Interfaces dans les modules d’affichage LCD – SPI, I2C, LVDS, MIPI, VX1, EDP et autres

Bienvenue à l’Université Riverdi ! Dans ce cours, nous parlerons des interfaces dans les modules d’affichage LCD. Nous organiserons les types d’interfaces d’affichage que nous proposons et leurs différences. Vous apprendrez à connaître les types d’interfaces externes et internes dont nous disposons et leurs principales applications. Commençons par diviser les interfaces internes et externes des modules LCD. L’interface interne de l’écran signifie qu’il est utilisé à l’intérieur de l’appareil. Il s’agit généralement d’interfaces intégrées qui ne sont pas visibles et auxquelles nous n’avons pas accès en tant qu’utilisateurs de l’appareil. Les interfaces externes, quant à elles, sont connectées à l’appareil à l’aide d’un câble. Après avoir défini les interfaces internes et externes, ces deux catégories constituent des interfaces universelles ou de transfert d’images.

Qu’est-ce qu’une interface et qu’est-ce qu’un protocole ?

Un protocole définit les règles de l’échange d’informations, l’interface étant le support. L’exemple pourrait être la langue. Lorsque j’utilise ma voix pour communiquer avec d’autres personnes, ma voix est une interface. Grâce à cette interface, ma voix est transmise aux oreilles d’autres personnes, et le protocole est la langue utilisée. Pour l’instant, j’utilise le protocole anglais. Si vous comprenez le protocole, vous comprenez ce que je dis. Si je passe à une autre langue, le polonais ou une autre langue que vous ne comprenez pas, vous avez la même interface, vous m’entendrez toujours, mais à cause d’un protocole différent, vous ne me comprendrez plus. Dans cet article, nous ne parlerons que des interfaces, c’est-à-dire de la manière de connecter les appareils entre eux. Nous ne nous concentrerons pas sur les protocoles.

Interfaces universelles et interfaces de transfert d’images dans les modules LCD

Essayons de trouver les bonnes interfaces. Pour les interfaces internes, c’est-à-dire les interfaces intégrées dans l’appareil, nous disposons d’interfaces universelles et d’interfaces de transfert d’images. L’interface d’affichage universelle peut envoyer d’autres données, et pas seulement une image. Étant universels, ils ne sont pas parfaits pour le transfert d’images, car dans la plupart des écrans utilisés de nos jours, le transfert d’images est l’un des plus exigeants. Le débit binaire, c’est-à-dire le transfert de données nécessaire pour le transfert d’images, est assez élevé. Plus élevé que celui offert par de nombreuses interfaces universelles. Si nous devons envoyer une image de temps en temps, nous n’avons pas besoin d’une bande passante très élevée. Si nous n’avons pas besoin d’un flux vidéo en direct, nous pouvons utiliser certaines des interfaces universelles internes telles que SPI, I2C ou même des interfaces lentes telles que RS232 ou UART.

SPI (Serial Peripheral Interface).

La première interface universelle sera la SPI (Serial Peripheral Interface). Cette interface est sérielle et sert à la communication entre un hôte, appelé maître en SPI, et des appareils appelés esclaves. Un hôte peut communiquer avec plusieurs esclaves. Pour sélectionner l’esclave, on utilise la ligne de sélection de puce ou SS et ensuite deux lignes de données, la sortie maître ou l’entrée maître. Et bien sûr, nous devons définir l’horloge, pour synchroniser les données, car il s’agit d’une interface synchronisée avec l’horloge. Il peut être rapide, mais il ne l’est pas assez pour la vidéo en direct. La vitesse de transmission peut être de 1 MBd, mais aussi de 10 MBd ou même de 50 MBd sur SPI ou QSPI. QSPI est un Quad SPI, une sorte de modification du SPI plus rapide. Mais cette interface est très universelle, nous pouvons l’utiliser pour connecter la mémoire ou certaines entrées et sorties internes dans notre appareil. Dans l’univers de l’affichage, le SPI est utilisé pour les affichages simples, pour les affichages de petite taille, où l’on peut transférer l’image relativement rapidement, parce que la résolution est faible. La taille maximale de l’interface d’affichage SPI serait un écran TFT de 3,5 pouces, 320 x 240 pixels. Si nous avons une résolution plus élevée, le transfert d’images sera trop lent pour utiliser le SPI, même avec un SPI à grande vitesse.

Interface I2C

Ensuite, nous avons l’interface I2C. Ce type d’interface est généralement plus lent que le SPI. Il n’utilise que deux lignes, dont l’une est une horloge pour la synchronisation et l’autre est la ligne de données. Cette ligne de données est bidirectionnelle. Cela signifie que si en SPI nous avons deux lignes de données, une sortante et une entrante, dans une interface I2C nous n’avons qu’une seule ligne de données. Si, par exemple, le maître envoie des données, la seule chose que les esclaves peuvent faire est de les recevoir. Ensuite, nous devons attendre un peu que le Maître ait terminé. Nous pouvons alors répondre en tant qu’esclave au maître. Dans l’I2C, la sélection de l’esclave fonctionne un peu différemment que dans le SPI, où nous disposons d’une ligne de sélection de puce (ligne CS) ou d’une ligne SS pour faire notre choix. En I2C, nous devons d’abord envoyer l’adresse logique à l’interface qui est écrite par les esclaves. En général, cette procédure est lente et l’interface universelle utilisée également pour connecter la mémoire simple et quelques autres I2S que nous avons autour de notre microcontrôleur sur le PCB. Il est très utile, mais n’est généralement pas utilisé pour le transfert d’images. Cette interface est très populaire dans le monde des écrans tactiles. La plupart des écrans tactiles intégrés que nous utilisons ont une interface I2C car l’écran tactile ne génère pas beaucoup de données. Nous ne disposons que des coordonnées du doigt ou de quelques doigts au maximum, qui doivent être renvoyées au microcontrôleur, au processeur de l’appareil. La vitesse de transmission lente est suffisante pour l’écran tactile, mais pas pour l’image.

Interface RS232

L’interface suivante, très ancienne de nos jours, est RS232. Il s’agit également d’une interface série lente, qui peut être utilisée en interne dans l’appareil ou en externe. Sur l’image ci-dessus, on peut voir les connecteurs externes, mais il est toujours utilisé en interne parce qu’il a une variante – UART.

Interface UART dans les modules LCD

L’UART est fondamentalement le même que le RS232, mais il s’agit d’une interface entièrement interne. Il est assez lent. Nous avons une ligne TX et une ligne RX – une ligne d’émission et une ligne de réception. Nous n’avons pas d’horloge ici, nous avons seulement une horloge pour synchroniser l’appareil en interne, mais le signal d’horloge n’est pas envoyé. Nous devons donc synchroniser les données qui transitent par les lignes et, pour ce faire, nous devons définir le même débit en bauds des deux côtés de la ligne de communication. Cela signifie qu’avant d’utiliser l’UART, nous devons d’abord nous mettre d’accord sur la vitesse que nous allons utiliser. Ce n’est pas le cas pour SPI ou I2C, car nous disposons d’une horloge qui donne la vitesse à chaque appareil. Ensuite, chaque appareil fonctionne en fonction de l’horloge. Dans l’UART, nous n’avons pas d’horloge. Il n’est pas utilisé pour le transfert d’images. L’UART, le SPI ou l’I2C peuvent être utilisés pour les écrans à faible résolution. Pour les écrans à haute résolution, nous avons besoin d’un écran intelligent, un écran qui génère l’image en interne et par le biais de ces interfaces universelles lentes, nous n’envoyons que des commandes, ou nous envoyons l’image une fois, l’image est stockée dans la mémoire interne de l’écran intelligent, que nous utiliserons plus tard en envoyant les commandes. Vous pouvez trouver la gamme d’écrans intelligents de Riverdi sur notre site web : https://riverdi.com/product-category/intelligent-displays/. Ces produits Riverdi sont des écrans intelligents très avancés, fabriqués avec des contrôleurs Bridgetek. Les contrôleurs utilisent SPI et QSPI pour la communication. Cela signifie que votre logiciel, votre système, votre microcontrôleur peut être simple. Vous pouvez utiliser l’interface SPI pour les piloter, et vous pouvez toujours obtenir des images à haute résolution, même jusqu’à 1280 par 800 pixels dans les écrans LCD de 10,1 pouces. N’oubliez donc pas que si vous souhaitez utiliser une interface universelle lente et avoir une image à haute résolution, vous devez utiliser un écran intelligent.

Interfaces de transfert d’images internes dans les modules LCD

Il existe également des interfaces de transfert d’images internes. L’interface de transfert d’images permet un transfert continu d’images à grande vitesse. Le transfert interne est suffisamment élevé pour rafraîchir l’affichage plusieurs fois par seconde. C’est ce qu’on appelle le taux de rafraîchissement d’un écran. Lorsque vous consultez les spécifications d’un écran, d’un moniteur ou d’un téléviseur, vous verrez le paramètre de la fréquence de rafraîchissement ou de la fréquence de rafraîchissement maximale. S’il s’agit de 60 Hertz, cela signifie que l’image affichée est rafraîchie 60 fois par seconde. Les affichages plus avancés ont des valeurs plus élevées, comme 100 Hertz. Le taux de rafraîchissement signifie que nous devons envoyer une image complète 60 fois ou 100 fois par seconde. Pour visualiser cette quantité de données, il faut multiplier le taux de rafraîchissement par la résolution de l’écran. Par exemple, pour un écran Riverdi LVDS de 7 pouces avec une résolution de 1024 par 600, il s’agit d’environ 600 000 pixels. Ce sujet a été expliqué dans le document Modules d’affichage LCD TFT – théorie, particularités, comparaison conférence. Les écrans LCD TFT ont trois sous-pixels de couleur, ce qui signifie qu’il y a trois fois plus de données à envoyer via l’interface. 600 000 pixels multipliés par 3 donnent environ 1,8 million de sous-pixels. Pour chaque sous-pixel, nous devons fournir des données sur son état allumé ou éteint et sur sa luminosité. Nous utilisons généralement 8 bits pour cela. Si nous avons un écran de 2 méga sous-pixels et une luminosité de 8 bits, nous aurons besoin d’environ 16 millions de bits de trame pour être transférés. Avec un taux de rafraîchissement de l’écran de 100 hertz, nous devons le faire 100 fois par seconde. Les interfaces de transfert d’images doivent être très, très rapides et fonctionner à une vitesse de transmission de plusieurs centaines de mégahertz (voire de plusieurs gigahertz) pour pouvoir transférer cette quantité de données par seconde.

LVDS – Interface de signaux différentiels à basse tension

L’interface de transfert d’image interne la plus courante dans les écrans LCD industriels est aujourd’hui le LVDS – Low Voltage Differential Signal (signal différentiel à basse tension). Une caractéristique essentielle de cette interface est qu’elle est différentielle. Cela signifie que le signal est immunisé contre les interférences et que nous pouvons utiliser une paire de fils torsadés pour transférer les données. Nous pouvons envoyer des données rapidement et elles ne seront pas corrompues par des bruits ou des interférences. Ce type de corruption de données est assez courant dans d’autres interfaces.

Principaux enseignements : Dans l’interface d’affichage LVDS, le signal différentiel permet d’envoyer le signal à une vitesse très élevée tout en le protégeant du bruit.

Interface RGB

L’interface de transfert d’images suivante, plus ancienne, est appelée RVB. Le nom vient des couleurs envoyées parallèlement à l’écran : rouge, vert et bleu. LVDS est une interface série et RGB est une interface parallèle. La principale différence est que le RVB n’est pas différentiel, il est donc plus facile de perturber le signal avec du bruit et de configurer la vitesse de cette interface à un niveau trop élevé. L’interface parallèle signifie que chaque bit est envoyé sur une ligne séparée. En théorie, cette interface pourrait être rapide, mais comme elle n’est pas différentielle, la vitesse de transfert est limitée. En outre, l’interface d’affichage RVB fonctionne avec des écrans de taille plutôt réduite, généralement jusqu’à 7 ou 10 pouces. La taille d’écran de 12 pouces est la taille maximale totale pour un écran LCD avec interface RVB, mais la résolution sera plus faible, comme 800 par 600. Pour cette taille d’écran, la résolution est très faible. C’est la raison pour laquelle la taille de 7 pouces est la taille au-dessus de laquelle les écrans LCD passent de l’interface RGB à l’interface LVDS. Parmi les produits Riverdi (si vous allez sur le site web de Riverdi et sur l’onglet des écrans IPS), il y a des écrans sans contrôleur, et les petits écrans comme ceux de 3,5 pouces, 4,3 pouces et 5 pouces sont équipés d’une interface RGB. Mais si vous vous rendez dans l’onglet des écrans LCD de 7 pouces sur le site web de Riverdi, vous trouverez des écrans RGB, LVDS et MIPI. Mais pour les écrans de 10 pouces ou plus, vous ne trouverez que des écrans LVDS, car nos écrans LCD de 10 pouces ont une haute résolution de 1280 par 800, et il est impossible de les construire avec l’interface RGB.

Principaux enseignements : Le RVB est un système à faible vitesse qui n’est pas à l’abri du bruit. Utilisez-le pour les écrans de plus petite taille ou avec une résolution plus faible.

MIPI – Mobile Industry Processor Interface (interface de processeur pour l’industrie mobile)

MIPI – Mobile Industry Processor Interface – est une interface de transfert d’images intégrée en interne, de plus en plus populaire aujourd’hui. Ce type d’interface est utilisé dans les applications mobiles, les tablettes ou les téléphones portables, mais il fait son apparition dans les applications industrielles. Riverdi propose des écrans MIPI de 7 pouces, mais soyez prudent avec les autres écrans MIPI disponibles sur le marché. Nombre d’entre eux proviennent du marché des téléphones mobiles ou des tablettes. En outre, la disponibilité du verre TFT peut ne pas être stable, car le marché des téléphones mobiles évolue très rapidement, tous les six mois ou tous les ans. Lorsque vous achetez un écran Riverdi 7 pouces à interface MIPI, vous êtes en sécurité, car il s’agit d’un écran industriel. C’est pourquoi nous avons un nombre limité d’écrans avec interface MIPI – nous voulons être sûrs que ce que nous vendons sera disponible pendant longtemps. La longévité est l’une des valeurs fondamentales de Riverdi et nous ne voulons pas livrer quelque chose qui ne sera pas soutenu pendant au moins 3 à 5 ans. En effet, nombre de nos clients fabriquent des appareils industriels, médicaux ou militaires et ont besoin que les écrans soient disponibles à long terme.

Principaux enseignements : MIPI est une interface importante et croissante sur le marché des écrans.

Interface de transfert d’images Vx1

L’interface suivante est la Vx1. Il est similaire à LVDS et MIPI, c’est-à-dire qu’il s’agit d’un signal différentiel à basse tension. Vx1 est une interface à très haut débit, généralement utilisée dans les grands écrans haute résolution, comme les téléviseurs 4K de 55 pouces, voire plus. Si vous achetez un téléviseur de ce type aujourd’hui, l’interface intégrée à l’intérieur sera probablement la Vx1.

Principaux enseignements : Vx1 est une interface ultra-rapide utilisée pour le transfert d’images à large bande passante, avec un taux de rafraîchissement élevé et des écrans à haute résolution, utilisés dans les écrans 4K et plus.

Interface de transfert d’images eDP

La dernière interface interne de transfert d’images est Embedded DisplayPort (eDP). Nous l’appelons le nouveau LVDS, car de nombreux nouveaux écrans industriels sont équipés de l’eDP. Si vous consultez les fabricants industriels d’écrans LCD TFT, vous constaterez qu’un nombre croissant de modèles sont disponibles avec l’eDP. eDP est également une interface native dans les nouveaux processeurs basés sur Intel ou AMD.

Ce qu’il faut retenir : L’interface DisplayPort intégrée en tant qu’interface d’affichage native permet de réduire les coûts, car il n’est pas nécessaire d’ajouter quoi que ce soit pour connecter un écran au processeur.

MIPI vs LVDS vs eDP – Comparaison des interfaces internes industrielles

Nous avons couvert la plupart des interfaces internes :

• Universel : SPI, I2C, RS232 et UART
• Parallèle : RVB
• Transfert d’images rapide : LVDS, MIPI, Vx1 et eDP (Embedded Display Port)

Aujourd’hui, avec les processeurs disponibles sur le marché, nous avons besoin d’écrans avec DisplayPort intégré. De nombreux ordinateurs portables ou moniteurs utilisent déjà DisplayPort intégré comme interface interne au lieu de LVDS. LVDS reste l’interface d’affichage LCD industriel la plus populaire. Toutes les interfaces de transfert d’images internes telles que MIPI, Vx1 et eDP sont des variantes de LVDS, dont les protocoles et les signaux sont légèrement différents. Par exemple, pour l’eDP, il est possible de réduire le bruit et la consommation d’énergie. Ils présentent tous des avantages par rapport aux LVDS classiques, mais ils sont tous de type LVDS.

Interfaces externes

Examinons maintenant de plus près les interfaces externes. Ce sont ceux auxquels nous avons généralement un accès direct. Il peut s’agir d’un téléviseur ou d’un moniteur connecté à votre ordinateur à l’aide de la prise HDMI. Il peut s’agir d’un DVI généralement utilisé pour les moniteurs. Ou VGA, qui est une interface d’image obsolète pour les moniteurs. Le DisplayPort est le successeur du HDMI. Enfin, un USB-C universel, l’interface la plus utilisée aujourd’hui pour connecter des appareils.

Interface externe universelle USB C

Commençons par l’USB-C, l’interface la plus universelle . C’est l’une des meilleures interfaces que nous ayons jamais conçues, car elle est très rapide et très universelle. Il ne se contente pas de transférer des données, il est suffisamment rapide pour transférer des images, mais il peut également transmettre une grande quantité d’énergie. L’USB-C transmet jusqu’à 100 watts de puissance, car il est possible d’augmenter la tension et le courant. Dans une clé USB ordinaire, la tension est généralement de 5 volts et l’intensité de 0,5 ou 1,0 ampère, soit quelques watts seulement. L’USB-C augmente la tension jusqu’à 20 volts et le courant de 5 ampères, ce qui représente une puissance totale de 100 watts. Cette interface est conçue non seulement pour les données, mais aussi pour le transfert de puissance réelle. Grâce à l’USB-C, vous pouvez recharger votre téléphone et votre ordinateur portable. Si vous achetez un nouvel ordinateur portable en ce moment, il se peut même que vous ne receviez pas de connecteur d’alimentation classique, mais seulement un USB-C. L’USB-C est une interface très intelligente. Si vous connectez les appareils, ils peuvent négocier entre eux pour savoir lequel a le plus de puissance. Par exemple, si nous connectons un chargeur à un ordinateur portable, le chargeur a plus de puissance et chargera l’ordinateur portable, mais si vous connectez l’ordinateur portable avec la même interface à votre téléphone portable, ils discuteront des niveaux de puissance et, bien sûr, l’ordinateur portable chargera le téléphone. Vous pouvez déjà trouver sur le marché des moniteurs dotés de l’USB-C au lieu de l’HDMI. Ces moniteurs peuvent être alimentés par votre ordinateur et ne nécessitent qu’un seul câble USB, à la fois pour le transfert d’images et pour l’alimentation. Il est certain que l’avenir appartient aux implémentations USB-C.

Principaux enseignements : L’USB-C est une interface vraiment intelligente, universelle et rapide pour les écrans. Il est livré avec une option de transmission de puissance.

Image HDMI interface externe

Passons maintenant aux interfaces de transfert d’images. La plus courante est l’interface HDMI (High-Definition Multimedia Interface). M est l’abréviation de Multimédia, car il transfère l’image avec le son. Si vous connectez votre ordinateur à votre téléviseur par HDMI, vous aurez besoin d’un câble pour la vidéo et l’audio. Il existe plusieurs types de connecteurs HDMI :

• standard HDMI,
• mini-HDMI,
• micro-HDMI.

Le connecteur est légèrement différent dans chaque cas, mais le brochage et tout le reste restent identiques.

Principaux enseignements : L’interface HDMI est extrêmement populaire et facile à utiliser. Il peut envoyer des données multimédia A/V.

Image DVI interface externe

Le suivant est DVI – Digital Visual Interface (interface visuelle numérique). Le premier DVI n’était pas une interface multimédia, car il ne permettait pas le transfert de données audio. Aujourd’hui, il existe des variantes qui permettent de transférer de l’audio, mais elles ne sont pas standardisées. On peut supposer que le DVI est plutôt destiné au transfert d’images. Il s’agit d’une interface numérique dont les signaux sont similaires à ceux du HDMI. La dernière variante est DVI-I, où I signifie interface intégrée. Il peut comporter une partie numérique et une partie analogique pour la compatibilité VGA. Dans l’image ci-dessus, il y a un DVI-D, uniquement numérique, où il n’y a pas de broches pour l’interface VGA analogique. Le VGA analogique est parfois disponible dans votre ordinateur de bureau, mais plus dans les ordinateurs portables.

Principaux enseignements : DVI est une interface visuelle numérique avec de multiples variations et mises à jour, dont le signal est similaire à celui de HDMI.

Interface externe de l’image VGA

La plus ancienne interface vidéo encore utilisée est l’interface VGA (Video Graphic Array). Elle devient de moins en moins populaire. Il s’agit d’une interface analogique et non d’une interface numérique comme toutes les autres interfaces mentionnées ci-dessus. L’interface analogique signifie que nous ne transmettons pas les bits, mais que nous envoyons les valeurs de tension. Les signaux analogiques ne sont pas stables, ils sont assez faciles à perturber, de sorte que le transfert ne peut pas être très rapide ni très volumineux.

Ce qu’il faut retenir : La popularité du VGA est en déclin et ce n’est pas la meilleure solution si vous avez un écran à haute résolution ou un environnement bruyant.

Interface externe de l’image DP (Display Port)

La dernière interface externe que l’on trouve aujourd’hui dans nos appareils est le port d’affichage. DisplayPort est similaire à HDMI ou DVI. Il peut également transférer des images et du son. Il est même plus rapide que le HDMI. En général, le DisplayPort est utilisé pour les écrans à haute résolution, pour les nouveaux moniteurs et téléviseurs avec une résolution 4K ou 8K où il est vraiment difficile, ou presque impossible, d’atteindre une telle résolution en utilisant l’interface HDMI.

Principaux enseignements : DisplayPort est une interface de transmission d’images et de sons ultrarapide, utilisée dans les écrans à haute résolution.