واجهة عرض MIPI

STM32 · Raspberry Pi · ESP32 — من يدعمها فعلاً، وكيف؟

من إعداد الفريق التقني لشركة كادي ديسبلاي | تقنية العرض المدمج 

كلمة سريعة حول أهمية معهد MIPI هنا

التقط أي هاتف ذكي حديث وافتحه - افتراضياً - وستجد بين المعالج والزجاج شريطاً من أزواج الإشارات التفاضلية يحمل بيانات MIPI DSI بسرعات كانت ستبدو خيالية بالنسبة لواجهة عرض قبل عقدين من الزمن. قام تحالف واجهة معالج صناعة الهواتف المحمولة بتوحيد معيار هذه الناقلة في منتصف العقد الأول من الألفية الثانية، ومنذ ذلك الحين وهي تهيمن بهدوء على عالم شاشات العرض الصغيرة. واليوم، تسللت هذه الواجهة نفسها إلى المحطات الطرفية الصناعية، والأكشاك المدمجة، وشاشات المراقبة الطبية، ومشاريع الهواة في مجال الحواسيب أحادية اللوحة.

لكنّ الأمر الذي يُربك المهندسين الجدد في هذا المجال هو أن ليس كل متحكم دقيق أو لوحة تطوير تدعم بروتوكول MIPI بشكل أصلي. المواصفات تبدو رائعة نظريًا، لكن دعمها على مستوى السيليكون غير مكتمل عمليًا. تستعرض هذه المقالة ثلاث منصات رئيسية في سوق الأنظمة المدمجة - STM32 وRaspberry Pi وESP32 - وتقدم شرحًا وافيًا لما يمكن لكل منها فعله وما لا يمكنها فعله باستخدام واجهة عرض MIPI. لا مجال للمجاملات، فقط الحقائق المادية.

STM32: أجهزة DSI حقيقية، ولكن فقط على الرقائق المناسبة

رقائق البطاطس التي تحتوي عليها بالفعل

بدأت شركة STMicroelectronics بتضمين وحدة تحكم مضيفة MIPI DSI في خطوط STM32 مختارة حوالي عام 2014. STM32F469/F479 كان أول ظهور له في التيار السائد، تلاه... STM32H747/H757 سلسلة المعالجات ثنائية النواة و STM32H7Bxجميع هذه الرقاقات تحمل مضيف DSI مدمجًا متوافقًا مع مواصفات MIPI DSI الإصدار 1.01، وتدعم جميعها ما يصل إلى مسارين لبيانات D-PHY.

ماذا يعني هذا عمليًا؟ على معالج STM32H747، مع تشغيل كلا مساري DSI بسرعة 400 ميجابت في الثانية، تصل السرعة الإجمالية إلى 800 ميجابت في الثانية، وهي سرعة كافية لتشغيل شاشة بدقة 480×854 بمعدل 60 هرتز وألوان 24 بت بسلاسة تامة. تأتي لوحة التقييم STM32H747I-DISCO من ST مزودة بمثل هذه الشاشة، ما يُعدّ اختبارًا عمليًا للتأكد من سلامة النظام عند التساؤل عما إذا كانت مشكلة توجيه DSI في لوحتك المخصصة تكمن في النظام أم في البرامج الثابتة.

يدعم الجهاز الطرفي المضيف DSI كلاً من وضع الفيديو (بث البكسل المستمر، على غرار HDMI) و وضع الأوامر (نموذج الكتابة إلى مخزن الإطارات، المستخدم بكثرة في شاشات AMOLED). من المهم معرفة وضع الأوامر إذا كنت تصنع منتجات تعمل بالبطارية: تحتفظ الشاشة بمخزن الإطارات الخاص بها وتُحدّث تلقائيًا، مما يسمح لوحدة التحكم الدقيقة بالدخول في وضع السكون بين تحديثات الشاشة. هذا وحده كفيل بتقليل استهلاك الطاقة أثناء تشغيل الشاشة بشكل ملحوظ.

شرح مبسط لمجموعة برامج التشغيل

تتضمن مكتبة HAL من ST وحدة stm32h7xx_hal_dsi.c مخصصة تغطي تهيئة المضيف، وتكوين وضع الفيديو/الأوامر، والإشارة الأساسية للأخطاء. في معظم المشاريع العملية، ستحتاج أيضًا إلى كتابة تسلسل تهيئة اللوحة - وهو عبارة عن قائمة بحزم DCS (مجموعة أوامر العرض) المرسلة عبر وصلة DSI في وضع الطاقة المنخفضة قبل التبديل إلى بث الفيديو عالي السرعة. تحتوي دوائر متكاملة شائعة للوحات مثل OTM8009A وNT35510 على تسلسلات تهيئة مرجعية ضمن أمثلة البرامج الثابتة CubeH7 من ST.

الجزء الأكثر تعقيدًا هو تصميم لوحة الدوائر المطبوعة. يُنصح بشدة بقراءة مذكرة التطبيق AN4860 من ST: يجب أن تكون مقاومة أزواج D-PHY التفاضلية مضبوطة عند 100 أوم، مع وصلات قصيرة، وفصل مناسب بالقرب من دبابيس DSI. غالبًا ما يندم المهندسون الذين تجاهلوا هذه الوثيقة وتساءلوا عن سبب وميض شاشتهم أو تعطلها عند معدلات نقل بيانات عالية، على ذلك لاحقًا.

مصفوفة دعم STM32 MIPI DSI

راسبيري باي: أسهل طريقة للبدء في تطوير MIPI DSI

نظرة عامة على الأجهزة

كل جهاز Raspberry Pi كامل الحجم منذ الطراز B+ الأصلي يأتي مزودًا بـ موصل DSI FPC ذو 15 سنًا على اللوحة. يحمل علامة "DISPLAY" وكان ميزة ثابتة في جميع إصدارات Pi 2 و3 و4، والآن Pi 5. يستخدم Pi Zero وZero 2 W موصل FPC أضيق ذو 22 سنًا، وهو مشابه كهربائيًا ولكنه مختلف فيزيائيًا، مما يسبب مشكلة للمستخدمين عند شراء كابلات العرض.

تقوم شريحة Broadcom BCM2711 الموجودة داخل جهاز Raspberry Pi 4 بتشغيل هذا الموصل باستخدام جهاز إرسال MIPI DSI ثنائي المسار. يعمل التصميم المرجعي - شاشة اللمس الرسمية لجهاز Raspberry Pi مقاس 7 بوصات - بسرعة تتراوح بين 200 و285 ميجابت في الثانية لكل مسار، وذلك حسب وضع اللوحة، وهو ما يقع ضمن نطاق التشغيل المريح لتقنية D-PHY. راسبيري باي 5 الأمر الأكثر إثارة للاهتمام هو أن شريحة الجسر الجنوبي RP1 المصممة خصيصًا توفر منفذي DSI مستقلين، كل منهما قادر على نقل مسارين بسرعة كافية لإخراج 1080p60. وهذا يُعدّ ترقية حقيقية لأي شخص يقوم ببناء أنظمة أكشاك عرض مزدوجة أو لوحات صناعية عالية الدقة.

الجانب البرمجي: لينكس يجعل الأمر سهلاً

هنا يبرز جهاز Raspberry Pi كأفضل منصة MIPI DSI سهلة الاستخدام للمطورين. فبفضل تشغيله لنظام Linux كامل، يتم دمج دعم لوحة العرض في النظام الفرعي drivers/gpu/drm/panel/ الخاص بنواة النظام. إضافة لوحة جديدة لا تتطلب سوى كتابة طبقة Device Tree تُحدد قناة DSI، وتوقيتات اللوحة، وتسلسل التهيئة، بالإضافة إلى وحدة نواة صغيرة في حال عدم دعم شريحة اللوحة في المصدر الرئيسي.

بالنسبة لمعظم وحدات عرض MIPI DSI المتوفرة تجاريًا والتي تتراوح أحجامها بين 3.5 و10 بوصات، يتوفر برنامج تشغيل جاهز أو برنامج تشغيل خارجي ضمن مجتمع المستخدمين. قارن ذلك ببيئة STM32 التي تتطلب كتابة كل بايت من تسلسل التهيئة يدويًا، وستلاحظ فرقًا شاسعًا في الإنتاجية. كما يتيح نظام Linux الخاص بـ Raspberry Pi استخدام أي إطار عمل لواجهة المستخدم الرسومية، مثل Qt وGTK وElectron وLVGL عبر DRM، وحتى متصفح ويب يعمل بملء الشاشة.

المنتج ذو الصلة: شاشات عرض لراسبيري باي — شاشة كادي — مجموعة مختارة من وحدات عرض MIPI DSI و SPI تم التحقق منها لـ Raspberry Pi، تتراوح أحجامها من 3.5 إلى 10.1 بوصة مع خاصية اللمس السعوي الاختيارية.

مشاكل التوصيل وحدود الكابلات

هناك أمران يُعيقان مُنشئي شاشات Raspberry Pi لأول مرة. أولًا، ترتيب دبابيس الموصل: يستخدم Raspberry Pi 4 موصلًا مرنًا ذو 15 دبوسًا، حيث يكون الدبوس رقم 1 هو الأقرب إلى حافة اللوحة، بينما يستخدم Raspberry Pi 5 نفس الموصل المادي ولكن مع اختلاف طفيف في توزيع الإشارات على منافذ DSI الأحدث - لذا تأكد دائمًا من مواصفات الكابل عند التبديل بين أجيال Raspberry Pi. ثانيًا، طول الكابل. صُمم MIPI DSI D-PHY للتوصيل الداخلي على مستوى اللوحة، وليس للكابلات الخارجية. تأتي غالبية وحدات العرض المُعتمدة مزودة بكابلات يتراوح طولها بين 100 و200 مم. بعد 300 مم، تبدأ جودة الإشارة بالتدهور عند معدلات نقل البيانات العالية، وقد تلاحظ تشوهات بصرية أو انقطاعات في الاتصال. إذا كان تطبيقك يتطلب وضع لوحة العرض بعيدًا عن Raspberry Pi، فإن استخدام كابل أقصر مع مسار واحد وسرعة أقل غالبًا ما يكون خيارًا عمليًا أفضل من نقل بيانات بسرعة 500 ميجابت في الثانية عبر مسارين باستخدام كابل طوله 400 مم.

يُعد ESP32-P4 هو ESP32 الوحيد المزود بواجهة MIPI DSI أصلية؛ بينما تعتمد جميع الواجهات الأخرى على SPI/QPI أو 8080 Parallel أو RGB.

القيود (ونقطة التحول)

لنكن صريحين: قبل ظهور ESP32-P4، لم تكن أي شريحة من عائلة ESP32 - بما في ذلك ESP32 الأصلي، وS2، وS3، وC3، وC6، وH2 - مزودة بجهاز إرسال MIPI DSI مدمج. صممت شركة Espressif هذه الأجزاء لتلبية احتياجات الاتصال اللاسلكي وأحمال عمل وحدات التحكم الدقيقة للأغراض العامة، وليس خطوط عرض عالية النطاق الترددي. ونتيجة لذلك، كانت واجهات العرض المتاحة في جميع أنحاء المجموعة محدودة دائمًا ببضعة خيارات قديمة ذات سرعة منخفضة.

إليك ما ستحصل عليه فعلياً مع الأجزاء غير P4:

• واجهات SPI و QPI: موجودة في جميع إصدارات ESP32 تقريبًا. تعمل بشكل جيد مع الشاشات الصغيرة ذات الدقة المنخفضة، ولكن معدل نقل البيانات يصل إلى ذروته بسرعة.
• واجهة 8080 المتوازية: هذه أفضل واجهة ستجدها في ESP32-S3. تحتوي على وحدة تحكم LCD متوازية 16 بت (بروتوكول Intel 8080 أو Motorola 6800) تعمل بتردد 20 ميجاهرتز تقريبًا. يصل معدل نقل البيانات الخام إلى حوالي 320 ميجابت في الثانية، وهو رقم يبدو جيدًا حتى تقارنه بواجهة MIPI DSI. يوفر مسار بيانات DSI واحد يعمل بسرعة 250 ميجابت في الثانية عرض نطاق بكسل أكبر قابل للاستخدام، كما أن DSI قابلة للتوسع إلى أربعة مسارات بينما لا تدعمها ناقلة البيانات المتوازية.
• واجهة RGB: موجودة أيضًا في رقائق مثل S3، لكنها لا تزال تستهلك الكثير من الدبابيس وتفتقر إلى الكفاءة التسلسلية لـ DSI.

يظهر الحد الأقصى لعرض النطاق الترددي بوضوح في معدلات الإطارات. لنأخذ مثالًا على ذلك وحدة ESP32-S3 التي تشغل شاشة RGB بدقة 800×480 وألوان 16 بت عبر واجهة متوازية. مع معالجة DMA لتدفق البكسلات وعدم تدخل وحدة المعالجة المركزية، يُمكن توقع معدل إطارات يتراوح بين 30 و40 إطارًا في الثانية. هذا المعدل مناسب تمامًا لواجهات المستخدم الثابتة، أو التنقل بين القوائم، أو لوحة بيانات المستشعرات التي تُحدَّث ببطء. ولكن عند إضافة رسوم متحركة بملء الشاشة أو محتوى فيديو، سرعان ما يصبح الأداء متقطعًا.

ثم جاء جهاز ESP32-P4.

يُغيّر معالج P4 قواعد اللعبة تمامًا. فهو أول معالج ESP32 - والوحيد حتى الآن - مزود بواجهة MIPI DSI مدمجة في الشريحة. هذه الإضافة تُدخل نظام ESP32 إلى عصر الشاشات الحديثة، مما يُتيح تشغيل شاشات الهواتف الذكية والأجهزة اللوحية مباشرةً، مع عرض نطاق بكسل ومعدلات إطارات سلسة لا تُضاهيها واجهات العرض المتوازية وSPI. إذا كان مشروعك يتطلب دعمًا أصليًا لواجهة MIPI DSI، فإن ESP32-P4 هو الخيار الوحيد المتاح حاليًا في عائلة ESP32.

حل بديل لدائرة الجسر المتكاملة

إذا كنت بحاجة ماسة إلى لوحة MIPI DSI على ESP32 - ربما لأن اللوحة التي اخترتها تحتوي فقط على واجهة DSI - فإن الحل الهندسي القياسي هو دائرة متكاملة للجسرالجزء الأكثر شيوعًا هو SSD2828، وهو محول RGB إلى DSI أحادي الشريحة. يقوم ESP32 (أو أي وحدة تحكم دقيقة أخرى) بتشغيل SSD2828 عبر SPI لتهيئته، ثم يزوده بتدفق فيديو RGB متوازٍ. يقوم SSD2828 بتحويل هذا التدفق إلى مخرج MIPI DSI يمكن للشاشة استقباله. يعمل هذا النظام، ولكنه يزيد أيضًا من تكلفة قائمة المكونات، ومساحة لوحة الدوائر المطبوعة، وطبقة أخرى من تعقيد البرامج الثابتة - لذا فهو خيار يستحق التقييم بعناية مقارنةً باختيار شاشة أخرى بواجهة أصلية متوافقة.

يُعدّ اختيار وحدة شاشة TFT LCD مزودة بواجهة SPI منذ البداية نهجًا أبسط وأكثر شيوعًا للمنتجات القائمة على ESP32. وحدات تحكم اللوحة مثل ILI9341, ST7789, ILI9488, و GC9A01 تتوفر هذه الشاشات بأحجام تتراوح من 1.3 إلى 4 بوصات، وهي مدعومة بشكل ممتاز من قِبل مكون esp_lcd الخاص بـ ESP-IDF ومكتبات Arduino المجتمعية. عند دقة 320×240 ومعدل 60 إطارًا في الثانية، يكون منفذ SPI بسرعة 40 ميجاهرتز كافيًا تمامًا. عند دقة 480×320، يبدأ معدل الإطارات بالانخفاض؛ أما عند دقة 800×480 وما فوق، فستحتاج بالتأكيد إلى واجهة متوازية أو نظام على شريحة (SoC) مختلف.

المنتج ذو الصلة: حلول العرض المدمجة - كادي ديسبلاي — وحدات عرض صناعية مزودة بواجهات SPI و متوازية و DSI مناسبة للتصميمات المدمجة القائمة على ESP32 و STM32.

مقارنة جنبًا إلى جنب: نظرة عامة على دعم منصة MIPI

اختيار وحدة العرض المناسبة لجهازك

إذا كنت تستخدم STM32 H7 أو F469

استخدم MIPI DSI. المكونات المادية متوفرة، وبرامج تشغيل HAL ناضجة، وتوفير عدد الأطراف مقارنةً بلوحة RGB متوازية 24 بت كبير - مسارات أقل، وموصلات أصغر، وإدارة أسهل للتداخل الكهرومغناطيسي. التزم بشرائح اللوحة المتكاملة ذات مجموعات أوامر DCS القياسية (OTM8009A وNT35510 وRM67162 موثقة جميعها في أمثلة CubeH7 من ST) حتى لا تبدأ من الصفر في تسلسل التهيئة.

إذا كنت تستخدم Raspberry Pi 4 أو 5

يُعدّ MIPI DSI الخيار الأمثل. ما عليك سوى توصيل كابل FPC متوافق، وتثبيت الطبقة المناسبة، وستظهر اللوحة كإطار عرض قياسي لنظام لينكس. بالنسبة للمشاريع التي تتطلب شاشة عرض ثانية، يمكن لجهاز Raspberry Pi 5 تشغيل لوحتي DSI في وقت واحد عبر منفذيه المستقلين - وهي ميزة كانت تتطلب سابقًا لوحة حاملة باهظة الثمن أو دائرة متكاملة خارجية لتشغيلها.

مُستَحسَن: كادي ديسبلاي - كتالوج المنتجات الكامل — لوحات MIPI DSI لـ Raspberry Pi، ووحدات TFT LCD صناعية لـ STM32، وشاشات AMOLED وشاشات العرض الشريطية، بالإضافة إلى خدمات التخصيص حسب الطلب. شركة مصنعة بخبرة إنتاجية تزيد عن 20 عامًا في شنتشن.

إذا كنت تستخدم ESP32

كن واقعيًا بشأن دقة الشاشة ومعدل الإطارات المستهدفين قبل اختيار لوحة العرض. إذا كانت واجهة المستخدم الخاصة بك تتناسب مع دقة 320×240 أو 480×320، فإن اختيار لوحة SPI مناسبة يُعدّ خيارًا بسيطًا وغير مكلف. أما إذا كنت بحاجة إلى دقة 800×480 بمعدلات إطارات مقبولة، فإن واجهة LCD المتوازية في ESP32-S3 هي الأداة المناسبة. علاوة على ذلك، فكّر مليًا فيما إذا كان ESP32 لا يزال هو النظام على شريحة (SoC) المناسب - فقد يكون Raspberry Pi CM4 أو STM32H7 خيارًا أفضل للمشروع من تصميم حلول هندسية تراعي حدود عرض النطاق الترددي للشاشة.

إلى أين تتجه الصناعة: DSI-2، وAMOLED، والسيارات

لم يقف تحالف MIPI مكتوف الأيدي. MIPI DSI-2 يُضيف هذا التحديث دعمًا للطبقات الفيزيائية C-PHY و A-PHY إلى جانب الطبقة D-PHY المعروفة، حيث تُوفر C-PHY على وجه الخصوص كثافة بيانات أفضل لكل زوج من الدبابيس، وهو أمر بالغ الأهمية عندما يكون عدد دبابيس الموصل محدودًا في التصاميم المدمجة. ويمكن أن تتجاوز إنتاجية C-PHY أحادية المسار ما تُوفره وصلة D-PHY ثنائية المسار، وهو أمر مهم للأجهزة القابلة للارتداء فائقة النحافة وشاشات عرض السيارات حيث يُحسب كل ملليمتر من مساحة مقطع الكابل.

في سوق الألواح نفسها، شاشات AMOLED تتسلل هذه التقنية من الهواتف الذكية الرائدة إلى الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية متوسطة المدى، وتتزايد أهميتها في التطبيقات الصناعية والطبية. يتوافق وضع التشغيل "وضع الأوامر" في شاشات AMOLED - حيث تخزن الشاشة مخزن الإطارات الخاص بها وتُحدّث تلقائيًا - بشكل ممتاز مع التصاميم المدمجة التي تعمل بالبطارية، إذ يسمح هذا الوضع لوحدة النظام على الشريحة (SoC) بالدخول في وضع السكون بين تحديثات واجهة المستخدم دون أن تنطفئ الشاشة. شركات تصنيع الشاشات مثل عرض كادي يتم الآن توفير وحدات AMOLED بأشكال ملائمة للدمج، مما يجعل من العملي تحديد AMOLED في واجهة المستخدم الصناعية دون الحاجة إلى برنامج تطوير لوحة مخصصة.

بالنسبة لتطبيقات السيارات، تكتسب مواصفة MIPI A-PHY (الطبقة الفيزيائية للسيارات) رواجًا متزايدًا، إذ توسّع نطاق نظام MIPI ليشمل وصلات عرض داخل المركبات يصل طولها إلى 15 مترًا بسرعة 16 جيجابت في الثانية، مع ميزات أمان وظيفية مدمجة. يتجاوز هذا بكثير نطاق مشاريع STM32 أو Raspberry Pi للهواة، ولكنه يُشير إلى الاتجاه الذي يسلكه عالم شاشات العرض المدمجة على نطاق أوسع.

الخاتمة

ثلاث منصات، وثلاث تجارب عرض MIPI مختلفة تمامًا. توفر لك سلسلة STM32 H7 تقنية DSI مدمجة حقيقية في بيئة تشغيل مباشرة - قوية وصغيرة الحجم، ولكنك تتحكم في كل سطر من برنامج التشغيل. يوفر لك Raspberry Pi تقنية DSI أصلية مع نظام Linux يقوم بمعظم العمليات المعقدة - أسرع مسار من المكونات المادية إلى شاشة العرض العاملة بفارق مريح. لا يوفر لك ESP32 أيًا من ذلك، ولكن هذا ليس بالضرورة مشكلة إذا كنت واقعيًا بشأن حجم الشاشة ومعدل الإطارات منذ البداية.

إنّ أغلى خطأ في تصميم الشاشات المدمجة ليس اختيار المكونات المادية، بل عدم توافق التوقعات. فاختيار لوحة عرض MIPI DSI بدقة 1080p ثم اكتشاف أن وحدة التحكم الدقيقة المختارة لا تدعم MIPI يُعدّ موقفًا مزعجًا يمكن تجنّبه. خصّص عشر دقائق لمراجعة مواصفات واجهة المستخدم قبل طلب العينات، وستجد أن بقية المشروع ستكون أكثر سلاسة.

للحصول على توصيات بشأن وحدات العرض الخاصة بمشروعك - سواءً كانت MIPI DSI لـ Raspberry Pi، أو شاشات TFT LCD الصناعية لـ STM32، أو لوحات SPI لـ ESP32 - تصفح المجموعة الكاملة على kadidisplay.com. كما يُقدم فريقنا خدمات تصنيع المعدات الأصلية (OEM) وتصميمها (ODM) لمشاريع شاشات العرض المخصصة، مع فترات تسليم قصيرة، انطلاقًا من مقرنا في شنتشن.

إخلاء مسؤولية: جميع أسماء العلامات التجارية وأسماء المنتجات هي علامات تجارية مملوكة لأصحابها. البيانات الفنية مستقاة من جداول البيانات المتاحة للجمهور، وأدلة المراجع، ووثائق الشركة المصنعة. لا يُمثل هذا المقال بيانًا رسميًا من شركة STMicroelectronics أو Raspberry Pi Ltd. إسبريسيف الأنظمة، أو تحالف MIPI. روابط المنتجات الداخلية تؤدي مباشرة إلى kadidisplay.com.