Einbindung von LCDs in Embedded Designs Diskretes Design oder ­Standardlösung?

Es gibt kaum noch Embedded Designs ohne Display. Selbst Haushalts- und Küchengeräte sind häufig mit einer Anzeige ausgestattet. Doch ist für den Entwurf der Anzeige ein diskretes Design oder ein Standartmodul geeignet? und was muss bei der Einbindung der LCDs berücksichtigt werden?

Einfache Tasten oder Drehschalter sind heute nicht mehr ausreichend. Auch darum wurden die vielen Schalter, Leuchten und Bedienfelder an Industriemaschinen und -anlagen durch ein einziges Display ersetzt, das häufig mit einer Touch-Funktion ausgestattet ist. Erst das Smartphone hat den Trend der Einbindung von Touch-Displays in praktisch jedes Elektrogerät, das wir im Alltag verwenden, beschleunigt. Touchscreen-Schnittstellen und Funktionen sind für uns mittlerweile selbstverständlich. Deren Designer haben es geschafft, unsere Interaktion durch intuitive Befehle zu vereinfachen und Smartphones mit den heute zur Verfügung stehenden komplexen Möglichkeiten auszustatten.

Ein attraktives, optisch ansprechendes und intuitives Display stärkt den Wert der Produktmarke und das Vertrauen der Verbraucher. Doch für die Verwendung einer touchfähigen LCD-Anzeige gibt es auch praktische Gründe. Viele Tasten erhöhen die Produktionskosten. Außerdem können sie verstauben und erhöhen das Risiko, dass Feuchtigkeit und Schmutz in das Produkt­gehäuse eindringen kann. Dagegen erlaubt die Verwendung eines kapazitiven Touchscreens, eine enge Verbindung zwischen dem Glas-Display und dem Gehäuse herzustellen. Dadurch kann je nach Produkt eine beliebige Anzahl von Tasten, Rädern und Schiebereglern integriert werden. (Bild 1)

Was muss beim Einbau berücksichtig werden?

Für einen Entwickler kann der Einbau eines LCDs genauso anspruchsvoll sein wie das übrige Embedded Design. Egal, ob ein handelsübliches Display-Modul oder ein diskretes Design gewählt wird: Für beide Optionen müssen einige identische Entscheidungen – den Kern des Anwendungsdesigns betreffend – getroffen werden: Wie groß soll die Anzeige werden? Ist sie für die Produktgröße angemessen?

Bei batteriebetriebenen Produkten ergibt sich ein weiteres Problem durch den hohen Stromverbrauch. Die Berechnung der voraussichtlichen Batterielaufzeit für eine Serie von Anwendungen ist nicht nur aus Gründen des Designs entscheidend, sondern kann auch den Erfolg des Produkts auf dem Markt beeinflussen. Die Marketingstrategie des neuen Produkts sollte außerdem die Umgebung berücksichtigen, in der es zum Einsatz kommt. Gegebenenfalls müssen Faktoren wie Feuchtigkeit und Staub berücksichtigt werden. Es stellt sich auch die Frage, welchen eingebauten Mikrocontroller (MCU) das Produkt benötigt.

Die wesentlichen Auswahlkriterien richten sich meinst nach den Systemanforderungen der Anwendung und dem erforderlichen Schnittstellengrad. Die meisten MCUs verfügen über einen umfassenden Satz aus Peripherie-Schnittstellen – z.B. serielle UART, SPI und I2C-Methoden, häufig zehn oder mehr GPIOs und mindestens einen 12 bit oder höheren ADC und DAC. Beim Entwurf einer Anzeige gibt es grundsätzlich zwei Möglichkeiten: Entweder wird eine diskrete Anzeige oder ein Standardmodul verwendet.

Möglichkeit der diskreten Anzeige

Die Komponenten eines einfachen eingebetteten Systems mit TFT-LCD sind in Bild 2 dargestellt. Die MCU hat die Aufgabe, das im Bildpuffer anzuzeigende Bild zu komponieren. Der Puffer ist ein flüchtiger Speicher für jedes anzuzeigende Pixel. Die Display-Größe bestimmt die Größe des Bildpufferspeichers. Bei der Komposition des Bildes muss die MCU Bilder und Symbole neben der Verarbeitung der anzuzeigenden Daten integrieren können. Der Display- (Video-)Regler liest den Bildpuffer ununterbrochen ab und überträgt ihn mit einer Rate von 60 Hz auf die Anzeige. Anzeigen mit einer Größe von weniger als 4,3 Zoll enthalten in der Regel einen Display-Regler-IC. Bei Anzeigen von mehr als 4,3 Zoll wird die Steuerung ausgespart und muss beim Design hinzugefügt werden.

Heutzutage verfügen viele MCUs über einen Display-Regler und evtl. auch über einen Bildpufferspeicher. Allerdings sind solche Komponenten kostspielig, wodurch sie bei der Planung häufig weggelassen werden, wenn es eine Alternative gibt. Solange diese Situation unverändert bleibt, ist das diskrete Design kompliziert und teuer. Separate Display-Regler verfügen in der Regel über einen in den Chip eingebauten Bildpufferspeicher. Die MCU muss dann in der Lage sein, die Display- und Bildpuffer-Funktionen neben der Kernanwendung auszuführen.

Hardware-Aspekte können beim diskreten Design zwar außer Acht gelassen werden, doch müssen bei diesem Ansatz einige Herausforderungen bewältigt werden. Für den Display-Regler werden Treiber benötigt und es müssen Primitiven entwickelt werden, damit Icons, Schriften und gespeicherte Bilder auf dem Display angezeigt werden können. Bevor eine grafische Benutzeroberfläche (GUI) für die Anwendung berücksichtigt werden kann, müssen solche Primitiven auch grundlegende grafische Funk­tionen wie das Zeichnen von Linien, Kreisen und Kästchen ermöglichen. Zunächst muss die Display-Hardware rund um die Hauptanwendung angelegt werden. Außerdem müssen alle Fehler beseitigt und die Anwendung getestet werden, bevor man die GUI auch nur ansatzweise planen kann.

Vermutlich braucht ein erfahrener Entwickler für Embedded Designs hierfür vier bis sechs Monate. Anfangs kann die Implementierung eines diskreten Designs reizvoll erscheinen, um die Materialkosten so gering wie möglich zu halten, allerdings sollten in dem Zusammenhang auch der Zeitaufwand und damit die Mehrkosten bei der Planung berücksichtigt werden. Der Zeitpunkt der Produkteinführung sollte sorgfältig geprüft werden.