Nowe protokoły komunikacyjne wyświetlaczy przemysłowych

Nowe protokoły komunikacyjne wyświetlaczy przemysłowych
Pobierz PDF Download icon

Z biegiem lat technologia wyświetlaczy ulega wielkim zmianom. Początkowo były to moduły monochromatyczne sterowane za pomocą interfejsu równoległego. Następnie, producenci zaczęli płynnie przechodzić na kolorowe wyświetlacze TFT, które w dzisiejszej dobie smartfonów są warunkiem koniecznym, aby produkt był atrakcyjny dla klienta. Rozwój technologii spowodował, że zaczęto oferować wyświetlacze o większych wymiarach, poprawiono odwzorowanie kolorów oraz wdrożono nowe metody komunikacji.

Przez ostatnią dekadę RGB oraz LVDS były najbardziej popularnymi interfejsami w wyświetlaczach TFT. Nadal są one masowo stosowane: dla mniejszych rozdzielczości (VGA – 640×480 i mniej) jest to najczęściej RGB, natomiast dla większych (WVGA – 800×480 i więcej) LVDS. Większość współczesnych mikroprocesorów, a nawet już mikrokontrolery, ma wbudowany sterownik RGB lub/i LVDS, dzięki czemu zastosowanie nowoczesnego wyświetlacza w aplikacjach jest bardzo ułatwione.

LVDS (Low Voltage Differential Signaling) sprawdza się do dzisiaj jako rozwiązanie przemysłowe. Większość matryc/telewizorów/monitorów nadal ma zastosowany wewnątrz konstrukcji interfejs LVDS służący do komunikacji z zewnętrznymi urządzeniami. Niemniej w dobie miniaturyzacji urządzeń mobilnych zawierających wyświetlacze o coraz większej rozdzielczości, zaczęły się pojawiać nowe standardy komunikacyjne, mogące zachwiać pozycję jedynego do tej pory rozwiązania przemysłowego.

Embedded DisplayPort (eDP)

Przewiduje się, że w przeciągu kilku najbliższych lat na rynku komputerów osobistych PC interfejsy VGA i DVI zostaną zastąpione innymi, bardziej wydajnymi rozwiązaniami. Ograniczona funkcjonalność, obsługa małych rozdzielczości (np. VGA) oraz stara technologia nie sprawdzają się przy dzisiejszych wymaganiach klientów. Jedną z propozycji zastąpienia tych interfejsów jest nowy protokół zaprezentowany przez VESA (Video Electronics Standards Associacion) – interfejs eDP (Embedded DisplayPort).

Zalety eDP:
- Obsługa rozdzielczości do 4 k×2 k przy 60 FPS i 24 bpp.
- Do 240 FPS (klatek na sekundę) przy FHD i 24 bpp.
- Głębia kolorów na poziomie 48 bpp przy 2560×1600 przy 60 FPS.
- Dokładność odwzorowania kolorów (profil kolorystyczny zawarty w paśmie przesyłania).
- Jednoczesna obsługa wielu monitorów (do 63 różnych strumieni A/V).
- Mały pobór mocy, dłuższy czas pracy na baterii.
- Nieskomplikowana budowa sterownika umożliwiająca tańsze metody implementacji.

eDP podczas transmisji obrazu korzysta z kompresowanych paczek, podobnie jak Ethernet, USB czy SATA. Dzięki takiemu rozwiązaniu interfejs eDP jest skalowalny i może być w przyszłości stosowany w nowych aplikacjach lub w innych topologiach systemowych.

Podobnie jak w LVDS, warstwa fizyczna eDP składa się z różnicowych par sygnałowych. Jedna para służy jako zegar synchronizujący dane, a pozostałe są wykorzystywane do transferu informacji. Liczba zastosowanych par do przesyłania informacji jest zależna od wyświetlacza oraz jego parametrów (rozdzielczość, głębia kolorów, częstotliwość odświeżania). Poza przewodami związanymi z zegarem i danymi, standardowo znajdują się dodatkowo dwukierunkowe przewody kanału AUX oraz detekcji Hot Plug. Konstrukcja interfejsu eDP została przedstawiona na rysunku 1.

Display Serial Interface (DSI)

W urządzeniach mobilnych konieczne było zastosowanie nowego interfejsu do obsługi wyświetlaczy o dużej rozdzielczości. Firmy takie, jak Qualcomm, Texas Instruments oraz inne z przemysłu telefonii mobilnej należące do konsorcjum MIPI, wspierają w swoich produktach nowy interfejs, jakim jest MIPI DSI. Został on zaprojektowany w celu ułatwienia projektowania oraz redukcji kosztów podczas integracji urządzeń z wyświetlaczami.

Podobnie jak w LVDS czy eDP, MIPI DSI korzysta z podobnych par różnicowych do przesyłania informacji. Jedna para przewodów służy do przesyłania sygnału zegarowego, a pozostałe do przesyłania danych.

MIPI DSI ma dwa tryby działania: Low Power (LP) oraz High-Speed (HS). W trybie Low Power zegar jest wstrzymywany, a informacje o sygnale zegarowym są przesyłane za pomocą pary przewodów związanych z danymi. Ten tryb jest wykorzystywany przede wszystkim do wysyłania informacji/inicjalizacji do wyświetlacza. Natomiast w trybie High Speed, służącym do przesyłania obrazu, sygnał zegarowy jest przesyłany przez oddzielną, przeznaczoną do tego parę przewodów zegarowych – na podobnej zasadzie jak w LVDS.

Cały protokół komunikacyjny składa się z dwóch zestawów instrukcji. Display Command Set (DCS) jest zestawem uniwersalnych komend do obsługi wyświetlacza, których format jest zdefiniowany przez standard DSI. W tym zestawie można odnaleźć komendy takie, jak Sleep, Enable i Invert Display.

Drugi zestaw komend to Manufacturer Command Set (MCS). Zestaw ten nie jest zdefiniowany przez standard DSI, a same komendy są charakterystyczne dla danego producenta wyświetlacza. Można odnaleźć w nich komendy odpowiedzialne za wpisywanie danych do pamięci nieulotnej sterownika ekranu lub korekcji gammy monitora.

Interfejs Vx1

Przyjętym standardem dla wyświetlaczy o rozdzielczości VGA i wyżej jest interfejs LVDS. Jednak od kiedy rozdzielczość ekranów zaczęła zwiększać się z HD do FHD, a nawet do UHD, pojawiła się potrzeba zaprojektowania nowego, bardziej odpornego na zaburzenia sposobu komunikacji z wyświetlaczem. W odpowiedzi na taki wymóg, przedstawiony został zaprojektowany w 2007 roku przez firmę Thine Electronics interfejs Vx1. Standard przesyłania informacji jest podobny do tego, który występuje w LVDS, jednakże nowy interfejs umożliwia osiąganie większych prędkości przy zachowaniu niskich kosztów produkcji. Prędkości te osiągają nawet do 840 Mb/s dla każdej pary różnicowej przewodów. Dzięki większym prędkościom i lepszym zabezpieczeniom przed zakłóceniami zewnętrznymi, możliwe jest zastosowanie dłuższych przewodów – nawet do 10 metrów.

W przeciwieństwie do LVDS, Vx1 nie posiada pary przewodów z sygnałem zegarowym. Sygnał ten jest zintegrowany w parach przewodów związanych z danymi. Dzięki mniejszej ilości par przewodów, osiągnięto lepsze zabezpieczenie przed zakłóceniami.

Dla porównania, do wysterowania ekranu o rozdzielczości Cinema–FHD (2560×1080) z 30-bitową głębią kolorów i częstotliwością odświeżania obrazu 120 Hz potrzebne są 24 pary przewodów LVDS. Natomiast w Vx1 do obsługi tego samego wyświetlacza wystarczą tylko 4 pary. Liczba zastosowanych par przewodów Vx1 w zależności od rozdzielczości, głębi kolorów oraz częstotliwości odświeżania jest opisana w tabeli 1.

Nieuchronne zmiany

Zważając na fakt, że większość urządzeń związanych z rynkiem wyświetlaczy nadal pracuje na niekompatybilnym z nowymi standardami interfejsie LVDS, wprowadzenie zmian w krótkim czasie będzie utrudnione. Niemniej eksperci przewidują, że nowe architektury i SoC (System-on-a-chip), która obsługują nowe generacje interfejsów, przyjmą się w najbliższej przyszłości nie tylko na rynku komputerów PC oraz urządzeń mobilnych. Producenci wyświetlaczy tacy jak AUO, Litemax oraz LG w swoich nowych modelach już dzisiaj wykorzystują nowe interfejsy, a w przyszłości ich liczba z pewnością się powiększy.

Piotr Ryżyński
inżynier projektu, Unisystem
piotr@unisystem.pl

DO POBRANIA
Pobierz PDF Download icon
Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik październik 2020

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio listopad 2020

Świat Radio

Magazyn użytkowników eteru

Automatyka Podzespoły Aplikacje październik 2020

Automatyka Podzespoły Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna październik 2020

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Praktyczny Kurs Elektroniki 2018

Praktyczny Kurs Elektroniki

24 pasjonujące projekty elektroniczne

Elektronika dla Wszystkich październik 2020

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów