Interfaces en módulos de pantalla LCD – SPI, I2C, LVDS, MIPI, VX1, EDP y otros

Bienvenido a la Universidad Riverdi En esta conferencia hablaremos de las interfaces de los módulos de visualización LCD. Organizaremos los tipos de interfaces de visualización que ofrecemos y en qué se diferencian. Conocerá qué tipo de interfaces externas e internas tenemos y cuáles son sus principales aplicaciones. En primer lugar, dividamos las interfaces internas y externas de los módulos LCD. La interfaz interna de la pantalla significa que se utiliza dentro del dispositivo. Suelen ser las interfaces integradas que no son visibles y a las que no tenemos acceso como usuarios del dispositivo. Las interfaces externas, en cambio, se conectan al aparato mediante un cable. Una vez definidas las interfaces internas y externas, ambas categorías se presentan como interfaces universales o de transferencia de imágenes.

¿Qué es una interfaz y qué es un protocolo?

Un protocolo define las reglas de intercambio de información, donde la interfaz es el medio. El ejemplo podría ser la lengua. Cuando utilizo mi voz para comunicarme con otras personas, mi voz es una interfaz. A través de esta interfaz mi voz llega a oídos ajenos, y el protocolo es el lenguaje utilizado. En este momento, estoy utilizando el protocolo inglés. Si entiendes el protocolo, entiendes lo que digo. Si cambio a otro idioma, polaco u otro que no entiendas, tienes la misma interfaz, seguirás oyéndome, pero debido a un protocolo diferente, ya no me entiendes. En este artículo sólo hablaremos de interfaces, de cómo conectar dispositivos entre sí. No nos centraremos en los protocolos.

Interfaces universales e interfaces de transferencia de imágenes en módulos LCD

Intentemos que las interfaces sean correctas. Para las interfaces internas, las interfaces integradas en el dispositivo, tenemos interfaces universales e interfaces de transferencia de imágenes. La interfaz de visualización universal puede enviar otros datos, no sólo una imagen. Siendo universales, no son perfectas para la transferencia de imágenes, porque en la mayoría de las pantallas utilizadas hoy en día, la transferencia de imágenes es una de las más exigentes. La tasa de bits, la transferencia de datos necesaria para la transferencia de imágenes, es bastante alta. superior que pueden ofrecer muchas interfaces universales. Si necesitamos enviar una imagen de vez en cuando, entonces no necesitamos un ancho de banda muy elevado. Si no necesitamos transmisión de vídeo en directo, entonces podemos utilizar alguna de las interfaces universales internas como SPI, I2C o incluso interfaces lentas como RS232 o UART.

SPI (Interfaz periférica serie).

La primera interfaz universal será SPI (Serial Peripheral Interface). Esta interfaz es serie, se utiliza para la comunicación entre un host, en SPI llamado Maestro, y dispositivos llamados Esclavos. Un host puede comunicarse con muchos esclavos. Para seleccionar el Esclavo, utilizamos la línea Chip select o SS y luego utilizamos dos líneas de datos, Master output o Master input. Y por supuesto tenemos que definir el reloj, para sincronizar los datos, porque esta es una interfaz sincronizada con el reloj. Puede ser rápido, pero no lo suficiente para vídeo en directo. La velocidad en baudios puede ser de 1 MBd, pero también puede ser de 10 MBd o incluso de 50 MBd en SPI o QSPI. QSPI es un Quad SPI, un tipo de modificación de SPI que es más rápido. Pero aún así esta interfaz es muy universal, podemos usarla para conectar memoria o algunas entradas y salidas internamente en nuestro dispositivo. En el universo de las pantallas, el SPI se utiliza para pantallas sencillas, de pequeño tamaño, en las que podemos transferir la imagen relativamente rápido, porque la resolución es baja. El tamaño máximo para la interfaz de pantalla SPI sería de pantallas TFT de 3,5 pulgadas y 320 por 240 píxeles. Si tenemos mayor resolución, la transferencia de imágenes será demasiado lenta para usar SPI incluso con un SPI de alta velocidad.

Interfaz I2C

A continuación, tenemos la interfaz I2C. Este tipo de interfaz suele ser más lento que SPI. Utiliza sólo dos líneas, por lo que una es un reloj para la sincronización, y la otra es la línea de datos. Esta línea de datos es bidireccional. Significa que si en SPI tenemos dos líneas de datos, una saliente y otra entrante, en una interfaz I2C sólo tenemos una línea de datos. Si, por ejemplo, el Maestro envía unos datos, lo único que pueden hacer los Esclavos es recibirlos. Y luego tenemos que esperar un poco a que el Maestro termine. Podemos entonces responder como Esclavo al Amo. En I2C la selección de Esclavo funciona un poco diferente que en SPI, donde teníamos una línea de Selección de Chip (línea CS) o línea SS para seleccionar. En I2C primero necesitamos enviar la dirección lógica a la interfaz que está siendo escrita por los Esclavos. En general, este procedimiento es lento y universal interfaz utilizada también para conectar la memoria simple y algunos otros I2S que tenemos alrededor de nuestro microcontrolador en el PCB. Es muy útil, pero no suele utilizarse para transferir imágenes. Esta interfaz es muy popular en el mundo de las pantallas táctiles. La mayoría de las pantallas táctiles integradas que utilizamos tienen interfaz I2C porque la pantalla táctil no genera muchos datos. Sólo tenemos las coordenadas del dedo, o de unos pocos dedos como mucho, que hay que enviar al microcontrolador, al procesador del dispositivo. La lenta velocidad en baudios es suficiente para la pantalla táctil, pero no para la imagen.

Interfaz RS232

La siguiente interfaz, muy antigua hoy en día, es la RS232. También se trata de una interfaz serie lenta, que puede utilizarse internamente en el dispositivo o externamente. En la imagen de arriba podemos ver los conectores externos, pero todavía se utiliza internamente porque tiene una variación – UART.

Interfaz UART en módulos LCD

La UART es básicamente igual que la RS232, pero es una interfaz totalmente interna. Es bastante lento. Tenemos una línea TX y una línea RX – una Línea de Transmisión y una Línea de Recepción. No tenemos un reloj aquí, sólo tenemos un reloj para sincronizar el dispositivo internamente, pero la señal de reloj no se envía. Por lo tanto, tenemos que sincronizar los datos que están llegando a través de las líneas y para ello tenemos que establecer la misma velocidad en baudios en ambos lados de la línea de comunicación. Esto significa que antes de utilizar la UART tenemos que acordar primero qué velocidad vamos a utilizar. Ese no es el caso de SPI o I2C, porque ahí tenemos un reloj que da la velocidad a cada dispositivo. Entonces, cada dispositivo funciona según el reloj. En UART no tenemos reloj. No se utiliza para transferir imágenes. La UART, o SPI, o I2C se pueden utilizar para pantallas de baja resolución. Para pantallas de alta resolución necesitamos una pantalla inteligente, una pantalla que generará la imagen internamente y a través de estas interfaces universales lentas sólo enviamos comandos, o enviamos la imagen una vez, la imagen se almacena en la memoria interna de la pantalla inteligente, que utilizaremos más tarde enviando los comandos. Puedes encontrar la línea de pantallas inteligentes de Riverdi en nuestro sitio web: https://riverdi.com/product-category/intelligent-displays/. Estos productos Riverdi son Pantallas Inteligentes muy avanzadas, fabricadas con controladores Bridgetek. Los controladores utilizan SPI y QSPI para la comunicación. Eso significa que tu software, tu sistema, tu microcontrolador pueden ser sencillos. Puede utilizar la interfaz SPI para controlarlos y seguir teniendo imágenes de alta resolución, incluso de hasta 1280 por 800 píxeles en pantallas LCD de 10,1 pulgadas. Por lo tanto, recuerda que si quieres utilizar una interfaz universal lenta y tener una imagen de alta resolución, necesitas utilizar una pantalla inteligente.

Interfaces internas de transferencia de imágenes en módulos LCD

También están las interfaces internas de transferencia de imágenes. La interfaz de transferencia de imágenes permite la transferencia continua de imágenes a alta velocidad. La transferencia interna es lo suficientemente alta como para refrescar la pantalla muchas veces por segundo. Es lo que se denomina frecuencia de refresco de una pantalla. Cuando vayas a las especificaciones de una pantalla, monitor o televisor, verás los parámetros de frecuencia de refresco o frecuencia de refresco máxima. Si es de 60 hercios, significa que la imagen de la pantalla se actualiza 60 veces por segundo. Las pantallas más avanzadas tendrían valores más altos, como 100 hercios. La frecuencia de actualización significa que tenemos que enviar la imagen completa 60 veces o 100 veces en cada segundo. Para visualizar esta cantidad de datos, tenemos que multiplicar la frecuencia de actualización por la resolución de la pantalla. Por ejemplo, para una pantalla Riverdi LVDS de 7 pulgadas con una resolución de 1024 por 600 son aproximadamente 600 mil píxeles. Este tema se explicó en el Módulos de visualización LCD TFT – teoría, características especiales, comparación conferencia. Las pantallas LCD TFT tienen tres subpíxeles de color, por lo que hay tres veces más datos que enviar a través de la interfaz. 600 mil píxeles multiplicados por 3 nos dan aproximadamente 1,8 millones de subpíxeles. A cada subpíxel hay que entregarle datos sobre su estado ON u OFF y su luminosidad. Para ello solemos utilizar 8 bits. Si tenemos una pantalla de 2 megapíxeles y 8 bits de brillo, necesitaremos aproximadamente 16 millones de bits de trama para ser transferidos. Con una frecuencia de refresco de pantalla de 100 hercios necesitamos hacerlo 100 veces por segundo. Las interfaces de transferencia de imágenes tienen que ser muy, muy rápidas y trabajar a cientos de Megahercios de velocidad de transmisión (o incluso a Gigahercios) para poder transferir esta cantidad de datos por segundo.

LVDS – Interfaz de señal diferencial de baja tensión

La interfaz interna de transferencia de imágenes más común en las pantallas LCD industriales de hoy en día es LVDS – Low Voltage Differential Signal (señal diferencial de baja tensión). Una característica crucial de esta interfaz es que es diferencial. Significa que la señal es inmune a las interferencias y podemos utilizar un par trenzado de cables para transferir los datos. Podemos enviar datos rápidamente y no se verán afectados por ruidos o interferencias. Este tipo de corrupción de datos es bastante común en otras interfaces.

Lo más importante: En la interfaz de pantalla LVDS, la señal diferencial permite enviar la señal a una velocidad muy alta y mantenerla a salvo del ruido.

Interfaz RGB

La siguiente interfaz de transferencia de imágenes, más antigua, se denomina RGB. Su nombre procede de los colores que se envían en paralelo a la pantalla: rojo, verde y azul. LVDS es una interfaz serie y RGB es una interfaz paralela. La principal diferencia es que RGB no es diferencial, por lo que es más fácil perturbar la señal con ruido y configurar la velocidad de esta interfaz demasiado alta. Interfaz paralela significa que enviamos cada bit en una línea separada. En teoría, esta interfaz podría ser rápida, pero al no ser diferencial, la velocidad de transferencia es limitada. Además, la interfaz de pantalla RGB funcionará con tamaños de pantalla más bien pequeños, normalmente de hasta 7 o 10 pulgadas. El tamaño de pantalla de 12 pulgadas es el máximo total para una pantalla LCD con interfaz RGB, pero la resolución será menor, como 800 por 600. Para este tamaño de pantalla, la resolución es muy baja. Esta es la razón por la que el tamaño de 7 pulgadas es el tamaño por encima del cual las pantallas LCD están pasando de la interfaz RGB a la LVDS. Entre los productos de Riverdi (si vas al sitio web de Riverdi y a la pestaña de pantallas IPS), hay pantallas sin el controlador, y las pantallas pequeñas como las de 3,5 pulgadas, 4,3 pulgadas y 5 pulgadas están equipadas con interfaz RGB. Pero si vas a la pestaña de pantallas LCD de 7 pulgadas del sitio web de Riverdi, encontrarás pantallas RGB, LVDS y MIPI. Pero cuando pasamos a las pantallas de 10 pulgadas o más, sólo encontraremos las pantallas LVDS porque nuestras pantallas LCD de 10 pulgadas son de alta resolución 1280 por 800, y es imposible construirlas con la interfaz RGB.

Lo más importante: RGB es de baja velocidad y no es inmune al ruido. Utilízalo para las pantallas de menor tamaño o con menor resolución.

MIPI – Interfaz de procesador para la industria móvil

MIPI – Mobile Industry Processor Interface – es una interfaz de transferencia de imágenes integrada internamente, cada vez más popular en estos días. Este tipo de interfaz se utiliza en aplicaciones móviles, tabletas o teléfonos móviles, pero está entrando como opción en las aplicaciones industriales. En Riverdi ofrecemos pantallas MIPI de 7 pulgadas, pero tenga cuidado con otras pantallas MIPI del mercado. Muchos proceden del mercado de teléfonos móviles o tabletas. Además, la disponibilidad del cristal TFT puede no ser estable, ya que el mercado de los móviles cambia muy deprisa, cada seis meses o cada año. Cuando compras una pantalla Riverdi de 7 pulgadas con interfaz MIPI estás seguro, porque es una pantalla industrial. Por eso tenemos un número limitado de pantallas con interfaz MIPI: queremos estar seguros de que lo que vendemos estará disponible durante mucho tiempo. La longevidad es uno de los valores fundamentales de Riverdi y no queremos suministrar nada que no vaya a recibir soporte durante un mínimo de 3 a 5 años. Esto se debe a que muchos de nuestros clientes fabrican dispositivos industriales, médicos o militares y necesitan que las pantallas estén disponibles a largo plazo.

Lo más importante: MIPI es una interfaz importante y creciente en el mercado de las pantallas.

Interfaz de transferencia de imágenes Vx1

La siguiente interfaz es la Vx1. Es similar a LVDS y MIPI, por lo que se trata de una señal diferencial de bajo voltaje. Vx1 es una interfaz de muy alta velocidad, que suele utilizarse en grandes pantallas de alta resolución, como televisores 4K de 55 pulgadas o incluso más grandes. Si ahora mismo compras un televisor de este tipo, probablemente la interfaz integrada en su interior será la Vx1.

Lo más importante: Vx1 es una interfaz superrápida utilizada para la transferencia de imágenes de gran ancho de banda, con alta frecuencia de refresco y pantallas de alta resolución, utilizada en pantallas 4K y superiores.

Interfaz de transferencia de imágenes eDP

La última interfaz interna de transferencia de imágenes es Embedded DisplayPort (eDP). Lo llamamos el nuevo LVDS, porque muchas de las nuevas pantallas industriales están equipadas con el eDP. Si consulta a los fabricantes industriales de pantallas LCD TFT, observará que cada vez hay más modelos disponibles con la eDP. eDP también es una interfaz nativa en los nuevos procesadores basados en Intel o AMD.

Lo más importante: Con el DisplayPort integrado como interfaz de pantalla nativa puedes reducir costes, porque no necesitas nada extra para conectar una pantalla al procesador.

MIPI vs LVDS vs eDP – Comparación de interfaces industriales internas

Hemos cubierto la mayoría de las interfaces internas:

• Universal: SPI, I2C, RS232 y UART
• En paralelo: RGB
• Rápida transferencia de imágenes: LVDS, MIPI, Vx1 y eDP (Embedded Display Port)

Ahora, con los procesadores que hay en el mercado, necesitamos pantallas con DisplayPort integrado. Muchos portátiles o monitores ya utilizan DisplayPort integrado como interfaz interna en lugar de LVDS. LVDS sigue siendo la interfaz de pantalla LCD industrial más popular. Todas las interfaces internas de transferencia de imágenes como MIPI, Vx1 y eDP son variaciones de LVDS, en las que los protocolos y las señales son un poco diferentes. Por ejemplo, en el caso de la eDP podemos tener menos ruido y menor consumo de energía. Todos ellos tienen ventajas sobre los LVDS normales, pero todos son del tipo LVDS.

Interfaces exteriores

Veamos ahora más de cerca las interfaces externas. Esos son a los que solemos tener acceso directo. Puede ser TV o monitor conectado a su ordenador con el HDMI . Puede ser un DVI utilizado normalmente para monitores. O VGA, que es una interfaz de imagen obsoleta para monitores. El DisplayPort que es un sucesor del HDMI. Por último, un USB-C universal, la interfaz más común hoy en día para conectar dispositivos.

Interfaz externa universal USB C

Empecemos por USB-C, la interfaz más universal . Es una de las mejores interfaces que hemos diseñado, porque es realmente rápida y también muy universal. No sólo transfiere datos, no sólo es lo suficientemente rápido para transferir imagen, sino que también puede transmitir mucha energía. USB-C transmite hasta 100 vatios de potencia, porque puede aumentar el voltaje y la corriente. En un USB normal suele ser de 5 voltios y 0,5 o 1,0 amperios, así que sólo un par de vatios. En USB-C aumenta el voltaje hasta 20 voltios y con la corriente de 5 amperios, por lo que en total son incluso 100 vatios de potencia. Esta interfaz no sólo sirve para transmitir datos, sino también energía real. A través de USB-C puedes cargar tu teléfono y tu portátil. Si compras un portátil nuevo ahora mismo, puede que incluso no tengas un conector de alimentación normal, sino solo un USB-C. El USB-C es una interfaz muy inteligente. Si conectas los dispositivos, pueden negociar entre ellos cuál tiene más potencia. Por ejemplo, si conectamos un cargador a un portátil, el cargador tiene más potencia y cargará el portátil, pero si conectamos el portátil con la misma interfaz al teléfono móvil, entonces discutirán los niveles de potencia y, por supuesto, el portátil estará cargando el teléfono. Ya se pueden encontrar monitores en el mercado que tienen USB-C en lugar de HDMI. Estos monitores pueden alimentarse desde el ordenador y sólo necesitan un cable USB, tanto para la transferencia de imágenes como para la alimentación. Sin duda, el futuro pertenece a las implementaciones USB-C.

Lo más importante: USB-C es una interfaz realmente inteligente, universal y rápida para pantallas. Viene con opción de transmisión de potencia.

Interfaz externa de imagen HDMI

Pasemos ahora a las interfaces de transferencia de imágenes. El más común es HDMI (High-Definition Multimedia Interface). M significa Multimedia, porque transfiere imagen con sonido. Si conectas el ordenador al televisor con HDMI, necesitarás un solo cable para el vídeo y el audio. Existen distintas variantes de conectores HDMI:

• HDMI estándar,
• mini-HDMI,
• micro-HDMI.

El conector es un poco diferente en cada uno, pero el pinout y todo lo demás sigue siendo el mismo.

Lo más importante: HDMI es una interfaz muy popular y fácil de usar. Puede enviar datos multimedia A/V.

Interfaz externa de imagen DVI

El siguiente es DVI – Digital Visual Interface. La primera DVI no era una interfaz multimedia, porque no disponía de transferencia de datos de audio. Hoy en día, existen algunas variantes que pueden transferir audio, pero no son estándar. Podemos suponer que DVI es más bien para la transferencia de imágenes. Es una interfaz digital, similar en señales a HDMI. La última variante es DVI-I, donde I significa interfaz integrada. Puede tener una parte digital y otra analógica para compatibilidad VGA. En la imagen de arriba hay un DVI-D, sólo digital, donde no tenemos los pines para la interfaz VGA analógica. La VGA analógica a veces está disponible en los ordenadores de sobremesa, pero ya no en los portátiles.

Lo más importante: DVI es una interfaz visual digital con múltiples variaciones y actualizaciones, similar en señal a HDMI

Interfaz externa de imagen VGA

La interfaz de vídeo más antigua que aún se utiliza es la VGA (Video Graphic Array). Cada vez es menos popular. Se trata de una interfaz analógica, no digital como todas las anteriores. Interfaz analógica significa que no transmitimos los bits, sino que enviamos los valores de tensión. Las señales analógicas no son estables, son bastante fáciles de perturbar, por lo que la transferencia no puede ser muy alta en velocidad y volumen

Lo más importante: La popularidad de VGA está disminuyendo, y no es la mejor solución si tienes una pantalla de alta resolución o un entorno ruidoso.

Interfaz externa de imagen DP (Display Port)

La última interfaz externa que podemos encontrar en nuestros dispositivos hoy en día es un DisplayPort. DisplayPort es similar a HDMI o DVI. También puede transferir imagen y sonido. Es incluso más rápido que el HDMI. Normalmente, el DisplayPort se utiliza para pantallas de alta resolución, para nuevos monitores y televisores con resolución 4K u 8K donde es realmente difícil, o casi imposible, alcanzar dicha resolución utilizando la interfaz HDMI.

Lo más importante: DisplayPort es una interfaz superrápida de transmisión de imagen y sonido que se utiliza en las pantallas de mayor resolución.