LCD et écrans embarqués

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Description détaillée

Pour les interfaces utilisateurs, on est passé d'un affichage analogique classique à aiguille, et cadran :

A des incrustations de petit afficheur LCD ou à cristaux liquides noir et blanc à segments ou non, donnant quelques données sur la gestion moteur ou l'ordinateur de bord :

A de vrai mini télé d'une qualité toujours grandissante, pour arriver à obtenir des véhicules où il n'est pas rare de trouver jusqu'à trois écrans ! Un pour afficher les données de navigation, d'ordinateur de bord, de radio et d'options modifiables par le conducteur (langue de dialogue, modification du type de conduite, arrêt de l'essuie glace arrière, etc.). Quant aux deux autres écrans, ils permettent alors aux passagers arrières de ne plus trouver le temps aussi long lors des voyages, en leur permettant de regarder le dernier film en DVD, ou de jouer à leur dernier jeu sur console du dernier cri !

Combiné d'instrument pour le sport auto :

Les systèmes multimédia ne sont pas les seuls à profiter de cette avancée technologique.

Bien plus important pour la conduite, les systèmes de sécurité et de confort mis sur le marché permettent d'informer le conducteur pour des régulations de vitesse de seconde génération (régulateur actif vitesse-distance avec fonction stop & go de BMW), des manœuvres de parking aidées (système de stationnement), des assistants de maintient de voie évolués (alerte de dérive, vision latérale des angles morts, etc.).

Tous ces systèmes voient leur heure de gloire arriver grâce :
 - aux capacités d'affichage d'une taille adaptée aux applications automobiles (encombrement réduit)

-  et d'une qualité d'affichage sans cesse grandissante qu'apporte la technologie Liquid Cristal Display ou LCD.

Cette tendance est confirmée avec la multiplication des écrans embarqués. Que ce soit chez Citröen, BMW, Mercedes, Peugeot, Honda et tant d'autres, ou des équipementiers comme Bosch, les combinés d'instruments, les interfaces Homme-Machine ou encore les commandes et affichages de confort et multimédia, les écrans prennent la place. On peut trouver jusqu'à 6 écrans par exemple sur la Honda "e" de 2019, 3 sur toute la largeur de la planche de bord pour la conduite, le confort-multimédia et la connectivité, tandis que 2 autres au niveau des portes remplaces les classiques rétroviseurs extérieurs et le dernier écran à pris la place du rétroviseur intérieur !

On peut trouver des dalles de 8 à 12 pouces (20 à 30mm) pour les plus courantes, ou alors des dalles intégrées à des commandes au volant (comme sur la BMW Vision M Next) ou carrément de 48 pouces (1,22m) sur toute la planche de bord!




Voyons rapidement comment fonctionne cette technologie et ses impacts sur les techniciens automobiles.

Le fonctionnement LCD :

Tout d'abord, une image est constituée de milliers de points quadrillants l'écran d'un moniteur ou d'un téléviseur, appelés « pixel ». Tous ces points mis ensemble constitueront l'image fixe ou animée désirée. Donc, plus vous avez de « pixels » pour « dessiner » une image, plus vous aurez de finesse et donc une qualité importante. Il « suffit » d'avoir un système suffisamment rapide pour piloter les pixels de manière à afficher les bonnes couleurs aux endroits désirés pour rendre l'image telle qu'elle doit être au rythme voulu pour que nous puissions discerner les logos, les chiffres, ou tout autre chose animée ou non.

Pour créer une couleur, le mélange de trois couleurs que sont le rouge, le vert et le bleu, permet d'obtenir un panel de couleur tout à fait satisfaisant. La Commission internationale de l'éclairage (CIE) a déterminé sur un échantillon de la population la gamme de couleurs que l'œil humain sait discerner et distinguer pour définir les standards RGB (Red, Green, Blue) et d'autres (NTSC, etc.).

Un pixel est donc constitué de trois sous-pixels de couleurs élémentaires. (Avec chacun un filtre : soit Rouge, soit Vert, soit Bleu).

Le principe de fonctionnement est simple :

- Le LCD n'émet aucune lumière mais se comporte comme un interrupteur.

- Un écran LCD dispose d'un rétro-éclairage blanc.

- La lumière émise par le rétro-éclairage passe à travers le cristal liquide avant d'être colorée par un filtre.

Chaque sous pixel dispose donc de la même architecture, seul le filtre de couleur change au final. On peut contrôler électriquement le cristal liquide de chaque sous-pixel comme une vanne. On laisse passer plus ou moins de lumière à travers le cristal. Ce faisant, on module la quantité de rouge, de vert et de bleu qu'on veut pour chaque pixel.

Pour le technicien, ces écrans se trouvent soit sur des combinés d'instruments, regroupant alors plusieurs fonctions en plus de l'affichage proprement dit. Soit en tant qu'afficheur seul. Dans tous les cas, le contrôle et le diagnostic de ces systèmes répond aux règles d'intervention sur des systèmes multiplexés :

- Outil de diagnostic
- Appartenance à un ou plusieurs réseaux du véhicule sur protocole CAN et/ou MOST

Quelques aspects techniques:

Voyons comment fonctionne cet interrupteur à lumière :

Le rétro éclairage émet une lumière blanche, naturelle, non polarisée. La polarisation de la lumière est dictée par l'orientation de son vecteur champ électrique.

Une lampe émet une lumière non polarisée.

Le champ électrique peut prendre n'importe quelle direction perpendiculaire à l'axe de propagation de la lumière.

Lorsque la lumière passe dans un polariseur, la lumière qui en ressort dispose d'un vecteur champ électrique orienté selon une direction connue (verticale dans l'exemple).

Si on fait passer cette lumière à travers un deuxième polariseur, perpendiculaire au premier (horizontal dans l'exemple), plus aucune lumière ne ressort. Mais si on intercale un cristal liquide entre ces deux polariseurs, le cristal fait tourner le plan de polarisation de la lumière pour l'aligner avec le polariseur de sortie et alors, la lumière passe.

C'est cette propriété naturelle du cristal liquide qui lui vaut son succès dans les techniques d'affichage.

Soit pour simplifier le montage suivant :

Si on impose une tension continue aux bornes du cristal liquide, les cristaux s'orientent selon cette différence de potentiel. En ne permettant plus la rotation du plan de polarisation, la lumière ne passe plus à travers le polariseur horizontal puisqu'elle reste polarisée verticalement. Le faisceau lumineux est donc interrompu.

En jouant sur cette tension, on peut moduler plus la "fermeture" de l'interrupteur et obtenir des états intermédiaires.

Au départ, la technologie utilisée était le TN (Twisted Nematic) d'une qualité moyenne. La stabilité de l'image a été améliorée avec le DSTN (Dual Scan Twisted Nematic), grâce à un double balayage. Mais cela restait des technologies dites à « matrice passive ». Avec une forte rémanence ou latence d'image, en bref l'image met du temps à s'afficher et à passer à une autre.

On est passé à des « matrices actives » pour piloter les nouveaux écrans. On fait appel à une technique qui a donné, dans le langage courant, le nom à ces écrans : TFT, pour Thin Film transistor.

On réalise une matrice active structurée ainsi :

L'astuce consiste à ajouter un transistor par pixel.

Ce transistor fonctionne comme un interrupteur.

- Lorsque l'interrupteur est fermé (on), on peut écrire une donnée de data-IN vers la capacité mémoire.
- Lorsque l'interrupteur est ouvert (off), la donnée reste sur la capacité qui fonctionne alors comme une mémoire analogique.


Les avantages de cette technologie sont très nombreux. Lorsque l'interrupteur se ferme, la donnée reste stockée sur la capacité, le cristal liquide aura donc une tension constante à ses bornes même lorsque les lignes adresseront un autre pixel. Il ne reviendra donc pas à sa configuration initiale (lenteur d'affichage, latence ou rémanence d'image, etc…).

Ensuite, le temps d'écriture sur la capacité est bien plus faible que le temps de rotation du cristal, on peut donc écrire la donnée et adresser immédiatement un autre pixel sans attendre.

Pour faire fonctionner un pixel TFT, il faut des tensions de l'ordre de -5 à +20 volts.

On peut symboliser les pixels constitués avec le schéma électrique suivant :

Soit la découpe d'un écran TFT avec les deux schémas suivants :

1 : plaques de verre
2 et 3 : polarisants vertical et horizontal
4 : filtre couleur RVB
5 et 6 : lignes de commande horizontales et verticales
7 : couches polymère d'alignement
8 : entretoises
9 : transistors
10 : électrode frontale
11 : électrodes élémentaires

Une entretoise est ajoutée afin d'éviter l'écrasement des deux couches de verre. On dépose ensuite le cristal liquide, et une électrode qui servira de référence. Ensuite viennent les filtres de couleurs (vert dans l'exemple), la plaque de verre avant et un autre polariseur, orienté perpendiculairement au premier.

A la verticale du transistor, on dépose un filtre de couleur noire. La raison est simple :

- au-dessus du transistor, on ne contrôle pas la tension par rapport à l'électrode commune.
- elle dépend de la tension de la ligne DATA IN, qui peut changer même si on n'adresse pas ce pixel.

On doit donc masquer cette zone mal définie pour éviter des désagréments à l'utilisateur.


LCD, avantages et inconvénients

Avantages :

- En terme de qualité d'image, le LCD offre une luminosité supérieure à celle du cathodique. Les pixels LCD ne scintillent pas,  cela apporte une stabilité d'image exceptionnelle qui permet de s'approcher sans pour autant fatiguer les yeux. De plus, la luminosité est excellente et la netteté parfaite.

- L'encombrement est  très réduit et permet de réaliser des dalles de très petite taille, à faible consommation et à une durée de vie moyenne de 40000 heures.

- Le LCD n'est pas sujet aux phénomènes d'incrustation d'image ou de « burn-in » qui dans le cadre de certaines applications professionnelles, peut par exemple incruster le logo de la marque sur l'écran si celui-ci reste au même endroit en permanence.

Ces avantages expliquent pourquoi au sein des équipements automobiles embarqués de multimédia, d'affichage ou d'interface utilisateurs, c'est cette technologie d'affichage qui a été mise en place.

Inconvénients :

Les inconvénients de cette technologie ne gênent en rien les applications spécifiques embarquées au sein de l'automobile. Elles auront un impact plus important pour une utilisation classique dans les maisons :

- Les angles de visions ne sont clairement pas excellents comparés à d'autres technologies, (type plasma, ou cathodique). Mais ces autres technologies ne sont pas adaptées à l'environnement réduit qu'est l'automobile.

- Le contraste reste un cran en dessous du tube et du plasma.

- La profondeur du noir par contre, est le plus gros défaut. Comme nous l'avons vu, les pixels des dalles LCD sont des interrupteurs à lumière qui ne sont pas parfaits : ils fuient. Même lorsque l'interrupteur est ouvert (off), une quantité de lumière non négligeable passe encore.

- La latence des dalles LCD est un autre point. Elles sont fondamentalement lentes, mais de gros progrès ont permis d'atteindre des niveaux tout à fait satisfaisants, proches des écrans à tube.

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Méthodes et pratiques

Pour les interventions de maintenance et de diagnostic des équipements de première monte, les intervenants techniques doivent savoir diagnostiquer et appliquer les règles de maintenance des systèmes à gestion électronique multiplexés.

Diagnostic :

Les calculateurs de tels systèmes ont tous des autodiagnostics interrogeables pour :

- obtenir des blocs de valeurs de mesure (codes défauts, identifications, etc.)

- réaliser des diagnostics des actionneurs et des capteurs (test des témoins de l'écran, test du contraste de l'écran, etc.)

- réaliser un codage du calculateur.

- réaliser un contrôle automatisé du réseau optique MOST

Pour la seconde monte de systèmes de confort et de sécurité : par exemple les radars et caméra de recul, les régulateurs de vitesse, les kits main libre « Bluetooth »  avec afficheur, etc. Et pour la monte des systèmes multimédia : avec écrans déportés ou non, lecteur DVD, console, amplificateur, etc. Il faut que le technicien sache :


- identifier les systèmes multiplexés en présence : CAN, LIN, MOST etc, et leur spécificités (alimentation spécifique, mise en sécurité, branchement-débranchement, réveil, etc.)

- identifier les limites et les interdictions pour la pose du câblage supplémentaire : épissures autorisées ou non, longueur du rajout des câbles, branchement au réseau de puissance, choix du passage des câbles additionnels, etc.

- installer les équipements de seconde monte conformément aux préconisations du fournisseur et aux règles d'interventions du constructeur : respecter les schémas fournis par le fabriquant de l'équipement et vérifier la conformité de l'intervention selon les normes du constructeur du véhicule. Dans certains cas il existe un paradoxe : le système demande un branchement sur le réseau multiplexé du véhicule, par exemple sur la prise diagnostic, alors que le constructeur interdit tout branchement supplémentaire sur son réseau. Dans ce cas, le technicien et l'entreprise doivent se renseigner plus précisément sur les impacts de leur intervention. (garantie constructeur, équipementier, client, etc.)

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Impact sur les compétences en atelier

Les techniciens doivent être en mesure de:

• Mettre à jour des logiciels de gestion de l'IHM.
• Connaître les applications smartphones généralistes ou spécifiques aux constructeurs
• Réaliser des interventions de diagnostic comme tout système à gestion électronique.

Les réceptionnaires et les vendeurs peuvent:

• Être en mesure d'orienter sur l'utilisation adéquate des systèmes par l'utilisateur
• Connaître les applications smartphones généralistes ou spécifiques aux constructeurs
• Être en mesure de faire évoluer le pack service ou abonnement du client selon les préconisations du constructeur et les désidératas du client.

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Exemple d’outillage approprié

Multimètre
Oscilloscope
Outil de diagnostic
Maintien de tension homologué (à forte capacité)