка, кинеско́п – электровакуумный прибор, преобразующий электрические сигналы в световые.

Принципиальное устройство:

– электронная пушка, предназначена для формирования электронного луча;

– экран, покрытый люминофором – веществом, светящимся при попадании на него пучка электронов;

– отклоняющая система, управляет лучом таким образом, что он формирует требуемое изображение.

Чтобы создать на экране изображение, электронный луч должен постоянно проходить по экрану с высокой частотой. Этот процесс называется развёрткой. Есть несколько способов развёртки изображения.

Растровая развёртка

Электронный луч проходит весь экран по строкам слева направо и сверху вниз. Возможны два варианта:

– 1–2–3–4–5–… (построчная развёртка);

– 1–3–5–7–…, затем 2–4–6–8–… (чересстрочная развёртка).

Векторная развёртка

Электронный луч проходит вдоль линий изображения. Применяется в векторных мониторах.

Развёртка на экране радара

Применяется в случае использования экрана кругового обзора, электронный луч проходит по радиусам экрана (экран при этом имеет форму круга). При этом служебная информация обычно развёртывается дополнительно сквозь специальную знаковую матрицу.

Луч ЭЛТ-монитора, формируя изображение на экране, заставляет светиться частицы люминофора. До момента формирования следующего кадра эти частицы успевают погаснуть, поэтому можно наблюдать «мерцание экрана». Чем выше частота смены кадров, тем менее заметно мерцание. Низкая частота ведет к усталости глаз и наносит вред здоровью.

У большинства бытовых телевизоров на базе ЭЛТ ежесекундно сменяется 25 кадров, при чересстрочной развёртке это составляет 50 полукадров в секунду (Гц). В современных моделях телевизоров она искусственно завышается до 100 герц. При работе за экраном монитора мерцание чувствуется сильнее, так как расстояние от глаз до кинескопа намного меньше, чем при просмотре телевизора. Мерцание ЭЛТ явно можно наблюдать боковым зрением. Минимальной рекомендуемой частотой обновления экрана монитора является частота 85 герц.

Поскольку внутри ЭЛТ вакуум, за счёт давления воздуха на один только экран 17-дюймового монитора приходится нагрузка около 800 кг – вес микролитражного легкового автомобиля. Из-за особенностей конструкции давление на экран и конус ЭЛТ является положительным, а на боковую часть экрана – отрицательным, что вызывает опасность взрыва. При работе с ранними моделями кинескопов правила техники безопасности требовали использования защитных рукавиц, маски и очков. Перед экраном кинескопа в телевизоре устанавливался стеклянный защитный экран, а по краям – металлическая защитная маска.

– ЖК – жидкокристаллические мониторы (англ. liquid crystal display, LCD);

Жидкокристаллический дисплей – плоский дисплей на основе жидких кристаллов, а также монитор на основе такого дисплея, разработан в 1963 году. LCD TFT (англ. Thin film transistor – тонкоплёночный транзистор) – разновидность жидкокристаллического дисплея, в котором используется активная матрица. Усилитель TFT применяется для каждого субпиксела с целью быстродействия, контрастности и чёткости изображения.

Изображение в ЖК-дисплее формируется с помощью отдельных элементов, обычно через систему развёртки. Многоцветное изображение формируется с помощью RGB-триад. Каждый пиксел ЖК-дисплея состоит из слоя молекул между электродами и двух поляризационных фильтров, плоскости поляризации которых перпендикулярны. Свет, пропускаемый первым фильтром, практически полностью блокируется вторым. При подаче напряжения на электроды молекулы выстраиваются таким образом, что преломляют световой луч, и он без потерь проходит через второй фильтр.

Проходящий через ячейки свет может быть естественным, но чаще применяют искусственный источник. Обратной стороной этого является относительная неравномерность яркости изображения на ЖК-дисплее.

Важнейшие характеристики ЖК-мониторов следующие:

– разрешение: горизонтальный и вертикальный размеры, выраженные в пикселях. В отличие от ЭЛТ-мониторов, ЖК имеют одно фиксированное разрешение, остальные достигаются интерполяцией;

– размер точки, т.е. расстояние между центрами соседних пикселей. Непосредственно связан с физическим разрешением;

– соотношение сторон экрана (формат): отношение ширины к высоте, например: 5:4, 4:3, 5:3, 8:5, 16:9, 16:10;

– видимая диагональ: размер самой панели, измеренный по диагонали. Площадь дисплеев зависит также от формата: монитор с форматом 4:3 имеет большую площадь, чем с форматом 16:9 при одинаковой диагонали;

– контрастность: отношение яркостей самой светлой и самой тёмной точек. В некоторых мониторах используется адаптивный уровень подсветки с использованием дополнительных ламп, приведённая для них цифра контрастности (так называемая динамическая) не относится к статическому изображению;

– яркость: количество света, излучаемое дисплеем;

– время отклика: минимальное время, необходимое пикселю для изменения своей яркости;

– угол обзора, при котором падение контраста достигает заданного;

– тип матрицы;

– наличие различных входов: например, DVI, D-Sub, HDMI и т. п.

– плазменный – на основе плазменной панели;

Газоразрядный экран (также широко применяется английская калька «плазменная панель») – устройство отображения информации, использующее в своей работе явления электрического разряда в газе и возбуждаемого им свечения люминофора.

Плазменная панель представляет собой матрицу газонаполненных ячеек, заключенных между двумя параллельными стеклянными поверхностями. В качестве газовой среды обычно используется неон или ксенон. Разряд в газе протекает между прозрачным электродом на лицевой стороне экрана и адресными электродами, проходящими по его задней стороне. Газовый разряд вызывает ультрафиолетовое излучение, которое, в свою очередь, инициирует видимое свечение люминофора.

Суб-пиксель плазменной панели имеет объём 200 мкм x 200 мкм x 100 мкм, на панели нужно уложить несколько миллионов пикселей. Кроме того, к каждому необходимо провести по два электрода. Эти факторы обуславливают дороговизну плазменных панелей и их относительно невысокую четкость на малом расстоянии.

– проекционный – видеопроектор и экран, размещённые отдельно или объединённые в одном корпусе (как вариант – через зеркало или систему зеркал);

– OLED-монитор – на технологии OLED (англ. organic light-emitting diode – органический светоизлучающий диод);

Органический светодиод (англ. Organic Light-Emitting Diode (OLED) – органический светодиод) – прибор, изготовленный из органических соединений, эффективно излучающих свет при пропускании электрического тока.

OLED-технология имеет следующие преимущества:

– небольшие габариты и вес;

– высокая яркость и низкое энергопотребление;

– отсутствие необходимости в подсветке;

– отсутствие такого параметра как угол обзора – изображение видно без потери качества с любого угла;

– мгновенный отклик (на порядок выше, чем у LCD) – по сути полное отсутствие инерционности;

– качественная цветопередача (высокий контраст);

– возможность создания прозрачных и гибких экранов;

– отсутствие ограничений в форме и размерах.

– виртуальный ретинальный монитор – технология вывода, формирующая изображение непосредственно на сетчатке глаза.

Первые образцы VRD были созданы в Университете Вашингтона (Лаборатория технологий интерфейса пользователя) в 1991 году. Большая часть подобных разработок было связано с системами виртуальной реальности. Позже возник интерес к VRD как к устройству вывода для портативных устройств. Рассматривался такой вариант использования: пользовать помещает устройство перед собой, система обнаруживает глаз и проецирует на него изображение, используя методы компенсации движения. В таком виде небольшое VRD-устройство может заменить полноразмерный монитор. VRD, проецирующая изображение на один глаз, позволяет видеть одновременно компьютерное изображение и реальный объект, что может применятся для создания иллюзии "рентгеновского зрения" - отображения внутренних частей устройств и органов (при ремонте автомобиля, хирургии). VRD, проецирующая изображение на оба глаза, позволяет создавать реалистичные трехмерные сцены.

Основные параметры мониторов:

– вид экрана – квадратный или широкоформатный (прямоугольный);

– размер экрана – определяется длиной диагонали;

– разрешение – число пикселей по вертикали и горизонтали;

– глубина цвета – число отображаемых цветов (от монохромного до 32-битного);

– размер зерна или пикселя;

– частота обновления экрана;

– скорость отклика (не для всех типов мониторов).

Проектор

Проектор – оптический прибор, предназначенный для создания плоского изображения небольшого размера на большом экране.

Типы проекторов:

– диаскопический аппарат – изображения создаются при помощи диапроекции, то есть лучей света, проходящих через светопроницаемый носитель с изображением. Это самый распространённый вид проекционных аппаратов. К ним относят такие приборы как: кинопроектор, диапроектор, фотоувеличитель, проекционный фонарь, кодоскоп и др.

– эпископический аппарат – создаёт изображения непрозрачных предметов путём проецирования отраженных лучей света. К ним относятся эпископы, мегаскоп;

– эпидиаскопический проекционный аппарат – формирует на экране комбинированные изображения как прозрачных, так и непрозрачных объектов.

– мультимедийный (цифровой) проектор получает аналоговый или цифровой видеосигнал в реальном времени и проецирует изображение на экран. Вариацией такого проектора является пико-проектор, который можно встретить в некоторых моделях мобильных телефонов;

– лазерный проектор – выводит изображение с помощью луча лазера.

Принтеры

Принтер (или печатающее устройство) предназначен для вывода информации на бумагу. Все принтеры могут выводить текстовую информацию, многие из них могут выводить также рисунки и графики, в том числе и цветные.

Барабанные принтеры.

Первый принтер, получивший название UNIPRINTER, был создан в 1953 году компанией Remington Rand для компьютера UNIVAC. Основным элементом такого принтера был вращающийся барабан, на поверхности которого располагались рельефные изображения букв и цифр. Ширина барабана соответствовала ширине бумаги, а количество колец с алфавитом было равно максимальному количеству символов в строке. За бумагой располагалась линейка молоточков, приводимых в действие электромагнитами. В момент прохождения нужного символа на вращающемся барабане, молоточек ударял по бумаге, прижимая её через красящую ленту к барабану. Таким образом, за один оборот барабана можно было напечатать всю строку. Далее бумага сдвигалась на одну строку и машина печатала дальше. В СССР такие машины назывались алфавитно-цифровыми печатающими устройствами (АЦПУ).

Позже появились наборные принтеры. В них символы на барабане были не жёстко закреплены, а для каждой строки набирались заново. Пока одна строка печаталась, следующая набиралась. Это позволило достичь огромной скорости печати, до 100 страниц в минуту, поэтому эти принтеры иногда ещё встречаются.

Ромашковые(лепестковые) принтеры.

В таких принтерах имелся один готовый набор букв, располагающийся на гибких лепестках диска. При повороте диска менялась текущая буква. В отличие от барабанного принтера, здесь головке с символами приходилось двигаться вдоль листа бумаги, что снижало скорость печати. Смена шрифта происходила заменой диска с символами.

Гусеничные принтеры.

В таких принтерах набор букв закреплялся на гусеничной цепи, цепь двигалась вдоль строки и, если на нужном месте был нужный символ, молоточек ударял по нему.

Матричный принтер.

В 1964 г. компанией Seiko Epson был разработан матричный принтер. Он стал первым устройством, способным осуществить печать не только текста, но и произвольного графического изображения.

Изображение в матричном принтере формируется головкой, в которой находится множество иголок. в нужном месте определённые иголки ударяют по красящей ленте и, таким образом, формируют изображение.

Основными недостатками данного типа принтеров являются низкая скорость работы и высокий шум, однако благодаря дешевизне копии (расходным материалом, по сути, является только красящая лента) и возможности работы с непрерывной и копировальной бумагой – они распространены до сих пор.

Лазерные принтеры.

В 1938 году Честер Карлсон изобрёл способ печати, названный электрография, переименованный позже в ксерографию. Суть технологии в следующем: на барабан каким-либо способом наносится равномерный статический заряд. Потом с помощью лазера этот заряд в некоторых местах снимается. Таким образом на барабане формируется скрытое изображение. После этого, к барабану притягивается отрицательно заряженный тонер и по барабану прокручивается лист бумаги. Тонер остаётся на листе, лист кратковременно нагревается примерно до 50-60 градусов, тонер плавится и тут же застывает.

Первым лазерным принтером стал EARS (Ethernet, Alto, Research character generator, Scanned Laser Output Terminal), разработанный в 1971 году в корпорации Xerox, правда, дальше лаборатории он не вышел. В 1977 г. было налажено производство первого серийного лазерного принтера Xerox 9700 Electronic Printing System. В 1981 г. Xerox представила компьютер Star 8010, в состав которого входили самые последние разработки, в том числе мышь и лазерный принтер.

Струйные принтеры.

Изображение в этих принтерах формируется из точек. Головка, проходя над нужным местом, "выстреливает" струёй краски. Для цветной печати в принтере имеется несколько головок разных цветов, перед нанесением краски она смешивается в нужных пропорциях для получения соответствующего цвета.

Термические принтеры.

Для печати используется специальная бумага на основе парафина, темнеющая под воздействием тепла (150-200ºС). Изображение на бумаге формируется специальной линейкой термоэлементов. Конструкция такого принтера отличается простотой, высокой надежностью и не нуждается в регулярном техническом обслуживании. Поэтому термопринтеры очень выгодны с точки зрения эксплуатационных затрат. Кроме того, для термопринтера требуется всего один вид расходных материалов – термобумага, причем для печати можно использовать как листовые, так и рулонные носители. И еще один важный момент: изображение на термобумаге устойчиво к воздействию влаги.

Из недостатков термопринтеров стоит отметить относительно низкую разрешающую способность (порядка 200 dpi) и невысокую скорость печати. Кроме того, термопринтеры не позволяют получать цветные изображения и обладают весьма ограниченными возможностями по воспроизведению полутонов.

Сублимационные принтеры (фотопринтеры).

Термосублимация (возгонка) – это испарение твердого красителя в результате быстрого нагрева, при этом минуется жидкая фаза. В целом принцип работы сублимационного принтера похож на струйный.

Выбор принтера следует основывать на особенностях печати и активности применения. Если требуется одновременно печатать несколько копий, то выбирается матричный или лазерный принтер. Если нужно печатать цветные изображения или же использовать принтер в домашних условиях не очень активно, то – струйный. При активной печати текстов лучше всего подходит лазерный принтер, поскольку стоимость печати в таком случае на лазерном принтере получается ниже, чем на струйном, и тише, чем на матричном.

Графопостроитель

Графопострои́тель, пло́ттер – устройство для автоматического вычерчивания с рисунков, схем, сложных чертежей, карт и другой графической информации на бумаге или ином материале размером до A0 и больше или кальке.

Можно разделить графопостроители на следующие:

– рулонные (барабанные) – в них печатающая головка движется вдоль материала по одной оси, а сам материал при помощи крутящегося барабана перемещается по другой оси. Такие плоттеры похожи на большие струйные принтеры;

– планшетные – в них материал неподвижно закрепляется на рабочей поверхности, вдоль которой при помощи кронштейна двигается печатающий механизм. Он может двигаться в любом направлении и таким образом рисует или вырезает заданное изображение.

Соответственно, печатающий механизм может быть снабжен пером или ножом, во втором случае будет осуществляться вырезание контуров на специальном материале – оракале. Режущие плоттеры еще называют «каттеры».