MIPI-displayinterface

STM32 · Raspberry Pi · ESP32 — Wie ondersteunt het echt, en hoe?

Door het technische team van Kadi Display | Ingebouwde displaytechnologie 

Een korte toelichting waarom MIPI hier überhaupt belangrijk is.

Pak een willekeurige moderne smartphone en sla hem – hypothetisch gezien – open. Ergens tussen de processor en het glas vind je een lint van differentiële paren die MIPI DSI-data transporteren met snelheden die twintig jaar geleden absurd zouden hebben geleken voor een beeldscherminterface. De Mobile Industry Processor Interface Alliance (MIPIA) standaardiseerde deze bus halverwege de jaren 2000, en sindsdien domineert deze stilletjes de wereld van kleine beeldschermen. Tegenwoordig is dezelfde interface ook te vinden in industriële terminals, embedded kiosken, medische monitoren en hobbyprojecten met single-board computers.

Maar hier is het probleem waar beginnende engineers in het ecosysteem vaak tegenaan lopen: niet elke microcontroller of ontwikkelingskaart ondersteunt MIPI native. De specificatie ziet er prachtig uit op papier; de ondersteuning op de chip is in de praktijk echter wisselend. Dit artikel bespreekt drie platforms die de embedded markt domineren — STM32, Raspberry Pi en ESP32 — en geeft een helder antwoord op wat elk platform wel en niet kan met een MIPI-displayinterface. Geen vage beloftes, maar gewoon de hardwarematige realiteit.

STM32: Echte DSI-hardware, maar alleen op de juiste chips.

De chips die het daadwerkelijk hebben.

STMicroelectronics begon rond 2014 met het inbouwen van een MIPI DSI-hostcontroller in bepaalde STM32-productlijnen. STM32F469/F479 was het eerste optreden op grote schaal, gevolgd door de STM32H747/H757 dual-core serie en de STM32H7BxAl deze chips beschikken over een geïntegreerde DSI-host die voldoet aan de MIPI DSI-specificatie versie 1.01, en ondersteunen tot twee D-PHY-datakanalen.

Wat betekent dat in de praktijk? Op de STM32H747, met beide DSI-lijnen op 400 Mbps, kom je uit op een totaal van 800 Mbps – genoeg om een ​​480×854-paneel op 60 Hz in 24-bits kleur zonder problemen aan te sturen. Het STM32H747I-DISCO evaluatiebord van ST wordt geleverd met precies zo'n paneel erop gemonteerd, wat een handige controle is als je je afvraagt ​​of de DSI-routing van je eigen bord het probleem is of dat de firmware de oorzaak is.

Het DSI-hostperifere apparaat ondersteunt beide Videomodus (continue pixelstreaming, vergelijkbaar met HDMI) en Opdrachtmodus (Schrijf-naar-framebuffer-model, veelvuldig gebruikt in AMOLED-panelen). De Command Mode is handig om te kennen als je producten bouwt die op batterijen werken: het paneel heeft zijn eigen framebuffer en ververst deze autonoom, waardoor je microcontroller tussen schermupdates in slaapstand kan gaan. Dat alleen al kan het actieve stroomverbruik van het scherm aanzienlijk verminderen.

De Driver Stack in begrijpelijke taal.

De HAL-bibliotheek van ST bevat een speciale module stm32h7xx_hal_dsi.c voor host-initialisatie, configuratie van de video-/commandomodus en basisfoutsignalering. In de meeste praktijkprojecten moet u ook een paneelinitialisatiesequentie schrijven: een lijst met DCS-pakketten (Display Command Set) die via de DSI-link in de energiebesparende modus worden verzonden voordat wordt overgeschakeld naar snelle videostreaming. Gangbare paneel-IC's zoals de OTM8009A en NT35510 hebben referentie-initialisatiesequenties in de CubeH7-firmwarevoorbeelden van ST.

Het lastigste deel is de PCB-layout. De applicatienota AN4860 van ST is verplichte lectuur: de D-PHY-paren hebben een gecontroleerde differentiële impedantie van 100 Ω nodig, korte stubs en een verstandige ontkoppeling in de buurt van de DSI-pinnen. Ingenieurs die dit document hebben overgeslagen en zich vervolgens afvragen waarom hun display flikkert of uitvalt bij hogere lanesnelheden, krijgen daar later vrijwel altijd spijt van.

STM32 MIPI DSI-ondersteuningsmatrix

Raspberry Pi: De meest soepele instap voor MIPI DSI-ontwikkeling

Hardwareoverzicht

Elke volwaardige Raspberry Pi sinds het originele Model B+ is geleverd met een 15-pins DSI FPC-connector Op het moederbord staat de aanduiding "DISPLAY" en dit is een consistent kenmerk gebleven van de Pi 2, 3, 4 en nu ook de Pi 5. De Pi Zero en Zero 2 W gebruiken een smallere 22-pins FPC-connector die elektrisch vergelijkbaar is, maar fysiek anders, wat mensen verrast bij het kopen van beeldschermkabels.

De Broadcom BCM2711 in de Pi 4 stuurt die connector aan met een 2-lane MIPI DSI-zender. Het referentieontwerp – het officiële 7-inch Raspberry Pi-touchscreen – werkt met een snelheid van ongeveer 200-285 Mbps per lane, afhankelijk van de paneelmodus, wat ruim binnen het comfortabele werkingsbereik van D-PHY valt. Raspberry Pi 5 Wat nog interessanter is, is dat de op maat gemaakte RP1 southbridge-chip twee onafhankelijke DSI-poorten beschikbaar stelt, elk geschikt voor 2 lanes met snelheden die voldoende zijn voor 1080p60-uitvoer. Dat is een echte upgrade voor iedereen die dual-display kiosksystemen of industriële panelen met hoge resolutie bouwt.

De softwarekant: Linux maakt het gemakkelijk.

Dit is waar de Raspberry Pi zijn reputatie als meest ontwikkelaarsvriendelijke MIPI DSI-platform echt waarmaakt. Omdat hij een volledige Linux-stack draait, is de ondersteuning voor beeldschermen ondergebracht in het subsysteem drivers/gpu/drm/panel/ van de kernel. Het toevoegen van een nieuw beeldscherm is een kwestie van het schrijven van een Device Tree-overlay die het DSI-kanaal, de timing van het beeldscherm en de initialisatiesequentie declareert, plus – als de IC van het beeldscherm nog niet door de kernel wordt ondersteund – een kleine kernelmodule.

Voor de meeste commercieel verkrijgbare MIPI DSI-displaymodules in het bereik van 3,5 tot 10 inch bestaat er al ergens in de community een werkende overlay of driver die niet standaard beschikbaar is. Vergelijk dat met de bare-metal-omgeving van de STM32, waar je elke byte van de initialisatiesequentie zelf schrijft, en het productiviteitsverschil is overduidelijk. De Linux-stack van de Raspberry Pi biedt bovendien de mogelijkheid om elk gewenst GUI-framework te gebruiken: Qt, GTK, Electron, LVGL via DRM, en zelfs een webbrowser die fullscreen wordt weergegeven.

Gerelateerd product: Schermen voor Raspberry Pi — Kadi Display — Een zorgvuldig samengesteld assortiment MIPI DSI- en SPI-displaymodules, geverifieerd voor Raspberry Pi, met schermformaten van 3,5 tot 10,1 inch en optionele capacitieve aanraakfunctionaliteit.

Aandachtspunten bij connectoren en beperkingen van kabels

Twee dingen zijn voor beginnende Pi-displaybouwers vaak een struikelblok. Ten eerste de pinbezetting van de connector: de Pi 4 gebruikt een 15-pins FPC-connector waarbij pin 1 zich het dichtst bij de rand van het bord bevindt, terwijl de Pi 5 dezelfde fysieke connector gebruikt, maar met een iets andere signaaltoewijzing op de nieuwere DSI-poorten. Controleer daarom altijd de kabelspecificaties bij het wisselen tussen Pi-generaties. Ten tweede de kabellengte. MIPI DSI D-PHY is ontworpen voor interconnectie op bordniveau, niet voor externe bekabeling. De overgrote meerderheid van de geverifieerde displaymodules wordt geleverd met kabels van 100-200 mm. Bij kabels langer dan 300 mm begint de signaalintegriteit bij hoge bandbreedtes af te nemen, waardoor er visuele artefacten of verbindingsproblemen kunnen optreden. Als uw toepassing vereist dat het displaypaneel verder van de Pi verwijderd is, is een configuratie met één bandbreedte en een kortere kabel vaak een betere praktische keuze dan twee bandbreedtes van 500 Mbps door een kabel van 400 mm te sturen.

De ESP32-P4 is de enige ESP32 met native MIPI DSI; alle andere zijn afhankelijk van SPI/QPI, 8080 Parallel of RGB-interfaces.

De beperkingen (en het keerpunt)

Laten we er geen doekjes omheen winden: vóór de komst van de ESP32-P4 had geen enkele chip in de ESP32-familie – waaronder de originele ESP32, S2, S3, C3, C6 en H2 – een ingebouwde MIPI DSI-zender. Espressif ontwierp deze chips met het oog op draadloze connectiviteit en algemene MCU-taken, niet op snelle beeldschermverwerking. Daardoor waren de beschikbare beeldscherminterfaces in het hele assortiment altijd beperkt tot een handvol tragere, verouderde opties.

Dit is wat je daadwerkelijk krijgt met de niet-P4-onderdelen:

• SPI- en QPI-interfaces: Aanwezig op vrijwel elke ESP32-variant. Ze werken prima voor kleine schermen met een lage resolutie, maar de pixeldoorvoer bereikt al snel zijn maximum.
• 8080 parallelle interface: Dit is het beste wat je op een ESP32-S3 kunt vinden. Het heeft een 16-bits parallelle LCD-controller (Intel 8080 of Motorola 6800-protocol) die in de praktijk op ongeveer 20 MHz kan draaien. De ruwe doorvoer komt neer op ongeveer 320 Mbps – een getal dat behoorlijk klinkt totdat je het vergelijkt met MIPI DSI. Een enkele DSI-datalijn met een conservatieve snelheid van 250 Mbps levert al meer bruikbare pixelbandbreedte op, en DSI schaalt naar vier lijnen, terwijl de parallelle bus dat niet doet.
• RGB-interface: Ook aanwezig op chips zoals de S3, maar deze gebruikt nog steeds veel pinnen en mist de seriële efficiëntie van DSI.

De bandbreedtelimiet wordt duidelijk merkbaar in de framesnelheid. Neem bijvoorbeeld een ESP32-S3 die een 800x480 RGB-paneel met 16-bits kleurdiepte aanstuurt via de parallelle interface. Met DMA voor de pixelstroom en de CPU die er niet bij betrokken is, kun je rekenen op zo'n 30 tot 40 frames per seconde. Dat is prima voor statische gebruikersinterfaces, menunavigatie of een sensordashboard dat langzaam wordt bijgewerkt. Maar voeg daar animaties op volledig scherm of videocontent aan toe, en de ervaring wordt al snel schokkerig.

Toen kwam de ESP32-P4.

De P4 verandert de hele discussie. Het is de eerste – en tot nu toe de enige – ESP32 met een native MIPI DSI-interface die in de chip is ingebouwd. Deze ene toevoeging tilt het ESP32-ecosysteem naar het moderne tijdperk van beeldschermen, waardoor het mogelijk wordt om direct schermen van smartphone- en tabletkwaliteit aan te sturen, met een pixelbandbreedte en vloeiende framesnelheden die parallelle en SPI-interfaces simpelweg niet kunnen evenaren. Als uw project native MIPI DSI-ondersteuning vereist, is de ESP32-P4 momenteel de enige optie binnen de ESP32-familie.

De Bridge IC-oplossing

Als je absoluut een MIPI DSI-paneel op een ESP32 nodig hebt – bijvoorbeeld omdat het paneel dat je hebt gekozen alleen een DSI-interface heeft – is de standaard technische oplossing een brug ICHet meest genoemde onderdeel is de SSD2828, een RGB-naar-DSI-converter op één chip. De ESP32 (of een andere microcontroller) stuurt de SSD2828 via SPI aan om deze te configureren en voert er vervolgens een parallelle RGB-videostream naartoe. De SSD2828 zet dit om in een MIPI DSI-uitgang die het paneel kan gebruiken. Het werkt. Het brengt echter ook extra materiaalkosten, printplaatoppervlak en een extra laag firmwarecomplexiteit met zich mee. Het is dus een afweging die zorgvuldig moet worden gemaakt ten opzichte van het kiezen van een ander scherm met een compatibele native interface.

Een eenvoudigere en meer gangbare aanpak voor ESP32-gebaseerde producten is om vanaf het begin een TFT LCD-module met een SPI-interface te selecteren. Paneelcontrollers zoals de ILI9341, ST7789, ILI9488, en GC9A01 Ze zijn verkrijgbaar in modules van 1,3 tot 4 inch en worden goed ondersteund door zowel de esp_lcd-component van ESP-IDF als door Arduino-bibliotheken van de community. Bij een resolutie van 320×240 en 60 fps is SPI op 40 MHz volledig voldoende. Bij 480×320 begint de framesnelheid af te nemen; bij 800×480 en hoger is de parallelle interface of een andere SoC echt aan te raden.

Gerelateerd product: Ingebouwde displayoplossingen — Kadi Display — Industriële displaymodules met SPI-, parallelle en DSI-interfaces, geschikt voor embedded systemen gebaseerd op ESP32 en STM32.

Naast elkaar: Platform MIPI-ondersteuning in één oogopslag

De juiste beeldschermmodule kiezen voor uw configuratie

Als je een STM32 H7 of F469 gebruikt

Kies voor MIPI DSI. De hardware is beschikbaar, de HAL-drivers zijn volwassen en de besparing op het aantal pinnen ten opzichte van een 24-bits parallel RGB-paneel is aanzienlijk: minder sporen, kleinere connectoren en eenvoudiger EMI-beheer. Gebruik paneel-IC's met standaard DCS-commandosets (OTM8009A, NT35510 en RM67162 zijn allemaal gedocumenteerd in de CubeH7-voorbeelden van ST), zodat u niet helemaal opnieuw hoeft te beginnen met de initialisatiesequentie.

Als je een Raspberry Pi 4 of 5 hebt...

MIPI DSI is de meest voor de hand liggende eerste keuze. Sluit een compatibele FPC-kabel aan, flash de juiste overlay en het paneel verschijnt als een standaard Linux-framebuffer. Voor projecten die een tweede scherm nodig hebben, kan de Pi 5 twee DSI-panelen tegelijk aansturen via de twee onafhankelijke poorten – een mogelijkheid die voorheen een dure carrierboard of externe driver-IC vereiste.

Aanbevolen: Kadi Display — Volledige productcatalogus — MIPI DSI-panelen voor Raspberry Pi, industriële TFT LCD-modules voor STM32, AMOLED- en staafdiagramdisplays, plus OEM-maatwerk. Fabrikant met meer dan 20 jaar productie-ervaring in Shenzhen.

Als je een ESP32 gebruikt

Wees realistisch over de gewenste resolutie en framesnelheid voordat je een scherm kiest. Als je gebruikersinterface binnen 320×240 of 480×320 past, is een goed gekozen SPI-scherm eenvoudig en goedkoop. Als je 800×480 nodig hebt met een acceptabele framesnelheid, is de parallelle LCD-interface van de ESP32-S3 de juiste oplossing. Overweeg daarnaast of de ESP32 nog steeds de juiste SoC is — een Raspberry Pi CM4 of een STM32H7 zou wellicht beter geschikt zijn voor het project dan het ontwerpen van een scherm met een beperkte bandbreedte.

Waar gaat de industrie naartoe: DSI-2, AMOLED en de automobielindustrie?

De MIPI-alliantie heeft niet stilgezeten. MIPI DSI-2 Voegt ondersteuning toe voor de fysieke lagen C-PHY en A-PHY naast de reeds bestaande D-PHY, waarbij C-PHY met name een hogere datadichtheid per pinpaar biedt — relevant wanneer het aantal connectorpinnen een beperking vormt in compacte ontwerpen. De doorvoer van een C-PHY-verbinding met één lane kan hoger zijn dan die van een D-PHY-verbinding met twee lanes, wat van belang is voor ultradunne wearables en displays in auto's waar elke millimeter kabeldoorsnede telt.

Binnen de markt voor zonnepanelen zelf, AMOLED-schermen De technologie sijpelt door van vlaggenschip-smartphones naar consumentenelektronica in het middensegment en, in toenemende mate, naar industriële en medische toepassingen. De Command Mode-werking van AMOLED – waarbij het paneel zijn eigen framebuffer opslaat en autonoom ververst – past goed bij batterijgevoede embedded ontwerpen, omdat de host-SoC hierdoor tussen UI-updates in slaapstand kan gaan zonder dat het scherm uitgaat. Schermfabrikanten zoals Kadi weergave AMOLED-modules zijn nu verkrijgbaar in compacte, voor inbouwdoeleinden geschikte formaten, waardoor het praktisch is om AMOLED in een industriële HMI te specificeren zonder dat er een programma voor de ontwikkeling van een speciaal paneel nodig is.

Voor automobieltoepassingen wint MIPI A-PHY (Automotive PHY) aan populariteit: het breidt het MIPI-ecosysteem uit naar displayverbindingen in voertuigen tot wel 15 meter met een snelheid van 16 Gbps, inclusief ingebouwde veiligheidsfuncties. Dit valt ver buiten het bereik van hobbyprojecten met een STM32 of Raspberry Pi, maar het geeft wel de richting aan waarin de wereld van embedded displays zich ontwikkelt.

Slotgedachten

Drie platforms, drie totaal verschillende MIPI-displayverhalen. De STM32 H7-serie biedt echte on-chip DSI in een bare-metal-omgeving – krachtig, compact, maar je bent volledig verantwoordelijk voor elke regel van de driver. De Raspberry Pi biedt native DSI met een Linux-ecosysteem dat het meeste werk doet – de snelste weg van hardware naar werkend display, met een ruime marge. De ESP32 biedt geen van beide, maar dat hoeft geen probleem te zijn als je vanaf dag één realistisch bent over de paneelgrootte en framesnelheid.

De duurste fout bij het ontwerpen van embedded displays is niet de hardwarekeuze, maar een verkeerde inschatting van de verwachtingen. Het kiezen van een 1080p MIPI DSI-paneel en er vervolgens achter komen dat de gekozen microcontroller geen MIPI ondersteunt, is een pijnlijke en vermijdbare situatie. Besteed tien minuten aan de interfacespecificaties voordat u samples bestelt, en de rest van het project verloopt aanzienlijk soepeler.

Voor projectspecifieke aanbevelingen voor displaymodules – of het nu gaat om MIPI DSI voor Raspberry Pi, industriële TFT LCD voor STM32 of SPI-panelen voor ESP32 – kunt u het volledige assortiment bekijken op kadidisplay.com. Het team verzorgt ook OEM- en ODM-projecten voor displays op maat met korte levertijden vanuit hun vestiging in Shenzhen.

Disclaimer: Alle merknamen en productnamen zijn handelsmerken van hun respectievelijke eigenaren. Technische gegevens zijn afkomstig uit openbaar beschikbare datasheets, handleidingen en documentatie van de fabrikant. Dit artikel vormt geen officiële verklaring van STMicroelectronics, Raspberry Pi Ltd. Espressief Systemen, of de MIPI Alliance. Interne productlinks leiden direct naar kadidisplay.com.