Willkommen an der Riverdi University! In diesem Vortrag werden wir über Schnittstellen in LCD-Anzeigemodulen sprechen. Wir werden die verschiedenen Arten von Display-Schnittstellen, die wir anbieten, zusammenstellen und erläutern, wie sie sich unterscheiden. Sie werden erfahren, welche externen und internen Schnittstellen wir haben und was ihre Hauptanwendungen sind.
Was ist eine Schnittstelle und was ist ein Protokoll?
Ein Protokoll definiert die Regeln für den Informationsaustausch, wobei die Schnittstelle das Medium ist. Als Beispiel könnte hier die Sprache dienen. Wenn ich meine Stimme benutze, um mit anderen Menschen zu kommunizieren, ist meine Stimme eine Schnittstelle. Über diese Schnittstelle wird meine Stimme an die Ohren anderer Menschen gesendet, und das Protokoll ist die verwendete Sprache. Im Moment verwende ich das englische Protokoll. Wenn Sie das Protokoll verstehen, verstehen Sie, was ich sage. Wenn ich zu einer anderen Sprache wechsle, Polnisch oder eine andere Sprache, die Sie nicht verstehen, haben Sie die gleiche Schnittstelle, Sie hören mich immer noch, aber aufgrund eines anderen Protokolls verstehen Sie mich nicht mehr. In diesem Artikel werden wir nur über Schnittstellen sprechen, also darüber, wie man Geräte miteinander verbindet. Wir werden uns nicht mit Protokollen befassen.
Universelle Schnittstellen und Bildübertragungsschnittstellen in LCD-Modulen
Lassen Sie uns versuchen, die Schnittstellen richtig zu gestalten. Für interne Schnittstellen, also in das Gerät eingebettete Schnittstellen, gibt es universelle Schnittstellen und Bildübertragungsschnittstellen. Die universelle Display-Schnittstelle kann nicht nur Bilder, sondern auch andere Daten senden. Da sie universell einsetzbar sind, eignen sie sich nicht perfekt für die Bildübertragung, denn bei den meisten der heute verwendeten Bildschirme ist die Bildübertragung eine der anspruchsvollsten. Die Bitrate, also der Datentransfer, der für die Bildübertragung benötigt wird, ist recht hoch. Höher als viele universelle Schnittstellen bieten können. Wenn wir nur ab und zu ein Bild senden müssen, brauchen wir keine sehr hohe Bandbreite. Wenn wir keinen Live-Videostream benötigen, können wir einige der internen universellen Schnittstellen wie SPI, I2C oder sogar langsame Schnittstellen wie RS232 oder UART verwenden.
SPI (Serielle Peripherie-Schnittstelle).
Die erste universelle Schnittstelle wird SPI (Serial Peripheral Interface) sein. Diese Schnittstelle ist seriell und dient der Kommunikation zwischen einem Host, bei SPI Master genannt, und Geräten, die Slaves genannt werden. Ein Host kann mit vielen Slaves kommunizieren. Um den Slave zu wählen, verwenden wir die Chip-Select- oder SS-Leitung und dann zwei Datenleitungen, Master-Ausgang oder Master-Eingang. Und natürlich müssen wir die Uhr definieren, um die Daten zu synchronisieren, denn es handelt sich um eine uhrensynchronisierte Schnittstelle.
I2C-Schnittstelle
Als nächstes haben wir die I2C-Schnittstelle. Diese Art von Schnittstelle ist normalerweise langsamer als SPI. Es werden nur zwei Leitungen verwendet, d. h. eine dient als Taktgeber für die Synchronisation, die andere ist die Datenleitung. Diese Datenleitung ist bidirektional. Das heißt, wenn wir bei SPI zwei Datenleitungen haben, eine ausgehende und eine eingehende, dann haben wir bei einer I2C-Schnittstelle nur eine Datenleitung. Wenn zum Beispiel der Master Daten sendet, können die Slaves diese nur empfangen. Und dann müssen wir noch ein bisschen warten, bis der Meister fertig ist. Wir können dann als Sklave auf den Meister reagieren. Bei I2C funktioniert die Slave-Auswahl etwas anders als bei SPI, wo wir eine Chip Select-Leitung (CS-Leitung) oder SS-Leitung zur Auswahl hatten. Bei I2C müssen wir zunächst die logische Adresse an die Schnittstelle senden, die von den Slaves geschrieben wird. Im Allgemeinen ist diese Prozedur langsam und eine universelle Schnittstelle, die auch für den Anschluss des einfachen Speichers und einiger anderer I2S verwendet wird, die wir um unseren Mikrocontroller auf der Platine haben. Sie ist sehr nützlich, wird aber normalerweise nicht für die Bildübertragung verwendet. Diese Schnittstelle ist in der Welt der Displays für Touchscreens sehr beliebt. Die meisten der eingebetteten Touchscreens, die wir verwenden, haben eine I2C-Schnittstelle, da der Touchscreen nicht viele Daten erzeugt. Wir haben nur die Koordinaten des Fingers oder höchstens einiger Finger, die an den Mikrocontroller, den Geräteprozessor, zurückgeschickt werden müssen. Die langsame Baudrate ist gut genug für den Touchscreen, aber nicht genug für das Bild.
RS232-Schnittstelle
Die nächste Schnittstelle, die heutzutage schon sehr alt ist, ist RS232. Dies ist ebenfalls eine serielle, langsame Schnittstelle, die geräteintern oder extern verwendet werden kann. Auf dem Bild oben sind die externen Anschlüsse zu sehen, aber er wird trotzdem intern verwendet, weil er eine Variante hat – UART.
UART-Schnittstelle in LCD-Modulen
Der UART ist im Grunde dasselbe wie RS232, aber es ist eine vollständig interne Schnittstelle. Es ist ziemlich langsam. Wir haben eine TX-Leitung und eine RX-Leitung – eine Sendeleitung und eine Empfangsleitung. Wir haben hier keine Uhr, wir haben nur eine Uhr, um das Gerät intern zu synchronisieren, aber das Taktsignal wird nicht nach außen gesendet. Wir müssen also die Daten, die über die Leitungen kommen, synchronisieren, und dazu müssen wir auf beiden Seiten der Kommunikationsleitung die gleiche Baudrate einstellen. Das bedeutet, dass wir uns vor der Verwendung von UART zunächst über die zu verwendende Geschwindigkeit einigen müssen. Das ist bei SPI oder I2C nicht der Fall, weil wir dort einen Takt haben, der jedem Gerät die Geschwindigkeit vorgibt. Dann arbeitet jedes Gerät nach der Uhr. In UART haben wir keinen Taktgeber. Es wird eher nicht für die Bildübertragung verwendet. UART, SPI oder I2C können für Displays mit niedriger Auflösung verwendet werden. Für hochauflösende Displays benötigen wir ein intelligentes Display, ein Display, das das Bild intern generiert, und über diese langsamen universellen Schnittstellen senden wir nur Befehle, oder wir senden das Bild einmal, das Bild wird im internen Speicher des intelligenten Displays gespeichert, das wir später zum Senden der Befehle verwenden werden. Sie finden die Produktlinie der intelligenten Displays von Riverdi auf unserer Website: https://riverdi.com/product-category/intelligent-displays/. Diese Riverdi-Produkte sind sehr fortschrittliche intelligente Displays, die mit Bridgetek-Controllern hergestellt werden. Die Steuerungen verwenden SPI und QSPI für die Kommunikation. Das bedeutet, dass Ihre Software, Ihr System, Ihr Mikrocontroller einfach sein kann. Sie können über die SPI-Schnittstelle angesteuert werden und bieten trotzdem eine hohe Bildauflösung, sogar bis zu 1280 x 800 Pixel bei 10,1-Zoll-LCD-Displays. Denken Sie also daran, dass Sie eine intelligente Anzeige verwenden müssen, wenn Sie eine langsame Universalschnittstelle und ein hochauflösendes Bild verwenden möchten.
Interne Bildübertragungsschnittstellen in LCD-Modulen
Es gibt auch interne Schnittstellen für die Bildübertragung. Die Bildübertragungsschnittstelle ermöglicht eine kontinuierliche Hochgeschwindigkeits-Bildübertragung. Die interne Übertragung ist hoch genug, um die Anzeige mehrmals pro Sekunde zu aktualisieren. Dies wird als die Bildwiederholfrequenz eines Bildschirms bezeichnet. Wenn Sie die Spezifikationen eines Bildschirms, Monitors oder Fernsehgeräts aufrufen, sehen Sie den Parameter für die Bildwiederholfrequenz oder die maximale Bildwiederholfrequenz. Bei 60 Hertz wird das Bild 60 Mal pro Sekunde aufgefrischt. Fortschrittlichere Displays haben höhere Werte, etwa 100 Hertz. Die Aktualisierungsrate bedeutet, dass wir das gesamte Bild 60- oder 100-mal pro Sekunde senden müssen. Um diese Datenmenge zu visualisieren, müssen wir die Bildwiederholfrequenz mit der Auflösung des Bildschirms multiplizieren. Bei einem 7-Zoll-Riverdi-LVDS-Display mit einer Auflösung von 1024 x 600 sind es beispielsweise rund 600 Tausend Pixel. Dieses Thema wurde erläutert in der LCD-TFT-Displaymodule – Theorie, Besonderheiten, Vergleich Vortrag behandelt. LCD-TFT-Displays haben drei Farb-Subpixel, so dass dreimal mehr Daten über die Schnittstelle gesendet werden müssen. 600 Tausend Pixel multipliziert mit 3 ergibt etwa 1,8 Millionen Subpixel. Zu jedem Subpixel müssen wir Daten über seinen EIN- oder AUS-Zustand und seine Helligkeit liefern. Normalerweise verwenden wir dafür 8 Bit. Bei einem 2-Mega-Subpixel-Display und 8 Bits Helligkeit werden etwa 16 Millionen Bits für die Übertragung von Bildern benötigt. Bei einer Bildwiederholfrequenz von 100 Hertz müssen wir dies 100 Mal pro Sekunde tun. Die Bildübertragungsschnittstellen müssen sehr, sehr schnell sein und arbeiten mit einer Baudrate von Hunderten von Megahertz (oder sogar Gigahertz), um diese Datenmenge pro Sekunde übertragen zu können.
LVDS – Niederspannungs-Differenzial-Signalschnittstelle
Die gängigste interne Bildübertragungsschnittstelle in industriellen LCD-Displays ist heutzutage LVDS – Low Voltage Differential Signal. Ein entscheidendes Merkmal dieser Schnittstelle ist, dass sie differenziert ist. Das bedeutet, dass das Signal immun gegen Störungen ist und wir ein verdrilltes Leitungspaar zur Datenübertragung verwenden können. Wir können Daten schnell senden und sie werden nicht durch Rauschen oder Störungen beeinträchtigt. Diese Art der Datenbeschädigung ist bei anderen Schnittstellen durchaus üblich.
Das Wichtigste zum Mitnehmen: Bei LVDS-Display-Schnittstellen ermöglicht das Differenzsignal die Übertragung des Signals mit sehr hoher Geschwindigkeit und schützt es vor Störungen.
RGB-Schnittstelle
Die nächste, ältere Bildübertragungsschnittstelle wird als RGB bezeichnet. Der Name kommt von den Farben, die parallel zum Display gesendet werden: Rot, Grün und Blau. LVDS ist eine serielle Schnittstelle und RGB ist eine parallele Schnittstelle. Der Hauptunterschied besteht darin, dass RGB nicht differenziell ist, so dass es leichter ist, das Signal durch Rauschen zu stören, und Sie die Geschwindigkeit dieser Schnittstelle zu hoch konfigurieren. Parallele Schnittstelle bedeutet, dass wir jedes Bit in einer eigenen Leitung senden. Theoretisch könnte diese Schnittstelle schnell sein, aber da sie nicht differenziell ist, ist die Übertragungsgeschwindigkeit begrenzt. Darüber hinaus funktioniert die RGB-Display-Schnittstelle auch mit relativ kleinen Bildschirmen – in der Regel bis zu 7 oder 10 Zoll.
Wichtigste Erkenntnis: RGB ist langsam und nicht immun gegen Rauschen. Verwenden Sie es für kleinere Bildschirme oder mit geringerer Auflösung.
MIPI – Schnittstelle für mobile Industrieprozessoren
MIPI – Mobile Industry Processor Interface – ist eine intern eingebettete Bildübertragungsschnittstelle, die heutzutage immer beliebter wird. Diese Art von Schnittstelle wird in mobilen Anwendungen, Tablets oder Mobiltelefonen verwendet, kommt aber auch für industrielle Anwendungen in Frage. In Riverdi bieten wir 7-Zoll-MIPI-Displays an, aber bitte seien Sie vorsichtig mit anderen MIPI-Displays auf dem Markt. Viele kommen aus dem Mobiltelefon- oder Tablet-Markt. Außerdem ist die Verfügbarkeit von TFT-Glas möglicherweise nicht stabil, da sich der Markt für Mobiltelefone sehr schnell ändert, alle sechs Monate oder jedes Jahr. Wenn Sie ein 7-Zoll-Riverdi-Display mit MIPI-Schnittstelle kaufen, sind Sie auf der sicheren Seite, denn es ist ein industrielles Display. Aus diesem Grund haben wir eine begrenzte Anzahl von Displays mit MIPI-Schnittstelle – wir wollen sicher sein, dass das, was wir verkaufen, für eine lange Zeit verfügbar sein wird. Langlebigkeit ist einer der Kernwerte von Riverdi, und wir möchten nichts liefern, das nicht mindestens 3 bis 5 Jahre lang unterstützt wird. Der Grund dafür ist, dass viele unserer Kunden industrielle, medizinische oder militärische Geräte herstellen und die Displays langfristig verfügbar sein müssen.
Das Wichtigste zum Mitnehmen: MIPI ist eine wichtige und wachsende Schnittstelle auf dem Display-Markt.
Vx1 Bildübertragungsschnittstelle
Die nächste Schnittstelle ist die Vx1. Es ist ähnlich wie LVDS und MIPI, also ein Niederspannungs-Differenzsignal. Vx1 ist eine sehr schnelle Schnittstelle, die normalerweise in großen, hochauflösenden Bildschirmen wie 55-Zoll-4K-Fernsehern oder noch größeren Geräten verwendet wird. Wenn Sie jetzt ein solches Fernsehgerät kaufen, wird die eingebettete Schnittstelle wahrscheinlich die Vx1 sein.
Das Wichtigste zum Mitnehmen: Vx1 ist eine superschnelle Schnittstelle, die für Bildübertragungen mit hoher Bandbreite, hoher Bildwiederholfrequenz und hochauflösenden Displays verwendet wird, die in 4K-Bildschirmen und darüber verwendet werden.
eDP-Bildübertragungsschnittstelle
Die letzte interne Bildübertragungsschnittstelle ist Embedded DisplayPort (eDP). Wir nennen es das neue LVDS, weil viele neue industrielle Displays mit dem eDP ausgestattet sind. Wenn Sie sich unter den industriellen Herstellern von TFT-LCD-Displays umsehen, werden Sie feststellen, dass immer mehr Modelle mit dem eDP erhältlich sind. eDP ist auch eine native Schnittstelle in neuen Intel- oder AMD-basierten Prozessoren.
Das Wichtigste zum Schluss: Mit dem eingebetteten DisplayPort als nativer Display-Schnittstelle können Sie Kosten sparen, da Sie nichts Zusätzliches benötigen, um ein Display an den Prozessor anzuschließen.
MIPI vs LVDS vs eDP – Industrielle interne Schnittstellen im Vergleich
Wir haben den Großteil der internen Schnittstellen abgedeckt:
- Universell: SPI, I2C, RS232 und UART
- Parallel: RGB
- Schnelle Bildübertragung: LVDS, MIPI, Vx1 und eDP (Embedded Display Port)
Jetzt, mit den auf dem Markt befindlichen Prozessoren, brauchen wir Displays mit integriertem DisplayPort. Viele Laptops oder Monitore verwenden bereits eingebetteten DisplayPort als interne Schnittstelle anstelle von LVDS. LVDS ist nach wie vor die beliebteste industrielle LCD-Display-Schnittstelle. Alle internen Bildübertragungsschnittstellen wie MIPI, Vx1 und eDP sind Abwandlungen von LVDS, wobei die Protokolle und Signale ein wenig anders sind. Bei der EDV können wir zum Beispiel das Rauschen und den Stromverbrauch senken. Alle haben Vorteile gegenüber dem regulären LVDS, aber sie sind alle vom Typ LVDS.
Externe Schnittstellen
Schauen wir uns nun die externen Schnittstellen genauer an. Das sind diejenigen, zu denen wir normalerweise direkten Zugang haben. Es kann ein Fernseher oder Monitor sein, der über HDMI an Ihren Computer angeschlossen ist. Es kann sich um einen DVI-Anschluss handeln, der normalerweise für Monitore verwendet wird. Oder VGA, das eine veraltete Bildschnittstelle für Monitore ist. Der DisplayPort, der ein HDMI-Nachfolger ist. Und schließlich ein universelles USB-C, die heutzutage am häufigsten verwendete Schnittstelle zum Anschluss von Geräten.
Universelle externe USB-C-Schnittstelle
Beginnen wir mit USB-C, der universellsten Schnittstelle. Es ist eine der besten Schnittstellen, die wir je entwickelt haben, denn sie ist wirklich schnell und auch sehr universell. Es überträgt nicht nur Daten und Bilder schnell genug, sondern auch viel Strom.
Das Wichtigste zum Mitnehmen: USB-C ist eine wirklich intelligente, universelle und schnelle Schnittstelle für Displays. Er ist mit einer Kraftübertragungsoption ausgestattet.
Externe HDMI-Bildschnittstelle
Kommen wir nun zu den Schnittstellen für die Bildübertragung. Die häufigste ist HDMI – High-Definition Multimedia Interface. M steht für Multimedia, denn es überträgt Bild und Ton. Wenn Sie Ihren Computer über HDMI an Ihr Fernsehgerät anschließen, benötigen Sie ein Kabel für Video und Audio. Es gibt verschiedene Varianten von HDMI-Anschlüssen:
- Standard-HDMI,
- mini-HDMI,
- micro-HDMI.
Der Stecker ist bei beiden ein wenig anders, aber die Pinbelegung und alles andere bleibt gleich.
Das Wichtigste zum Mitnehmen: HDMI ist eine äußerst beliebte und einfach zu verwendende Schnittstelle. Es kann sowohl Multimedia-A/V-Daten senden.
Externe DVI-Bildschnittstelle
Die nächste ist DVI – Digital Visual Interface. Die erste DVI-Schnittstelle war keine Multimedia-Schnittstelle, da sie keine Audiodatenübertragung ermöglichte. Heutzutage gibt es einige Varianten, die Audio übertragen können, aber das ist kein Standard. Wir können davon ausgehen, dass DVI eher für die Bildübertragung gedacht ist. Es handelt sich um eine digitale Schnittstelle, deren Signale denen von HDMI ähneln. Die neueste Variante ist DVI-I, wobei I für integrierte Schnittstelle steht. Es kann einen digitalen und einen analogen Teil für VGA-Kompatibilität haben. In der Abbildung oben ist ein DVI-D, nur digital, wo wir nicht die Pins für analoge VGA-Schnittstelle haben. Analoges VGA ist manchmal in Desktop-Computern verfügbar, aber nicht mehr in Laptops.
Das Wichtigste zum Mitnehmen: DVI ist eine digitale visuelle Schnittstelle mit mehreren Variationen und Aktualisierungen, ähnlich dem HDMI-Signal
Externe Schnittstelle für VGA-Bilder
Die älteste noch verwendete Videoschnittstelle ist die VGA-Schnittstelle (Video Graphic Array). Sie wird immer unbeliebter. Es handelt sich um eine analoge Schnittstelle, nicht um eine digitale wie bei den anderen oben genannten Schnittstellen. Analoge Schnittstelle bedeutet, dass wir nicht die Bits übertragen, sondern die Spannungswerte. Die analogen Signale sind nicht stabil, sie können leicht gestört werden, so dass die Übertragung nicht sehr schnell und in hohem Umfang erfolgen kann.
Das Wichtigste zum Schluss: VGA erfreut sich immer geringerer Beliebtheit und ist nicht die beste Lösung, wenn Sie einen hochauflösenden Bildschirm oder eine laute Umgebung haben.
DP (Display Port) externe Bildschnittstelle
Das Wichtigste zum Mitnehmen: DisplayPort ist eine superschnelle Bild- und Tonübertragungsschnittstelle, die in Displays mit höchster Auflösung verwendet wird.
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