Handleiding voor het selecteren van een beeldscherminterface

MIPI-scherm · RGB-scherm · LVDS-scherm — Oorsprong, specificaties en hoe u de juiste keuze maakt

Door het technische team van Kadi Display |  www.kadidisplay.com  | Industriële displaytechnologie 

Waarom de keuze van de interface de eerste beslissing is, en geen bijzaak.

Elk embedded display-project stuit uiteindelijk op dezelfde vraag: welke interface? En dat is een lastigere vraag dan het lijkt, want het antwoord hangt af van de grootte van het paneel, het processorplatform, de lengte van de kabel, het productiebudget en de omgevingsgeluiden waarin het apparaat zal werken. Als je in een vroeg stadium een ​​fout maakt, moet je ofwel de printplaat opnieuw ontwerpen, ofwel concessies doen aan de framesnelheid en resolutie, wat later erg moeilijk te herstellen is.

Deze handleiding behandelt alle belangrijke beeldscherminterfaces die er tegenwoordig bestaan: waar ze vandaan komen, waar ze echt goed in zijn en wanneer je de ene boven de andere moet kiezen. De nadruk ligt op industriële en embedded toepassingen: RGB parallel, LVDS en MIPI DSI komen hier het meest aan bod, omdat dit de interfaces zijn die je in vrijwel elk serieus HMI-project zult tegenkomen. SPI, eDP, HDMI en VGA worden kort behandeld, omdat ze te beperkt of te toepassingsspecifiek zijn om dezelfde aandacht te rechtvaardigen voor een industrieel publiek.

Een overzicht van alle interfaces op de markt.

Voordat we dieper ingaan op de drie belangrijkste, is het handig om eerst een overzicht te hebben van de verschillende categorieën. De onderstaande tabel geeft een samenvatting van elke belangrijke display-interfacefamilie, de periode waarin deze is ontstaan ​​en waarvoor deze tegenwoordig doorgaans wordt gebruikt.

Snel naslagwerk voor de scherminterface

Een paar dingen die het vermelden waard zijn. VGA Het is opgenomen omdat je het nog steeds tegenkomt bij vervangingsprojecten voor verouderde industriële apparatuur — oude CNC-controllers, terminals op de fabrieksvloer en medische apparaten uit de jaren 2000 die een upgrade van het beeldscherm nodig hebben. eDP Het is de standaard op moderne x86-computermodules (Intel NUC, Raspberry Pi CM4-carrierboards en de meeste commerciële panel-pc's), maar wordt zelden vanaf nul in op maat gemaakte embedded hardware ingebouwd, omdat het specifieke timingcontrollerchips vereist. HDMI en DisplayPort Het betreft voornamelijk consumenteninterfaces; ze komen voor in embedded systemen wanneer het beeldscherm een ​​standaardmonitor is in plaats van een geïntegreerd paneel.

RGB Parallel Display Interface — De krachtpatser van middelgrote industriële panelen

Waar het vandaan komt

De parallelle RGB-interface — soms ook wel TTL-parallel, DPI (Display Parallel Interface) of simpelweg 'parallelle LCD' genoemd — is voortgekomen uit een eenvoudige logica: als je genoeg GPIO-pinnen en snelle logica hebt, kun je een paneel pixel voor pixel, regel voor regel aansturen, met aparte draden voor elk bit van de rode, groene en blauwe kanalen. Het idee is zo oud als CRT-rasterscanning. Wat er eind jaren negentig veranderde, was dat fabrikanten van LCD-panelen begonnen met het standaardiseren van een 24-bits parallelle ingang (8 bits elk voor R, G, B) met HSYNC, VSYNC, DE (data enable) en een pixelklok — waarmee ze in feite één aanpak vastlegden waar iedereen op kon voortbouwen.

Dit werd de RGB888 interface die de meeste industriële TFT LCD-modules in het 4- tot 12-inch bereik van vandaag de dag aanstuurt. Een 7-inch 800×480 paneel op 60 Hz heeft bijvoorbeeld een pixelklok van ongeveer 33 MHz nodig, wat ruim binnen de mogelijkheden ligt van algemene MCU/MPU GPIO-uitgangstrappen. Op een STM32H7 of een NXP i.MX6Het LCD-TFT Display Controller (LTDC) hardwareblok regelt alle synchronisatietiming automatisch: u hoeft alleen de resolutie, klok en voor-/achterveranda-parameters te configureren, de LTDC naar een framebuffer in SDRAM te laten wijzen, en de hardware streamt continu pixels zonder tussenkomst van de CPU.

Bandbreedte en praktische beperkingen

De berekening is eenvoudig. Een 800×480-scherm met 60 fps, 24-bits kleur en standaard synchronisatieoverhead heeft een pixelklokfrequentie van ongeveer 27 MHz nodig. Een 1024×600-paneel met 60 fps heeft ongeveer 48 MHz nodig. Een volledig 1280×800 WXGA-paneel met 60 fps verbruikt zo'n 71 MHz. Dit is haalbaar met zorgvuldige PCB-routing, maar de parallelle bus begint tegen te werken: 24 datalijnen plus 4 besturingslijnen zijn 28 sporen die allemaal een vergelijkbare voortplantingsvertraging nodig hebben om beeldartefacten te voorkomen. Bij sporen langer dan ongeveer 10 cm moet je rekening houden met routing op gelijke lengte, wat de lay-out complexer maakt en meer PCB-oppervlak in beslag neemt.

Boven de 1280×800 pixels wordt de parallelle RGB-interface onpraktisch. De pixelklokfrequentie overschrijdt de 80-100 MHz en het gelijktijdig schakelen van 24 lijnen leidt tot ernstige elektromagnetische interferentie (EMI). Dat is de natuurlijke grens waar ingenieurs historisch gezien naartoe zijn overgestapt. LVDS, en meer recentelijk naar MIPI DSI of eDP.

Waar RGB nog steeds zinvol is

Ondanks de beperkingen zal parallelle RGB-weergave niet verdwijnen uit de markt voor industriële beeldschermen. Het ecosysteem van processoren met LTDC of gelijkwaardige hardware is enorm — STM32 F4/H7, NXP i.MX6/7/8, Allwinner A-serie, Rockchip RK35xx, TI AM335x/AM5xx ondersteunen allemaal native parallelle RGB. De paneelkosten zijn concurrerend. En voor schermen tot 7-10 inch met 60 fps is de interface volledig toereikend.

Aanbevolen producten: Industriële TFT LCD-displaymodules — Kadi Display — Een reeks RGB- en MIPI TFT-LCD-panelen van 4,3 tot 10,1 inch met optionele capacitieve aanraakfunctionaliteit, een breed bedrijfstemperatuurbereik en opties voor hoge helderheid van 400 tot 1000 nit.

LVDS-displayinterface — De betrouwbare keuze voor grote industriële panelen

De techniek erachter

Laagspanningsdifferentieel Signaaloverdracht (LVDS) Het werd in 1994 geformaliseerd in ANSI/TIA-644, en de displayspecifieke variant – soms OpenLDI (Open LVDS Display Interface) genoemd – ontstond eind jaren negentig uit een samenwerking tussen paneelfabrikanten. Het kernidee is eenvoudig maar slim: in plaats van één bit per draad met een hoge spanning te versturen (zoals bij parallelle RGB), verstuurt LVDS elke bit als een differentieel paar met een veel lagere spanningsamplitude – typisch 350 mV piekdifferentieel, vergeleken met 3,3 V voor TTL-signalen.

Die lagere amplitude maakt LVDS aanzienlijk minder gevoelig voor ruis en elektromagnetische interferentie, en het betekent ook dat de bus per paar veel sneller kan werken: een enkele LVDS-lijn kan geserialiseerde data transporteren met snelheden van 100 Mbps tot ongeveer 1,5 Gbps, afhankelijk van de specifieke siliciumimplementatie. Een typische LVDS-verbinding met één kanaal (1 klokpaar + 4 dataparen = 10 draden in totaal) die werkt met 700 Mbps per paar, transporteert het equivalent van een 24-bits RGB-bus die werkt op 65 MHz — wat gemakkelijk een paneel van 1024×768 pixels bij 60 fps dekt.

LVDS met één kanaal versus LVDS met twee kanalen

Voor schermen met een resolutie tot ongeveer 1024×768 of 1280×800 bij 60 fps, enkelkanaals LVDS (4 dataparen + 1 klokpaar) is voldoende. Voor grotere schermen — 1920×1080 Full HD bij 60 fps, 1280×1024 SXGA bij 75 Hz, of alles wat een pixelklokfrequentie van meer dan ongeveer 110 MHz equivalent heeft — tweekanaals LVDS De data wordt verdeeld over twee banken van 4+1 paren, waardoor de bandbreedte effectief wordt verdubbeld. De connector gaat van ongeveer 20 pinnen naar 30-40 pinnen, maar de voordelen van LVDS ten opzichte van parallelle RGB op het gebied van signaalintegriteit blijven volledig behouden.

Een praktische opmerking waar engineers vaak tegenaan lopen: LVDS gebruikt een serialisator aan de processorzijde en een deserialisator die is ingebouwd in de timingcontroller van het paneel. Dit betekent dat het ruwe LVDS-signaal niet rechtstreeks door de GPIO van de processor wordt gegenereerd. Je hebt een speciale LVDS-zenderchip nodig (zoals de Texas Instruments SN65LVDS84-familie of een equivalent), of een processor met een ingebouwd LVDS-uitgangsblok (te vinden in de NXP i.MX6/8, Rockchip RK3399 en diverse andere applicatieprocessors). Houd rekening met de materiaalkosten en de benodigde printplaatruimte voor die zender als je SoC er geen op de chip heeft.

Voordelen van kabellengte en elektromagnetische interferentie (EMI)

Dit is waar LVDS echt uitblinkt ten opzichte van parallelle RGB-verbindingen. Een goed afgesloten LVDS-verbinding kan betrouwbaar werken over een differentiële kabel van 50 tot 100 cm – soms zelfs meer, afhankelijk van de specifieke timingcontroller van het paneel en de zenderchip. Dat is de reden waarom bijna elke industriële panel-pc, embedded vision-systeem en medische beeldvormingsterminal LVDS gebruikt voor de hoofdverbinding met het beeldscherm: de beeldschermmodule kan aan de voorkant van een behuizing worden gemonteerd, terwijl de computerkaart aan de achterkant zit, met een kabel van 30 tot 50 cm ertussen.

Ontdekken: Kadi Display — Displays Monitor Range — Industriële monitoren van 8 tot 21 inch met LVDS-, eDP- en HDMI-ingangen, een breed temperatuurbereik en instelbare helderheidsniveaus voor leesbaarheid in zonlicht.

MIPI-displayinterface — Ontwikkeld voor mobiele apparaten, nu met grote snelheid op weg naar de industriële markt

Oorsprong en architectuur

MIPI DSI (Display Serial Interface) De MIPI DSI-standaard werd in 2006 gepubliceerd door de MIPI Alliance en was primair bedoeld om het probleem op te lossen van het aansluiten van displays met hoge resolutie op smartphone-SoC's met een minimaal aantal pinnen en een laag stroomverbruik. De fysieke laag (D-PHY) maakt gebruik van differentiële paren met een spanningsschommeling van 200 mV en ondersteunt datasnelheden per lane van 80 Mbps tot 2,5 Gbps in de D-PHY v2.1-specificatie, en tot 4,5 Gbps in C-PHY-modus. Een 4-lane MIPI DSI-link met 1,5 Gbps per lane levert een ruwe doorvoer van 6 Gbps op, wat zonder problemen een 1080p AMOLED-scherm met 90 Hz kan aansturen.

De bus werkt in twee modi. De High-Speed ​​(HS) modus wordt gebruikt voor het streamen van pixelgegevens; de LP (Low Power) modus wordt gebruikt voor het verzenden van commando's tijdens de initialisatie van het paneel en het wijzigen van de weergavemodus. De DCS (Display Command Set) commandolaag bevindt zich boven de fysieke en protocollagen en biedt een gestandaardiseerde manier om helderheid, rotatie, tearing-effect en andere paneelparameters in te stellen zonder de specifieke IC-details van het paneel te hoeven kennen – ervan uitgaande dat het paneel DCS-compatibel is, wat de meeste moderne MIPI-panelen zijn.

Waarom MIPI terrein wint in de industriële sector

Het antwoord ligt deels in de economie en deels in de beschikbaarheid van silicium. MIPI DSI is nu de standaard beeldscherminterface op vrijwel elke moderne applicatieprocessor die gericht is op embedded Linux: NXP i.MX 8M Plus, Rockchip RK3568/RK3588, Qualcomm SA8155, STM32H747/H7Bx, Raspberry Pi 4/5 — ze zijn allemaal standaard uitgerust met MIPI DSI-hostcontrollers. Paneelfabrikanten hebben de siliciumtechnologie gevolgd: het aanbod aan MIPI DSI LCD- en AMOLED-panelen in de formaten 4 tot 10 inch is de afgelopen vijf jaar enorm toegenomen, en de prijzen zijn gelijkgetrokken met die van vergelijkbare RGB-panelen.

Het voordeel van het aantal pinnen is doorslaggevend voor compacte ontwerpen. Een 2-lane MIPI DSI-link voor een 7-inch 1024×600-paneel gebruikt 6 signaalpinnen (1 klokpaar + 2 dataparen + 1 reset + 1 VSYNC). De equivalente RGB parallelle bus heeft er 28 nodig. Dat verschil is van groot belang bij het ontwerpen van een 4-laags printplaat in een handheld apparaat met een beperkte vormfactor.

AMOLED-panelen met MIPI DSI en ingebouwd GRAM (Graphics RAM) bieden nog een voordeel voor beeldschermen die op batterijen werken of waarvan de gegevens slechts af en toe worden bijgewerkt: Opdrachtmodus werking. Het paneel heeft zijn eigen framebuffer, wordt autonoom vernieuwd en heeft alleen nieuwe pixelgegevens nodig wanneer het beeld verandert. De host-SoC kan in slaapstand gaan tussen de updates. In een typisch industrieel IoT-veldapparaat dat sensorwaarden weergeeft die elke paar seconden veranderen, kan dit het stroomverbruik van het weergavesubsysteem met 60-80% verminderen in vergelijking met een RGB-paneel in videomodus dat continu pixelgegevens moet ontvangen met een snelheid van 60 fps.

Ontdekken: Schermen voor Raspberry Pi — Kadi Display — MIPI DSI- en HDMI-displaymodules die zijn geverifieerd voor Raspberry Pi 4 en Pi 5, met schermformaten van 3,5 tot 10,1 inch en optionele touchscreens.

Zie ook: AMOLED-displaymodules — Kadi Display — Compacte AMOLED-panelen met MIPI DSI-interface, geschikt voor wearables, industriële handhelds en draagbare medische apparatuur.

Praktische selectiegids: de interface afstemmen op de toepassing

Alle drie de belangrijkste industriële interfaces — RGB, LVDS en MIPI DSI — worden nog steeds actief in nieuwe producten geïntegreerd. De keuze hangt af van vijf factoren: paneelgrootte, beoogde resolutie, benodigde kabellengte, ondersteuning door de hostprocessor en de gebruiksomgeving. De onderstaande tabel koppelt veelvoorkomende projectscenario's aan de juiste interface.

Interfacekeuze op basis van toepassingsscenario

Enkele onverwachte gevallen die het waard zijn om te kennen.

LVDS voor 7-inch panelen? Ja, soms. Als het beeldscherm zich op 30-50 cm afstand van het moederbord bevindt in een paneelmontagebehuizing en de fabrieksomgeving aanzienlijke elektrische ruis bevat (motorsturingen, schakelende voedingen), dan maakt de superieure ruisimmuniteit van LVDS de extra serialisatiechip de moeite waard, zelfs bij een formaat waar RGB technisch gezien zou werken.

MIPI voor de industrie? Steeds vaker wel, vooral op Cortex-A-gebaseerde platforms. Als uw SoC al MIPI DSI-hardware heeft (de meeste moderne SoC's hebben dat) en het paneel zich binnen 20 cm van de printplaat bevindt, is MIPI DSI vaak de meest efficiënte oplossing: minder printsporen, minder elektromagnetische interferentie en een groeiend aanbod aan compatibele panelen.

RGB voor nieuwe ontwerpen? Het is lastiger om RGB als eerste keuze aan te bevelen voor ontwerpen die vandaag de dag worden gestart, als de processor MIPI DSI ondersteunt. Maar RGB blijft de juiste oplossing wanneer je een specifiek paneel nodig hebt dat alleen in RGB verkrijgbaar is, of wanneer je engineeringteam snel een platform met volwaardige RGB-driverondersteuning en zonder MIPI-hardware wil opstarten.

De andere interfaces — Korte notities

SPI en parallel (8080/6800)

SPI SPI blijft de standaard voor kleine displays kleiner dan 3,5 inch op microcontrollers zonder hardwarematige displaycontrollers (ESP32, Arduino, STM32G0/L4). Veelgebruikte IC's voor displays: ILI9341, ST7789, GC9A01. De bandbreedte is beperkt: met 40 MHz SPI haal je ongeveer 10-15 fps op een 320x240 display in 16-bits kleur. Voor alles wat vloeiende animaties vereist groter dan 3 inch, is SPI ontoereikend. Parallel 8080 (8 of 16 bits) is de volgende stap, gebruikt op ESP32-S3 en vergelijkbare microcontrollers voor panelen tot 800×480.

eDP (Embedded DisplayPort)

eDP is tegenwoordig de dominante interface voor laptopschermen en x86 embedded panel-pc's. Als u een systeem ontwerpt op basis van een Intel NUC-module, NVIDIA Jetson of een vergelijkbaar x86/x86-compatibel platform, is eDP waarschijnlijk uw beeldscherminterface, of u dit nu expliciet hebt gekozen of niet — het is wat de module als beeldschermuitvoer produceert. De bandbreedte is uitstekend (tot 8,1 Gbps per lane in eDP 1.4b, met 4 beschikbare lanes) en het aantal lanes schaalt soepel van 1 lane voor kleine schermen tot 4 lanes voor 4K-schermen.

HDMI en DisplayPort

Dit zijn AV-interfaces voor consumenten en professionals, die hier voor de volledigheid zijn opgenomen. In embedded industriële ontwerpen komen ze voor wanneer het beeldscherm een ​​standaard HDMI-monitor is in plaats van een geïntegreerd paneel – denk aan monitoren op werkstations in fabrieken of grote displays die worden aangestuurd door een embedded pc. Ze worden doorgaans niet gebruikt voor directe paneelaansluiting in aangepaste hardware vanwege de elektrische complexiteit (TMDS/HDCP voor HDMI, AUX-kanaal voor DisplayPort) en het feit dat geïntegreerde panelen geen HDMI/DP-ingangen op paneelniveau beschikbaar stellen.

VGA

Analoog, verouderd en langzaam aan het verdwijnen. Het is alleen het vermelden waard omdat een aanzienlijk aantal industriële onderhoudsprojecten nog steeds het vervangen of uitbreiden van beeldschermen op apparatuur uit de jaren 2000 met VGA-uitgang omvat. Als u dat doet, is een VGA-naar-HDMI-converterkaart meestal de eenvoudigste oplossing, in plaats van de beeldscherminterface opnieuw te ontwerpen.

Samenvatting — Met welke interface moet u beginnen?

Hier is de eerlijke, korte versie. Als u vandaag de dag een industrieel product helemaal vanaf nul bouwt met een moderne applicatieprocessor en een beeldscherm van 5 tot 10 inch, controleer dan eerst of uw SoC MIPI DSI-hardware heeft. Als dat het geval is en uw gekozen beeldscherm een ​​MIPI DSI-versie heeft, is dat waarschijnlijk de gemakkelijkste oplossing. Als het beeldscherm groot is (10 inch en groter) of meer dan 20-30 cm van de printplaat moet staan, is LVDS de beste optie. RGB parallel is een prima alternatief als uw processor LTDC of vergelijkbare hardware heeft en het beeldscherm een ​​resolutie van 800×480 of 1024×600 heeft.

En als u zich nog in de beginfase van de componentselectie bevindt – voordat u een processor of een paneel hebt gekozen – bespaart het kiezen van de interface en vervolgens het vinden van de chip die deze interface native ondersteunt, meer ontwikkeltijd dan vrijwel elke andere vroege beslissing.

Zoekt u panelen voor al deze interfacetypen? Bekijk de volledige productcatalogus van Kadi Display. — Wij bieden TFT LCD-, AMOLED-, high-brightness-, bar-type- en custom displaymodules met RGB-, LVDS-, MIPI DSI- en SPI-interfaces in formaten van 1,3 tot 21 inch. OEM- en ODM-maatwerk is mogelijk met korte levertijden vanuit Shenzhen.

Disclaimer: Alle interfacespecificaties waarnaar in dit artikel wordt verwezen, zijn afkomstig uit openbaar beschikbare standaarddocumenten (ANSI/TIA-644, openbare specificaties van de MIPI Alliance, JEDEC en datasheets van fabrikanten). Merknamen behoren toe aan hun respectievelijke eigenaren. Bandbreedtecijfers zijn theoretische maxima; de daadwerkelijke doorvoer is afhankelijk van de implementatie. Dit artikel vormt geen aanbeveling van een specifiek product.