Serwisy partnerskie:
Close icon
Serwisy partnerskie

Wokół Arduino: wyświetlacze graficzne cz.3 - co to jest i jak działa LVDS?

W poprzednim odcinku omówiliśmy kilka interfejsów stosowanych w wyświetlaczach graficznych. Doszliśmy do problemu zakłóceń, których znaczną redukcję zapewnia LVDS.
Article Image

Obecnie największe zainteresowanie elektroników budzą małe kolorowe wyświetlacze i ekrany dotykowe. Budzą zainteresowanie, ale też liczne pytania, wątpliwości i obawy. Nic dziwnego, sytuacja rynkowa szybko się zmienia, dostępne są liczne mniejsze i większe wyświetlacze o różnych właściwościach i co ważne, mające różne, często niezbyt wygodne do wykorzystania interfejsy.

Co to jest LVDS?

Skrót LVDS to Low Voltage Differential Signalling, co oznacza niskonapięciową transmisję różnicową. Zakłócenia zmniejsza po pierwsze zastosowanie niskich napięć w linii transmisyjnej, po drugie, zastosowanie łącza różnicowego. Masa przestaje być punktem odniesienia i nie jest torem powrotnym sygnału elektrycznego. Stan logiczny wyznacza różnica napięć między dwoma żyłami łącza.

Z podobnych względów transmisja różnicowa wykorzystywana jest też w popularnym łączu RS-484 (i RS-422), gdzie linia ma postać dwużyłowej skrętki, znakomicie zmniejszającej problem zakłóceń. Teraz jednak mówimy przede wszystkim o transmisji danych między procesorem i wyświetlaczem, a więc na małe odległości, gdzie nie stosuje się przewodowej skrętki, tylko płaskie ścieżki. Niemniej i dwie płaskie ścieżki, symetryczne względem masy, wykonane czy to na płytce drukowanej klasycznej, sztywnej, czy też na elastycznej (flex), mają dobre właściwości pod względem zakłóceń.

Rys.6 Zasada pracy linii LVDS

Rysunek 6 pokazuje zasadę pracy linii LVDS. Źródło prądowe o wydajności 3,5mA określa prąd w torze, linia w odbiorniku jest zakończona terminatorem – rezystancją 100 omów, która jest też dopasowaniem do oporności falowej toru przesyłowego. Nietrudno policzyć, że przepływ prądu 3,5mA przez rezystancję 100Ω daje sygnał o amplitudzie 350mV.

Pewną wadą jest konieczność zastosowania dwóch żył – przewodów dla jednego toru. Realizacja w ten sposób równoległej magistrali 8-bitowej wymagałaby 16 przewodów (pomijając zegar i linie sterujące).

Na marginesie: w starszych niesymetrycznych interfejsach używamy określeń linia, żyła, które oznaczają jeden przewód transmitujący dane. W LVDS jeden tor jest dwużyłowy, dlatego w literaturze angielskiej używa sie słowa lane (tor) na określenie tej pary przewodów.

Pojedyncze łącze LVDS może pracować z częstotliwością taktowania nawet kilkuset megaherców, a przepływność jednej dwużyłowej linii może sięgać setek megabitów na sekundę.

Takie łącze różnicowe radykalnie redukuje problem zakłóceń i odbić.

Wcześniej mówiliśmy, że przy większych wyświetlaczach duża przepływność wręcz wymusza zastosowanie transmisji równoległej. Teraz okazuje się, że duża przepływność symetrycznego toru LVDS pozwala powrócić do idei transmisji szeregowej.

Przy mniejszych wyświetlaczach wystarczyłby jeden symetryczny tor (lane). A gdy wymagany jest szybszy transfer, można zastosować dwa lub więcej torów. Z jednej strony zaletą szybkiej transmisji szeregowej jest mała liczba przewodów, z drugiej wadą jest potrzeba zastosowania układów pomocniczych, zamieniających dane z postaci równoległej na szeregowa i odwrotnie. Tu może się pojawić logiczny wniosek, że taka różnicowa transmisja jest jak najbardziej uzasadniona w przypadku przesyłania sygnału na odległości rzędu metrów, a dyskusyjne jest wykorzystanie jej na odległości rzędu 10 centymetrów. Owszem, można byłoby o tym dyskutować. Jednak nie od dziś realizacja operacji zamiany danych z równoległych na szeregowe i odwrotnie za pomocą odpowiednich układów scalonych nie jest problemem i nie jest kosztowna, dlatego nawet w łączach o długości kilku centymetrów opłaca się stosować szeregową transmisję różnicową. Interfejsy LVDS od połowy lat 90. wykorzystywane były powszechnie w wyświetlaczach – ekranach laptopów.

Fot.7 9-calowy wyświetlacz o rozdzielczości z interfejsem LVDS

Fotografia 7 pokazuje 9-calowy wyświetlacz (panel, ekran) o rozdzielczości 800x480 z interfejsem LVDS. Ekrany takie mają giętkie taśmy z 30 lub 40 stykami. Do przesyłania sygnału obrazu służy tylko kilka par, a reszta to zasilanie oraz obsługa podświetlenia i panelu dotykowego. Łącze LVDS nadaje się do ekranów o niezbyt dużej rozdzielczości. Współczesne ekrany mają dużą rozdzielczość – zawierają kilka milionów pikseli i klasyczne łącze LVDS okazuje się za słabe. Takie ekrany o dużej rozdzielczości mają dużo szybsze interfejsy typu LVDS, ale nie według TIA/EIA-644, lecz zwykle według nowszych standardów.

Fot.8 9,7-calowy ekran z interfejsem eDP

Jednym z takich rozwiązań jest interfejs eDP (embedded Display Port). Fotografia 8 przedstawia 9,7-calowy ekran o rozdzielczości 2048 x 1536 z interfejsem eDP. Drugim nowoczesnym rozwiązaniem jest interfejs MIPI-DSI. Fotografia 9 pokazuje 5-calowy wyświetlacz Winstar o rozdzielczości 720×1280 punktów z interfejsem MIPI-DSI.

Kwestia MIPI to dość obszerna historia, którą koniecznie musimy choćby w skrócie omówić.

Fot.9 5-calowy wyświetlacz Winstar z interfejsem MIPI-DSI

Co to jest MIPI i jak działa?

Wcześniej mówiliśmy, że od lat 80. rozwój wyświetlaczy graficznych, sposobów sterowania nimi, a także nazewnictwa, przebiegał w sposób mocno nieuporządkowany. Można powiedzieć, że MIPI to próba uporządkowania sytuacji, między innymi w zakresie wyświetlaczy i sterowania nimi. MIPI Alliance (Mobile Industry Processor Interface Alliance) to powołana w roku 2003 organizacja zrzeszająca czołowych producentów sprzętu mobilnego oraz producentów komponentów do takiego sprzętu, a więc także wyświetlaczy. Zrzesza takich gigantów jak m.in. Intel, Motorola, Nokia, NXP, Samsung, ST, TI...

MIPI zajmuje się szeregiem obszernych zagadnień dotyczących różnych aspektów sprzętu mobilnego. Chodzi o wprowadzenie zaleceń i standardów, które pozwolą na bezproblemową współpracę podzespołów i urządzeń różnych producentów. W zakresie zainteresowania MIPI są wszystkie aspekty budowy urządzeń mobilnych. Dużo uwagi MIPI poświęca też wyświetlaczom i stosowanym w nich interfejsom.

Po pierwsze organizacja MIPI podjęła próbę uporządkowania istniejącej sytuacji. Pod określeniami MIPI-DBI i MPI-DPI znajdziemy stare rozwiązania, znane od lat pod innymi nazwami. I tak MIPI-DBI (Display Bus Interface) ponownie definiuje starych znajomych, „mikroprocesorowe” interfejsy wcześniej oznaczane MCU lub MPU, tylko bez podawania starych nazw.

I tak MIPI-DBI type A to równoległa magistrala Motoroli M6800. MIPI-DBI type B to pokrewna magistrala Intela I8080. Przewidziane są wersje z magistralami o liczbie linii 24, 18, 16, 9 i 8.

Natomiast MIPI-DBI type C to popularny szeregowy interfejs SPI.

Z kolei MIPI-DPI (Display Pixel Interface) to stary znajomy standard interfejsu RGB. Tu widzimy porządkowanie zaszłości.

Po drugie, do najnowocześniejszych wyświetlaczy o wysokiej rozdzielczości proponowane są odmiany interfejsu MIPI-DSI (Display Serial Interface).

Podstawą fizyczną (PHY) łącza MIPI-DSI są odmiany LVDS oznaczane D-PHY i jeszcze nowszy M-PHY. Nie są to jednak tory zgodne z TIA/EIA-644.

Jeden tor (lane) łącza D-PHY to oczywiście dwie linie – przewody. W odbiorniku symetryczna linia zakończona jest (terminowana) rezystorem 100Ω i nominalny poziom sygnału na rezystorze to 200mV. Zasadniczo interfejs MIPI-DSI ma zawierać jeden tor dla sygnału zegarowego i co najmniej jeden tor danych, czyli minimalnie cztery przewody – ścieżki.

Jeden tor D-PHY według kolejno wprowadzanych standardów powinien mieć przepływność 1Gbps (wersja 1,01), a nawet 4,5Gbps (wersja 2.1). To wystarczy dla większości wyświetlaczy, ale dla ekranów o największej rozdzielczości i dużej szybkości odświeżania standard MIPI-DSI przewiduje do czterech torów transmisji danych, co razem z torem zegarowym daje dziesięć linii – ścieżek. Przy czterech torach danych daje to prędkość transmisji 4 do 19Gbps.

Warto też nadmienić, że w MIPI-DSI oprócz szybkiego trybu transmisji HS (High Speed) przewidziano dużo powolniejszy, ale oszczędniejszy tryb transmisji LP (Low Power) do przekazywania danych i poleceń konfiguracyjnych. Wtedy wykorzystywany jest tylko jeden tor danych, bez toru zegarowego (sygnał zegarowy jest niejako zawarty w transmitowanym sygnale).

Rozwój w dziedzinie wyświetlaczy powoduje, że MIPI proponuje też pokrewny i będący odmianą LVDS fizyczny interfejs M-PHY (gdzie sygnał zegarowy jest zawarty w strumieniu danych), który daje docelowo prędkość transmisji jednego toru 11,6Gbps, a czterech torów 46,4Gbps, co w przewidywalnej przyszłości zaspokoi potrzeby nawet największych i najszybszych wyświetlaczy. Co interesujące, oprócz D-PHY i M-PHY, MIPI proponuje też trzeci fizyczny interfejs C-PHY, który nie zawiera dwuliniowych (dwużyłowych) torów symetrycznych! Jeden tor zawiera trzy linie (przewody), tak zwane trio. W opisach zamiast określenia lane (tor), używa się terminu trio.

Z wyświetlaczami z różnymi odmianami łącza MIPI-DSI mamy do czynienia we współczesnym sprzęcie mobilnym. Jednak wykorzystanie takich wyświetlaczy przez hobbystów jest utrudnione z różnych względów. A już na pewno nie nadają się one do współpracy z Arduino choćby tylko z uwagi na wymaganą prędkość przepływu danych.

Rozwój LVDS - gdzie się stosuje?

Znów trzeba omówić pewne niejasności. Otóż skrót LVDS jest różnie rozumiany i różnie, niejednolicie stosowny w literaturze. Generalnie skrót LVDS oznacza tylko transmisję różnicową z wykorzystaniem małych napięć i może odnosić się do różnych rozwiązań i różnych interfejsów.

Ale w literaturze określenie LVDS często bywa synonimem standardu TIA/EIA-644, określającego parametry łącza, ale tylko aspekty fizyczne – elektryczne. Standard nie wymusza ani stosowania konkretnych gniazd i wtyków, ani nie określa aspektów logicznych. Możliwe jest więc wykorzystanie łącza fizycznego w różny sposób.

Łącze LVDS – TIA/EIA-644 już ponad 20 lat temu stało się podstawą interfejsów, na przykład FPD-link czy OpenLDI, gdzie określone zostały też aspekty logiczne, nie tylko elektryczne. Idea szeregowej transmisji różnicowej z wykorzystaniem niedużych napięć jest bardzo atrakcyjna. Na tyle atrakcyjna, że praktycznie wszystkie aktualnie stosowane szybkie interfejsy są typu LVDS, ale nie według standardu TI/EIA-644, gdzie maksymalna prędkość transmisji jednego toru to 655Mbps, czyli nie przekracza 1Gbps (miliarda bitów na sekundę).

I tu trzeba podkreślić, że idee łącza LVDS, powszechnie wykorzystywanego już ponad 20 lat temu w laptopach i tabletach, zastosowano też w interfejsach monitorów komputerowych oraz w urządzeniach multimedialnych. Zadecydowały dwa fakty: redukcja zakłóceń oraz możliwość przesyłania sygnału na większe odległości, rzędu kilku metrów.

Fot.10 Stacja dokująca do laptopa - różne rodzaje złącz

Dla porządku trzeba przypomnieć do dziś jeszcze spotykany analogowy interfejs VGA i jego charakterystyczne 15-pinowe złącze, widoczne na fotografii 10, pokazującej stację dokującą laptopa. Analogowe złącze VGA nie ma nic wspólnego z LVDS i ma liczne ograniczenia. Z czasem do komunikacji między komputerem a monitorem wykorzystano różnicowe łącze cyfrowe podobne do LVDS. Interesującym rozwiązaniem jest technologia TMDS, użyta w popularnym interfejsie DVI (Digital Visual Interface), gdzie występuje kilka odmian wtyczek (patrz fotografia 10).

W sprzęcie multimedialnym do dziś stosuje się wprowadzone w roku 2002 łącze HDMI, pozwalające obok grafiki/ wideo przesyłać też cyfrowy sygnał audio. W sprzęcie audio-wideo wykorzystujemy trzy najbardziej popularne złącza HDMI: normalne, mini i mikro – rysunek 11. Zasadniczo HDMI to złącze opracowane dla sprzętu multimedialnego, a nie dla komputerów, monitorów i wyświetlaczy „mikroprocesorowych”, jednak popularność HDMI powoduje, że powszechnie spotykamy je też w sprzęcie komputerowym.

Rys.11 Najbardziej popularne złącza HDMI normalne, mini i mikro

Dziś na rynku dostępnych jest mnóstwo modułów wyświetlaczy z multimedialnym, a nie komputerowym interfejsem HDMI. Przykład na fotografii 12 pokazuje, że sam panel wyświetlacza ma inny interfejs „krótkozasięgowy”, a na tylnej stronie panelu zamontowane są obwody konwersji sygnału HDMI na potrzebne dla wyświetlacza. Niektóre podobne moduły zawierają także interfejs USB, ale nie do transferu grafiki, tylko innych danych, np. informacji z panelu dotykowego.

Interfejsy DVI i HDMI wykorzystują technologię TMDS (Transition Minimized Differential Signaling), która znakomicie pomaga zmniejszyć zakłócenia. Podstawą TMDS też jest linia LVDS, a najprościej biorąc, minimalizacja zakłóceń polega na sprytnym kodowaniu kolejnych bitów, żeby w sygnale było jak najmniej zmian stanu logicznego. Wprawdzie z każdych 8 bitów robi się 10 bitów, ale warto to robić, by nawet przy zwiększeniu częstotliwości uzyskać dużo niższe zakłócenia.

Fot.12 Moduł wyświetlacza z multimedialnym interfejsem HDMI

Z upływem czasu wprowadzano kolejne wersje standardu HDMI. Popularna w dzisiejszych urządzeniach wersja 1.4 umożliwia transfer do kilku gigabitów na sekundę, a najnowsza obecnie wersja 2.1 zapewnia transfer danych do 48Gbps.

Następnym krokiem jest przeznaczone pierwotnie do podłączenia monitorów komputerowych łącze Display Port (DP), opracowane w roku 2006, przeznaczone do transmisji obrazu i dźwięku. Też wykorzystuje odmianę symetrycznej linii LVDS. Złącza DP, widoczne na fotografii 10, wykorzystywane są do transmisji między kompletnymi urządzeniami (komputer-monitor). Koniecznie trzeba też wiedzieć, iż istnieje odmiana oznaczona eDP (embedded Display Port) przeznaczona nie do łączenia kompletnych urządzeń, tylko modułów wewnątrz urządzenia. O ile jeden tor łącza LDVS oferuje transfer do 855Mbps, to jeden tor nowocześniejszego łącza eDP oferuje transfer do 8100Mbps (HBR3). Łącze eDP zawierające kilka takich torów umożliwia obsługę ekranów o dowolnie dużej rozdzielczości. Wyświetlacz z interfejsem eDP był pokazany na wcześniejszej fotografii 8. Zwróć uwagę, że pokazany tam zestaw zawiera też konwerter miedzy „długozasięgowym” łączem HDMI, a „krótkodystansowym” łączem eDP.

Na koniec zostało popularne komputerowe łącze USB. Trzeba podkreślić, że to łącze też wykorzystujące symetryczną linię różnicową typu LVDS. USB oferuje prędkość transmisji w pełni wystarczającą do sterowania wyświetlaczami graficznymi, a już na pewno tymi mniejszymi. Wyższe wersje USB (2.0, 3.0) mogłyby obsługiwać wyświetlacze o dużej rozdzielczości. Tak, ale USB było opracowane dla potrzeba komputerowych i nadal jest typowym łączem „internetowym”, związanym z TCP-IP. Owszem, USB jak najbardziej może też przekazywać grafikę i sygnały wizyjne, ale niejako „zaszyte w kapsułkach TCP/IP”. Nie jest to ekonomiczny sposób transmisji danych wizyjnych. Nie zapominajmy też, że głównym wątkiem tego artykułu z cyklu „Wokół Arduino” jest kwestia sterowania przez procesor niedużymi wyświetlaczami.

Ogólnie biorąc, skądinąd bardzo popularne, ale „skomplikowane” łącze USB nie jest wykorzystywane do sterowania wyświetlaczami graficznymi.

Można jednak znaleźć wyjątki. Fotografia 13 (ze strony www.dfrobot.com) pokazuje moduł wyświetlacza z interfejsem USB. Także i tu sam wyświetlacz ma jakiś inny interfejs, a w module wbudowany jest adapter USB – wyświetlacz.

Fot.13 Moduł wyświetlacza z interfejsem USB

Podsumujmy: zależnie od wielkości i rozdzielczości ekranu można wykorzystać wyświetlacze z różnymi interfejsami, poczynając od powolnego I2C, przez SPI, łącza równoległe do interfejsów typu LVDS, w szczególności MIPI-DSI. Można powiedzieć, że czym większy moduł wyświetlacza, tym bardziej złożone ma wbudowane układy sterujące. Logiczne jest, że bardzo skomplikowane układy sterujące powinny współpracowąć z procesorami o porównywalnych parametrach.

Podstawowe płytki Arduino zawierają procesor ATmega328 o stosunkowo skromnych parametrach, który potrafi w sensowny sposób obsłużyć tylko niewielkie, stosunkowo proste wyświetlacze graficzne.

Informacje podane w artykule przedstawiły w ogromnym skrócie tylko jeden ważny aspekt obszernego tematu wyświetlaczy graficznych. W następnym odcinku będziemy omawiać kolejne aspekty zagadnienia.

Tematyka materiału: LVDS, MIPI, TIA/EIA-644, HDMI, DVI, USB
AUTOR
Źródło
Elektronika dla Wszystkich styczeń 2020
Udostępnij
UK Logo