Interfacce nei moduli display LCD: SPI, I2C, LVDS, MIPI, VX1, EDP e altre.

Benvenuti all’Università Riverdi! In questa lezione parleremo delle interfacce nei moduli di visualizzazione LCD. Organizzeremo i tipi di interfacce di visualizzazione che offriamo e le loro differenze. Conoscerete il tipo di interfacce esterne e interne di cui disponiamo e le loro principali applicazioni. Innanzitutto, iniziamo a dividere le interfacce interne ed esterne dei moduli LCD. L’interfaccia interna del display significa che viene utilizzata all’interno del dispositivo. Di solito si tratta di interfacce incorporate che non sono visibili e alle quali non abbiamo accesso in quanto utenti del dispositivo. Le interfacce esterne, invece, sono collegate al dispositivo tramite un cavo. Una volta definite le interfacce interne ed esterne, entrambe queste categorie si presentano come interfacce universali o di trasferimento di immagini.

Che cos’è un’interfaccia e che cos’è un protocollo?

Un protocollo definisce le regole dello scambio di informazioni, dove l’interfaccia è il mezzo di comunicazione. L’esempio potrebbe essere la lingua. Quando uso la voce per comunicare con altre persone, la mia voce è un’interfaccia. Attraverso questa interfaccia la mia voce viene inviata alle orecchie di altre persone e il protocollo è il linguaggio utilizzato. In questo momento sto usando il protocollo inglese. Se capite il protocollo, capite cosa sto dicendo. Se passo a una lingua diversa, il polacco o un’altra lingua che non capite, avete la stessa interfaccia, mi sentirete ancora, ma a causa di un protocollo diverso, non mi capirete più. In questo articolo parleremo solo di interfacce, di come collegare i dispositivi tra loro. Non ci concentreremo sui protocolli.

Interfacce universali e interfacce per il trasferimento di immagini nei moduli LCD

Cerchiamo di capire bene le interfacce. Per le interfacce interne, ovvero le interfacce integrate nel dispositivo, abbiamo interfacce universali e interfacce per il trasferimento di immagini. L’interfaccia di visualizzazione universale può inviare altri dati, non solo un’immagine. Essendo universali, non sono perfetti per il trasferimento delle immagini, perché nella maggior parte dei display utilizzati oggi il trasferimento delle immagini è uno dei più impegnativi. La velocità di trasmissione dei dati necessaria per il trasferimento delle immagini è piuttosto elevata. superiore a quello che possono offrire molte interfacce universali. Se dobbiamo inviare un’immagine ogni tanto, non abbiamo bisogno di una larghezza di banda molto elevata. Se non abbiamo bisogno di un flusso video in diretta, possiamo utilizzare alcune delle interfacce universali interne come SPI, I2C o anche interfacce lente come RS232 o UART.

SPI (interfaccia periferica seriale).

La prima interfaccia universale sarà SPI (Serial Peripheral Interface). Si tratta di un’interfaccia seriale, utilizzata per la comunicazione tra un host, in SPI chiamato Master, e i dispositivi chiamati Slave. Un host può comunicare con molti slave. Per selezionare lo slave, si utilizza la linea Chip select o SS e poi si utilizzano due linee di dati, Master output o Master input. E naturalmente dobbiamo definire l’orologio, per sincronizzare i dati, perché questa è un’interfaccia sincronizzata con l’orologio. Può essere veloce, ma non lo è abbastanza per i video in diretta. La velocità di trasmissione può essere di 1 MBd, ma anche di 10 MBd o addirittura di 50 MBd su SPI o QSPI. QSPI è un Quad SPI, una sorta di modifica di SPI più veloce. Tuttavia, questa interfaccia è molto universale e può essere utilizzata per collegare la memoria o alcuni ingressi e uscite interni al dispositivo. Nell’universo dei display l’SPI viene utilizzato per display semplici, di piccole dimensioni, dove è possibile trasferire l’immagine in modo relativamente veloce, perché la risoluzione è bassa. Le dimensioni massime per l’interfaccia del display SPI sono i display TFT da 3,5 pollici, 320 x 240 pixel. Se la risoluzione è più alta, il trasferimento dell’immagine sarà troppo lento per utilizzare l’SPI, anche con un SPI ad alta velocità.

Interfaccia I2C

Poi c’è l’interfaccia I2C. Questo tipo di interfaccia è solitamente più lento dell’SPI. Utilizza solo due linee, una è un orologio per la sincronizzazione e l’altra è la linea dati. Questa linea dati è bidirezionale. Ciò significa che se in SPI abbiamo due linee di dati, una in uscita e una in entrata, in un’interfaccia I2C abbiamo una sola linea di dati. Se, ad esempio, il Master invia dei dati, l’unica cosa che gli slave possono fare è riceverli. E poi dobbiamo aspettare un po’ che il Maestro finisca. Possiamo quindi rispondere come schiavo al padrone. In I2C la selezione dello slave funziona in modo un po’ diverso rispetto a SPI, dove era possibile scegliere tra la linea CS (Chip Select) e la linea SS. In I2C occorre innanzitutto inviare l’indirizzo logico all’interfaccia che viene scritta dagli slave. In generale, questa procedura è lenta e l’interfaccia universale utilizzata anche per collegare la memoria semplice e alcune altre I2S che abbiamo intorno al nostro microcontrollore sul PCB. È molto utile, ma di solito non viene utilizzato per il trasferimento di immagini. Questa interfaccia è molto popolare nel mondo dei display per gli schermi tattili. La maggior parte dei touch screen incorporati che utilizziamo ha un’interfaccia I2C perché il touch screen non genera molti dati. Abbiamo solo le coordinate del dito o di poche dita al massimo, che devono essere inviate al microcontrollore, al processore del dispositivo. La velocità di trasmissione lenta è sufficiente per il touchscreen, ma non per l’immagine.

Interfaccia RS232

L’interfaccia successiva, ormai molto vecchia, è la RS232. Anche questa è un’interfaccia seriale lenta, che può essere utilizzata internamente al dispositivo o esternamente. Nell’immagine precedente si possono vedere i connettori esterni, ma viene comunque utilizzato internamente perché ha una variante – UART.

Interfaccia UART nei moduli LCD

L’UART è sostanzialmente uguale alla RS232, ma è un’interfaccia completamente interna. È piuttosto lento. Abbiamo una linea TX e una linea RX – una linea di trasmissione e una linea di ricezione. Non abbiamo un orologio, ma solo un orologio per sincronizzare il dispositivo internamente, ma il segnale di clock non viene inviato all’esterno. È quindi necessario sincronizzare i dati che passano attraverso le linee e per farlo è necessario impostare la stessa velocità di trasmissione su entrambi i lati della linea di comunicazione. Ciò significa che prima di utilizzare l’UART è necessario concordare la velocità da utilizzare. Questo non è il caso di SPI o I2C, perché lì abbiamo un clock che dà la velocità a ogni dispositivo. Quindi ogni dispositivo funziona in base all’orologio. Nell’UART non abbiamo un orologio. Non viene utilizzato per il trasferimento di immagini. Per i display a bassa risoluzione è possibile utilizzare UART, SPI o I2C. Per i display ad alta risoluzione abbiamo bisogno di un display intelligente, un display che generi l’immagine internamente e attraverso queste interfacce universali lente inviamo solo i comandi, o inviamo l’immagine una volta, l’immagine viene memorizzata nella memoria interna del display intelligente, che utilizzeremo in seguito inviando i comandi. Puoi trovare la linea di display intelligenti Riverdi sul nostro sito web: https://riverdi.com/product-category/intelligent-displays/. Questi prodotti Riverdi sono display intelligenti molto avanzati, realizzati con controller Bridgetek. I controllori utilizzano SPI e QSPI per la comunicazione. Ciò significa che il software, il sistema e il microcontrollore possono essere semplici. È possibile utilizzare l’interfaccia SPI per pilotarli e ottenere comunque immagini ad alta risoluzione, anche di 1280 x 800 pixel nei display LCD da 10,1 pollici. Quindi, ricordate che se volete usare un’interfaccia universale lenta e avere un’immagine ad alta risoluzione, dovete usare un Intelligent Display.

Interfacce interne per il trasferimento delle immagini nei moduli LCD

Ci sono anche le interfacce interne per il trasferimento delle immagini. L’interfaccia di trasferimento delle immagini consente il trasferimento continuo di immagini ad alta velocità. Il trasferimento interno è sufficientemente elevato per aggiornare il display molte volte al secondo. Si tratta della cosiddetta frequenza di aggiornamento di un display. Quando si accede alle specifiche di un display, di un monitor o di un televisore, è possibile visualizzare il parametro della frequenza di aggiornamento o della frequenza di aggiornamento massima. Se è di 60 Hertz, significa che l’immagine del display viene aggiornata 60 volte al secondo. I display più avanzati hanno valori più alti, come 100 Hertz. La frequenza di aggiornamento significa che dobbiamo inviare l’immagine completa 60 volte o 100 volte in ogni secondo. Per visualizzare questa quantità di dati, è necessario moltiplicare la frequenza di aggiornamento per la risoluzione dello schermo. Ad esempio, per un display LVDS Riverdi da 7 pollici con risoluzione 1024 x 600, si tratta di circa 600 mila pixel. Questo argomento è stato illustrato nella sezione Moduli di visualizzazione LCD TFT – teoria, caratteristiche speciali, confronto conferenza. I display LCD TFT hanno tre subpixel di colore, quindi i dati da inviare tramite l’interfaccia sono tre volte più numerosi. 600 mila pixel moltiplicati per 3 ci danno circa 1,8 milioni di subpixel. A ogni subpixel dobbiamo fornire i dati relativi al suo stato ON o OFF e alla sua luminosità. Di solito utilizziamo 8 bit per questo scopo. Se abbiamo un display da 2 mega subpixel e una luminosità di 8 bit, avremo bisogno di circa 16 milioni di bit di frame da trasferire. Con una frequenza di aggiornamento dello schermo di 100 Hertz, dobbiamo farlo 100 volte al secondo. Le interfacce di trasferimento delle immagini devono essere molto, molto veloci e funzionano a una velocità di centinaia di Megahertz baud (o addirittura a Gigahertz) per poter trasferire questa quantità di dati al secondo.

LVDS – Interfaccia di segnale differenziale a bassa tensione

L’interfaccia di trasferimento dell’immagine interna più comune nei display LCD industriali è oggi LVDS (Low Voltage Differential Signal). Una caratteristica fondamentale di questa interfaccia è che è differenziale. Ciò significa che il segnale è immune da interferenze e che possiamo utilizzare una coppia di fili intrecciati per trasferire i dati. I dati possono essere inviati velocemente e non vengono danneggiati da disturbi e interferenze. Questo tipo di corruzione dei dati è abbastanza comune in altre interfacce.

Aspetto fondamentale: Nell’interfaccia di visualizzazione LVDS il segnale differenziale consente di inviare il segnale a una velocità molto elevata e di tenerlo al riparo dai disturbi.

Interfaccia RGB

L’interfaccia di trasferimento delle immagini successiva, più vecchia, è chiamata RGB. Il nome deriva dai colori inviati parallelamente al display: rosso, verde e blu. LVDS è un’interfaccia seriale e RGB è un’interfaccia parallela. La differenza principale è che RGB non è differenziale, quindi è più facile che il segnale venga disturbato dal rumore e che la velocità di questa interfaccia sia troppo elevata. Interfaccia parallela significa che ogni bit viene inviato su una linea separata. In teoria questa interfaccia potrebbe essere veloce, ma poiché non è differenziale, la velocità di trasferimento è limitata. Inoltre, l’interfaccia del display RGB funziona con schermi di dimensioni piuttosto ridotte, solitamente fino a 7 o 10 pollici. La dimensione dello schermo di 12 pollici è il massimo totale per un display LCD con interfaccia RGB, ma la risoluzione sarà più bassa, come 800 per 600. Per questa dimensione del display la risoluzione è molto bassa. Questo è il motivo per cui la dimensione di 7 pollici è quella al di sopra della quale i display LCD passano dall’interfaccia RGB a quella LVDS. Tra i prodotti Riverdi (visitando il sito web Riverdi e la scheda del display IPS), ci sono display senza controller, mentre i display piccoli come quelli da 3,5 pollici, 4,3 pollici e 5 pollici sono dotati di interfaccia RGB. Ma se andate alla scheda display LCD da 7 pollici sul sito Riverdi, troverete display RGB, LVDS e MIPI. Ma quando si passa ai display da 10 pollici o più grandi, si trovano solo display LVDS perché i nostri display LCD da 10 pollici sono ad alta risoluzione 1280 x 800 ed è impossibile costruirli con l’interfaccia RGB.

Aspetto fondamentale: L’RGB è a bassa velocità e non è immune da disturbi. Utilizzatelo per i display di dimensioni più piccole o con una risoluzione inferiore.

MIPI – Interfaccia processore industriale mobile

MIPI – Mobile Industry Processor Interface – è un’interfaccia per il trasferimento di immagini integrata internamente, sempre più diffusa in questi giorni. Questo tipo di interfaccia è utilizzato nelle applicazioni mobili, nei tablet o nei telefoni cellulari, ma sta entrando come opzione nelle applicazioni industriali. In Riverdi offriamo display MIPI da 7 pollici, ma fate attenzione agli altri display MIPI presenti sul mercato. Molti provengono dal mercato dei telefoni cellulari o dei tablet. Inoltre, la disponibilità di vetro TFT potrebbe non essere stabile, poiché il mercato della telefonia mobile cambia molto velocemente, ogni sei mesi o ogni anno. Quando acquistate un display Riverdi da 7 pollici con interfaccia MIPI siete al sicuro, perché si tratta di un display industriale. Per questo motivo abbiamo un numero limitato di display con interfaccia MIPI: vogliamo essere sicuri che ciò che vendiamo sarà disponibile per molto tempo. La longevità è uno dei valori fondamentali di Riverdi e non vogliamo fornire nulla che non sia supportato per almeno 3-5 anni. Molti dei nostri clienti producono dispositivi industriali, medici o militari e hanno bisogno di display disponibili a lungo termine.

Il risultato principale: MIPI è un’interfaccia importante e in crescita nel mercato dei display.

Interfaccia di trasferimento immagini Vx1

La prossima interfaccia è la Vx1. È simile a LVDS e MIPI, quindi è un segnale differenziale a bassa tensione. Vx1 è un’interfaccia ad altissima velocità, solitamente utilizzata nei grandi schermi ad alta risoluzione, come i televisori 4K da 55 pollici o anche più grandi. Se si acquista un televisore di questo tipo in questo momento, probabilmente l’interfaccia integrata all’interno sarà la Vx1.

Aspetto fondamentale: Vx1 è un’interfaccia superveloce utilizzata per il trasferimento di immagini ad alta larghezza di banda, con una frequenza di aggiornamento elevata e display ad alta risoluzione, utilizzati negli schermi 4K e superiori.

Interfaccia di trasferimento immagini eDP

L’ultima interfaccia interna per il trasferimento delle immagini è Embedded DisplayPort (eDP). Lo chiamiamo il nuovo LVDS, perché molti nuovi display industriali sono dotati di eDP. Se si esaminano i produttori industriali di display LCD TFT, si noterà un numero crescente di modelli disponibili con l’eDP. eDP è anche un’interfaccia nativa nei nuovi processori basati su Intel o AMD.

Aspetto fondamentale: Con la DisplayPort integrata come interfaccia di visualizzazione nativa è possibile ridurre i costi, poiché non è necessario alcun elemento aggiuntivo per collegare un display al processore.

MIPI vs LVDS vs eDP – Confronto tra le interfacce interne industriali

Abbiamo coperto la maggior parte delle interfacce interne:

• Universale: SPI, I2C, RS232 e UART
• Parallelo: RGB
• Trasferimento rapido delle immagini: LVDS, MIPI, Vx1 e eDP (Embedded Display Port)

Ora, con i processori presenti sul mercato, abbiamo bisogno di display con DisplayPort integrata. Molti laptop o monitor utilizzano già DisplayPort integrata come interfaccia interna al posto di LVDS. LVDS è ancora l’interfaccia per display LCD industriali più diffusa. Tutte le interfacce interne per il trasferimento di immagini, come MIPI, Vx1 ed eDP, sono variazioni di LVDS, in cui i protocolli e i segnali sono leggermente diversi. Ad esempio, per l’eDP possiamo avere un rumore inferiore e un consumo energetico ridotto. Tutti hanno dei vantaggi rispetto ai normali LVDS, ma sono tutti di tipo LVDS.

Interfacce esterne

Ora diamo un’occhiata più da vicino alle interfacce esterne. Sono quelli a cui di solito abbiamo accesso diretto. Può essere un televisore o un monitor collegato al computer con l’interfaccia HDMI. Può trattarsi di un DVI solitamente utilizzato per i monitor. O VGA, che è un’interfaccia di immagine obsoleta per i monitor. La DisplayPort è un successore dell’HDMI. Infine, una USB-C universale, l’interfaccia più comunemente utilizzata oggi per collegare i dispositivi.

Interfaccia esterna universale USB C

Partiamo dall’USB-C, l’interfaccia più universale. È una delle migliori interfacce che abbiamo mai progettato, perché è molto veloce e anche molto universale. Non solo trasferisce dati, non solo è abbastanza veloce per trasferire immagini, ma può anche trasmettere molta energia. L’USB-C trasmette fino a 100 watt di potenza, perché è possibile aumentare la tensione e la corrente. In una normale USB è solitamente di 5 volt e 0,5 o 1,0 amp, quindi solo un paio di watt. Con l’USB-C la tensione sale a 20 volt e la corrente a 5 ampere, per cui in totale la potenza è di 100 watt. Questa interfaccia è stata realizzata non solo per i dati, ma anche per il trasferimento di potenza. Tramite USB-C è possibile ricaricare il telefono e il computer portatile. Se acquistate un nuovo computer portatile in questo momento, potreste anche non avere un normale connettore di alimentazione, ma solo uno USB-C. L’USB-C è un’interfaccia molto intelligente. Se si collegano i dispositivi, questi possono negoziare tra loro quale sia la potenza maggiore. Ad esempio, se colleghiamo un caricabatterie a un computer portatile, il caricabatterie ha più potenza e carica il computer portatile, ma se colleghiamo il computer portatile con la stessa interfaccia al telefono cellulare, i livelli di potenza discuteranno e ovviamente il computer portatile caricherà il telefono. Sul mercato si trovano già monitor dotati di USB-C anziché di HDMI. Questi monitor possono essere alimentati dal computer e necessitano di un solo cavo USB, sia per il trasferimento delle immagini che per l’alimentazione. Sicuramente il futuro appartiene alle implementazioni USB-C.

Aspetti salienti: L’USB-C è un’interfaccia davvero intelligente, universale e veloce per i display. Viene fornito con l’opzione di trasmissione di potenza.

Interfaccia esterna per immagini HDMI

Passiamo alle interfacce di trasferimento delle immagini. Il più comune è l’HDMI (High-Definition Multimedia Interface). M sta per Multimedia, perché trasferisce immagini e suoni. Se si collega il computer al televisore tramite HDMI, è necessario un unico cavo sia per il video che per l’audio. Esistono diverse varianti di connettori HDMI:

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

Il connettore è leggermente diverso in ciascuno di essi, ma la piedinatura e tutto il resto rimangono invariati.

Aspetto fondamentale: L’HDMI è un’interfaccia estremamente popolare e facile da usare. Può inviare sia dati multimediali che A/V.

Interfaccia esterna immagine DVI

Il prossimo è il DVI – Digital Visual Interface. Il primo DVI non era un’interfaccia multimediale, perché non prevedeva il trasferimento di dati audio. Oggi esistono alcune varianti in grado di trasferire l’audio, ma non sono standard. Possiamo supporre che il DVI serva piuttosto per il trasferimento delle immagini. Si tratta di un’interfaccia digitale, con segnali simili a quelli dell’HDMI. La variante più recente è DVI-I, dove I sta per interfaccia integrata. Può avere una parte digitale e una analogica per la compatibilità VGA. Nell’immagine qui sopra è presente un DVI-D, solo digitale, dove non sono presenti i pin per l’interfaccia VGA analogica. La VGA analogica è talvolta disponibile nei computer desktop, ma non più nei portatili.

Aspetto fondamentale: DVI è un’interfaccia visiva digitale con molteplici variazioni e aggiornamenti, simile nel segnale all’HDMI

Interfaccia esterna per immagini VGA

La più antica interfaccia video ancora in uso è l’interfaccia VGA – Video Graphic Array. Diventa sempre meno popolare. Si tratta di un’interfaccia analogica, non digitale come le altre interfacce sopra citate. Interfaccia analogica significa che non trasmettiamo i bit, ma i valori di tensione. I segnali analogici non sono stabili, sono piuttosto facili da disturbare, quindi il trasferimento non può essere molto veloce e voluminoso.

Aspetto fondamentale: La popolarità della VGA è in declino e non è la soluzione migliore se hai uno schermo ad alta risoluzione o un ambiente rumoroso.

Interfaccia esterna per immagini DP (Display Port)

L’ultima interfaccia esterna che possiamo trovare nei nostri dispositivi al giorno d’oggi è una DisplayPort. DisplayPort è simile a HDMI o DVI. Può anche trasferire immagini e suoni. È ancora più veloce dell’HDMI. Di solito, la DisplayPort viene utilizzata per i display ad alta risoluzione, per i nuovi monitor e TV con risoluzione 4K o 8K, dove è davvero difficile, o quasi impossibile, raggiungere tale risoluzione utilizzando l’interfaccia HDMI.

Aspetto fondamentale: DisplayPort è un’interfaccia superveloce per la trasmissione di immagini e suoni, utilizzata nei display ad alta risoluzione.