Złącza i interfejsy do wizualizacji informacji w wyświetlaczach przemysłowych

Dobór odpowiedniego interfejsu odbywa się już we wczesnym etapie projektowania. W przypadku wyświetlaczy często jest tak, że konkretny interfejs jest już z góry zdefiniowany i projektant musi się do niego w dalszej pracy dostosować. Nieraz jednak to na projektancie ciąży obowiązek doboru wyświetlacza, w którym interfejs będzie spełniał określone warunki. Wtedy wiedza zawarta w niniejszym artykule może okazać się niezbędna.

W tekście przyjrzymy się bliżej najpopularniejszym interfejsom stosowanym w wyświetlaczach przemysłowych. Omówimy ich zastosowania, parametry, zalety i wady. Ranking popularności interfejsów zmienia się na przestrzeni lat wraz z pojawianiem się nowych technologii i standardów. Przyjrzymy się zatem aktualnemu stanowi rzeczy oraz trendom na przyszłość. Mamy nadzieję, że informacje zawarte w artykule pozwolą na świadomy wybór odpowiedniego interfejsu do konkretnych zastosowań.

Interfejs a protokół

Na początku warto wyjaśnić różnicę pomiędzy interfejsem a protokołem. Protokół definiuje reguły wymiany informacji i kodowania danych, czyli określa syntaktyczne zasady komunikacji – jak dane powinny być interpretowane po obu stronach interfejsu. Interfejs natomiast określa medium transmisji – rodzaj połączenia i typ sygnałów, czyli fizyczny sposób połączenia urządzeń i środek transmisji danych. Proste przenośne porównanie: protokół to język, interfejs to głos.

 

Złącze Display Port

Interfejsy dzielimy na dwie kategorie: wewnętrzne, służące do komunikacji między elementami w obrębie urządzenia (w tym wyświetlaczy i paneli dotykowych) oraz zewnętrzne, wykorzystywane do podłączania osobnych urządzeń (np. komputera z monitorem). Interfejsy można też podzielić na uniwersalne, służące do ogólnej wymiany danych, a także na dedykowane stricte do przesyłania cyfrowych informacji o obrazie (ang. image transfer interfaces). Te drugie muszą zapewniać znacznie większą przepustowość, aby możliwe było płynne odświeżanie ruchomego obrazu.

Wewnętrzne interfejsy uniwersalne

Do wewnętrznych interfejsów uniwersalnych zaliczamy m.in. SPI, I2C, RS-232. Nazwa "uniwersalne" oznacza, że oprócz obrazów mogą one przesyłać różne inne rodzaje danych. Ich przepustowość jest zwykle niewystarczająca do płynnej transmisji wideo w wysokiej rozdzielczości z dużą częstotliwością odświeżania. Dzieje się tak, ponieważ ilość informacji, jaka musi zostać przetransmitowana w jednostce czasu, by wygenerować płynny obraz w FHD czy 4 K, jest bardzo duża.

Dla przykładu, 10-calowy kolorowy wyświetlacz LCD-TFT o rozdzielczości 1280×800 pikseli i 8-bitowej głębi koloru, odświeżany z częstotliwością 60 Hz, wymaga pasma ok. 1,5 Gbps. Tymczasem uniwersalne interfejsy komunikacyjne osiągają zwykle prędkości rzędu kbps lub pojedynczych Mbps.

Z tego powodu interfejsy takie jak SPI, I2C czy RS-232 (lub rozwiązania typu równoległy mikroprocesor 8080) stosowane są raczej w prostych wyświetlaczach o niewielkiej rozdzielczości, gdzie ilość informacji do przesłania nie jest duża. Znajdują też zastosowanie w komunikacji z innymi podzespołami, np. pamięciami czy układami wejść/wyjść. Ich zaletą jest prostota i powszechność zastosowania.

SPI (Serial Peripheral Interface) to szeregowy interfejs oparty na architekturze master-slave. Wykorzystuje linie danych MOSI i MISO oraz linię zegarową i linię wyboru urządzenia SS. Komunikacja jest synchroniczna. SPI cechuje stosunkowo duża szybkość transmisji (nawet 37,5 Mb/s), ale ograniczona odporność na zakłócenia przy wyższych częstotliwościach. Stosowany w niewielkich wyświetlaczach o rozdzielczości do ok. 320×240 pikseli.

I2C (Inter-Integrated Circuit) to dwuliniowy szeregowy interfejs komunikacji między układami scalonymi. Wykorzystuje linię danych SDA i linię zegara SCL. Komunikacja odbywa się w trybie multi-master (wiele urządzeń nadrzędnych może inicjować transmisję). I2C cechuje powolna transmisja i podatność na zakłócenia przy większych odległościach. Stosowany np. w prostych OLED-ach lub ekranach dotykowych, gdzie ilość przesyłanych danych jest niewielka.

RS-232 (Recommended Standard 232) to szeregowy interfejs o prostej budowie (wykorzystuje po dwie linie danych), zaprojektowany w latach 60. XX wieku. Pinologia RS-232 zawiera piny UART, które odpowiadają za podstawową komunikację szeregową – konkretnie za odbieranie (RX) i wysyłanie (TX) danych. RS-232 zawiera też piny służące do kontroli transmisji, takie jak CTS (Clear To Send) i RTS (Request To Send). Umożliwiają one tzw. handshaking, czyli koordynację przepływu danych pomiędzy urządzeniem nadawczym a odbiorczym. Interfejs stosowany w urządzeniach z wyświetlaczami o niskiej rozdzielczości obrazu ze względu na ograniczenia przepustowości, lecz jego zaletą jest prostota implementacji.

Wewnętrzne interfejsy do przesyłania obrazu

Zadaniem interfejsów dedykowanych specjalnie do przesyłania obrazów jest zapewnienie szybkiej, płynnej transmisji dużej ilości danych, koniecznej do odświeżania ekranu z wysoką częstotliwością. Do najpopularniejszych obecnie należą RGB, LVDS, MIPI, Vx1 oraz eDP.

Są to interfejsy różnicowe (poza RGB), czyli wykorzystujące symetryczną transmisję sygnału parami przewodów. Daje to dużą odporność na zakłócenia, co przekłada się na możliwość przesyłania sygnałów na duże odległości bez utraty jakości. Interfejsy te pozwalają na transfer z szybkością setek MHz lub nawet GHz, co jest niezbędne przy obsłudze ekranów o wysokiej rozdzielczości i częstotliwości odświeżania powyżej 60 Hz. Stosuje się je zarówno w dużych wyświetlaczach przemysłowych, jak i w urządzeniach konsumenckich.

RGB (red, green, blue), w którym nazwa pochodzi od kolorów wysyłanych równolegle do ekranu: czerwony, zielony i niebieski, bazuje na równoległym przesyłaniu danych przy użyciu wielu połączeń, a każda linia danych transmituje jednobitową informację o intensywności koloru RGB dla jednego piksela. Dlatego w wariantach 24-bitowych używa się 24 linie dla każdego piksela. W teorii interfejs mógłby być szybki, ale z powodu braku różnicowości, prędkość przesyłu jest ograniczona do 1,2 Gbit/s, a co gorsza – konieczność stosowania liczniejszych połączeń w konfiguracji zwiększa podatność na zakłócenia elektromagnetyczne. RGB działa zazwyczaj z ekranami o małej przekątnej – poniżej 7 cali, ponieważ ograniczeniem staje się mała rozdzielczość obrazu (do 1024×600 pikseli).

LVDS (Low Voltage Diff erential Signa-ling) to obecnie najpowszechniejszy interfejs do przesyłania obrazu w wyświetlaczach przemysłowych LCD-TFT. Jego dominująca pozycja wynika z uniwersalności zastosowania i sprawdzonej, stabilnej pracy przez lata. Dane przesyłane są szeregowo, różnicowo (symetrycznie) parami przewodów, a do ich konwersji dochodzi w odbiorniku. Pozwala to na szybką transmisję z odpornością na zakłócenia nawet na dłuższych dystansach. Maksymalna szybkość transferu danych dla LVDS w konfiguracji point-to-point (z jednym nadajnikiem i jednym odbiornikiem) wynosi ok. 3,125 Gb/s.

MIPI DSI (Mobile Industry Processor Interface – Display Serial Interface) to nowoczesny interfejs projektowany z myślą o urządzeniach mobilnych, w których kluczowe znaczenie ma niskie zużycie energii. Coraz częściej pojawia się także w zastosowaniach przemysłowych (np. w przenośnych sprzętach do pomiarów). Podobnie jak LVDS, wykorzystuje różnicowe pary sygnałowe. Wyróżnia się dwukierunkową komunikacją i bardzo niskim poborem mocy. Dzięki temu sprawdza się w urządzeniach przenośnych zasilanych z baterii. Maksymalna szybkość transferu danych dla MIPI wynosi ok. 10 Gb/s.

Vx1 (V-by-One) to interfejs o bardzo dużej szybkości transmisji, przeznaczony do ekranów o wysokiej rozdzielczości, np. 4K. Podobnie jak LVDS i MIPI, bazuje na różnicowym przesyłaniu danych parami przewodów. Nie wymaga osobnej pary dla sygnału zegarowego. Jest to interfejs jeszcze odporniejszy na zaburzenia elektromagnetyczne niż LVDS. Stosowany w dużych telewizorach i monitorach UHD (3840×2160).

eDP (Embedded DisplayPort) to interfejs coraz częściej spotykany w nowoczesnych wyświetlaczach przemysłowych. Pod względem transmisji danych przypomina LVDS i jest uznawany za jego następcę. Maksymalna szybkość transferu danych dla eDP wynosi ok. 20 Gb/s. Nadaje się do zastosowań z matrycami 4 K i wyższymi. Interfejs eDP jest również stosunkowo odporny na zakłócenia elektromagnetyczne.

Porównanie parametrów interfejsów

Aby lepiej zobrazować różnice w możliwościach poszczególnych interfejsów, poponiżej prezentujemy tabelę maksymalnych szybkości transmisji danych.

Jak widzimy, interfejsy przeznaczone specjalnie do przesyłania obrazu pozwalają na transfer o rząd wielkości szybszy niż uniwersalne magistrale komunikacyjne. Przekłada się to na możliwość płynnej pracy z matrycami o wysokiej rozdzielczości, głębi kolorów i szybkim odświeżaniu obrazu.

Nowe technologie stopniowo wypierają starsze rozwiązania. Przykładowo, MIPI i eDP powoli zastępują popularny od lat LVDS w nowych projektach. Vx1 stosowany jest w topowych monitorach i telewizorach. Widoczna jest wyraźna tendencja do zwiększania szybkości transferu, aby sprostać rosnącym wymaganiom co do jakości obrazu. Przyjrzyjmy się teraz interfejsom z końca tabeli, czyli tym o największych przepustowościach danych.

Interfejsy zewnętrzne

 

Złącze HDMI

Interfejsy zewnętrzne służą do komunikacji pomiędzy różnymi urządzeniami, np. komputerem a monitorem. Do najpopularniejszych obecnie standardów należą:

• USB-C umożliwia transmisję obrazu i dźwięku z dużą szybkością. Dodatkową zaletą jest możliwość przesyłania znacznej mocy, sięgającej 100 W. Dzięki temu możliwe jest zasilanie monitora bezpośrednio z komputera, za pomocą jednego kabla USB-C. Jest to zdecydowanie jedno z najbardziej przyszłościowych rozwiązań w kwestii interfejsów – obecnie szybkość transferu dochodzi do 80 Gb/s.
• HDMI (High Definition Multimedia Interface) to powszechnie stosowany interfejs do przesyłania cyfrowego obrazu i dźwięku. Dostępne są różne warianty złączy HDMI – standardowe, mini i micro. Maksymalna szybkość transferu danych dla najnowszego HDMI 2.1 wynosi aż 48 Gb/s. Obsługuje rozdzielczości do 10 K. Jest kompatybilny wstecz ze starszymi wersjami.
• DVI (Digital Visual Interface) to cyfrowy interfejs wizualny, podobny sygnałowo do HDMI, lecz bez wbudowanej możliwości przesyłania dźwięku. Występuje w kilku odmianach, m.in. z opcjonalnym interfejsem analogowym VGA. Maksymalna szybkość transferu danych dla DVI-D dual link wynosi 25 Gb/s.

Rozszerzanie możliwości wyświetlaczy przy użyciu AD Board

Oprócz standardowych interfejsów, wielu producentów wyświetlaczy oferuje możliwość rozbudowy ich funkcjonalności przy użyciu dodatkowych płytek PCB zwanych AD Board (np. Litemax AD68862HP na zdjęciu). Płytki te montowane są bezpośrednio na wyświetlaczu i pozwalają na uzyskanie dostępu do dodatkowych interfejsów, takich jak HDMI, VGA, DVI czy audio. Dla przykładu AD Board przyda się, aby przy podłączaniu wyświetlacza przejść ze specjalistycznego, niskopoziomowego interfejsu LVDS na bardziej powszechny HDMI. Dzięki temu nie musimy korzystać z komputera przemysłowego, który będzie wyposażony w specjalne złącze LVDS. Możemy natomiast uruchomić taki wyświetlacz z poziomu laptopa ze złączem HDMI. Na tej zasadzie wymienione wyżej dodatkowe interfejsy to efekt konwersji jednego interfejsu w drugi. Niektórzy producenci oferują gotowe zestawy wyświetlaczy LCD-TFT z fabrycznie zamontowanymi płytkami AD Board (np. Litemax model DLH1015-I na zdjęciu). Ich dużą zaletą jest prosta integracja i natychmiastowa gotowość do pracy.

Istnieje również możliwość zamontowania AD Board na standardowych wyświetlaczach. Pozwala to rozszerzyć funkcjonalność wyświetlacza według konkretnych potrzeb danego projektu. Nasz zespół inżynierów jest gotowy do modyfi- kacji i rozbudowy praktycznie każdego dostępnego na rynku wyświetlacza przy użyciu płytek AD Board.

Mamy nadzieję, że informacje zaprezentowane w artykule będą pomocne w doborze odpowiednich interfejsów do konkretnych zastosowań w nowoczesnych projektach elektronicznych. Zachęcamy do kontaktu w przypadku jakichkolwiek pytań związanych z tematyką interfejsów lub omówienia niestandardowych rozwiązań.

Jacek Marcinkowski, Head of Solution Department – Unisystem

Unisystem
www.unisystem.pl