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Design-Praxis

Displayschnittstellen im Vergleich

6. September 2018, 16:44 Uhr | Rudolf Sosnowsky, Leiter Technik bei Hy-Line Computer Components

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Interne Schnittstellen

Die einfachsten Schnittstellen verbinden Mikrocontroller mit Displays niedriger Komplexität. Die Datenraten sind gering und können zum Teil ohne spezielle Hardwareunterstützung realisiert werden. Allen gemeinsam ist, dass der Bildinhalt einmalig und nur bei Änderungen wieder in den Bildspeicher geschrieben wird. Dazu gehört der CPU-Bus, bei dem das Display ein weiterer Teilnehmer ist, mit dem die CPU in Wortbreite kommuniziert. Bei I²C hängt das Display an einem Zweidrahtbus, der die Teilnehmer mit ihrer Adresse anspricht. Das SPI – Serial Peripheral Interface – bietet die Möglichkeit, eine oder mehrere Leitungen für die Datenkommunikation zu verwenden und Kommandos von Daten über eine Steuerleitung zu trennen.
Da diese Busse sehr hardwarespezifisch sind, ist die Beschreibung in den Datenblättern der Mikrocontroller und Display-Controller sehr ausführlich und wird hier nicht weiter vertieft.

CMOS, parallel RGB

Das Signalformat dieser Schnittstelle wurde in ähnlicher Form bereits für Passiv-Matrix-Displays verwendet. Je Farbe werden sechs oder acht Bits parallel auf den Modul-Bus gelegt und mit einem Taktsignal in den Treiber übernommen. Für die Synchronisation auf den Zeilen- oder den Bildschirminhalt gibt es separate Signale.

Durch parallelen Bilddatenübertrag ist der Leitungsaufwand hoch.
Typische Stecker zählen 30 Kontakte. Da die elektrischen Eigenschaften der Leitung zwischen Controller und Display nicht näher spezifiziert sind, können nur kurze Distanzen von 30 bis 50 cm überbrückt werden. Darüber hinaus wurde bei der Definition der Schnittstelle keine Rücksicht auf abgestrahlte elektromagnetische Störungen genommen. Die Ausgangsstufen schalten die Pegel mit hoher Flankensteilheit. Bild 4 zeigt die Signale anhand der Steckerbelegung eines TFT-Moduls. Die Signale für die Farben sind entsprechend mit rot, grün und blau unterlegt; die gelbe Farbe zeigt die Steuersignale.

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LVDS

WVGA (800 x 480 Bildpunkte) kennzeichnet etwa die praktische Grenze für Displays mit CMOS-Schnittstelle. Doch bereits bei 320 x 240 Bildpunkten beginnt die Domäne der LVDS-Schnittstelle.

Bei ihrer Definition wurden einige Schwachpunkte der parallelen Schnittstelle vermieden. Der Begriff LVDS steht für Low Voltage Differential Signaling. Signale werden hier serialisiert auf wenige Leitungen übertragen (Bild 5), dabei ist der Pegel reduziert. Um die Störsicherheit bei kleineren Pegeln nicht nur zu gewährleisten, sondern die der Vorgänger sogar zu übertreffen, wird jedes Signal gleichzeitig in positiver und negativer Logik übertragen. Dabei liegen die Leitungen durch Verdrillung räumlich eng.
Damit wirken Störsignale in gleicher Weise und Polarität auf die Leitungen, im Receiver werden sie durch Differenzbildung eliminiert. Diese Funktion differentieller Leitungen ist auch als Gleichtakt-Unterdrückung bekannt (Bild 6).

Darüber hinaus gibt der Sender die Signale mit kontrollierter Flankensteilheit aus, so dass abgestrahlte Störungen minimiert werden.
Wie bei der Übertragung hochfrequenter Signale über Leitungen üblich, sind die Enden mit Widerständen terminiert. Das erzielt höhere Datenraten bei gleichzeitig weiteren Distanzen. Eine geringere Leistungsaufnahme für Sender und Empfänger gegenüber vergleichbaren Technologien ist nicht nur für tragbare Geräte mit Batterieversorgung ein Vorteil. Die serialisierte Übertragung besitzt zudem eine geringere Anzahl erforderlicher Verbindungen: damit wird die Leitung flexibler und Kosten für Kabel sowie Steckverbinder eingespart.

Die Serialisierung minimiert auch das Skew-Problem, also den Versatz zwischen ideal gleichzeitig eintreffenden Signalen. Bei LVDS sind die Steuersignale für die Synchronisation des Bildschirms in den Datenstrom integriert. LVDS ist skalierbar; für sechs Bit pro Farbe reichen drei Paare aus, für acht Bit werden vier Paare benötigt. Bei Auflösungen bis XGA (1024 x 768) reicht ein Kanal, darüber werden zwei oder noch mehr Kanäle eingesetzt. Mit LVDS lassen sich Auflösungen von bis zu UHD/4k ansteuern.
Bild 7 zeigt ein LVDS-Interface einschließlich Backlight-Ansteuerung mit einem 20-poligen Stecker.

Embedded DisplayPort (eDP)

Embedded DisplayPort ist eine DisplayPort-Variante (siehe auch Abschnitt Externe Schnittstellen).

DisplayPort ist eine relativ junge Schnittstelle die einen neuen Übertragungskanal definiert (Bild 8). Die Videodaten werden serialisiert und als Datenpaket übertragen. Der Takt ist in das Datensignal eingebettet.
Diese Schnittstelle ist extrem skalierbar und kann an vielfältige Anforderungen angepasst werden: Die Anzahl der verwendeten Leitungspaare, hier Lanes genannt, kann zwischen eins und vier liegen, die Übertragungsrate der Videodaten kann verschiedene Werte annehmen. Zudem wurden die Möglichkeiten der Seitenbandkommunikation über den so genannten AUX-Kanal erheblich erweitert (siehe DVI: DDC).

Die Bildquelle kann Informationen über den Status der Bildsenke und auch der Übertragungsstrecke anfordern. Mit der Hot-Plug-Leitung kann sich die Bildsenke an der Quelle an- und abmelden. Die Bildquelle kann entsprechend darauf reagieren und z.B. andere Quellen adressieren.
Ein Beispiel dafür ist das Anstecken eines externen Monitors an ein Notebook. Elektrisch gesehen ist die DisplayPort-Schnittstelle wechselspannungsmäßig entkoppelt (Bild 9), so dass Potentialunterschiede zwischen Quelle und Senke keine Rolle spielen. Außerdem wird dadurch die gleichspannungsfreie Übertragung über Medien wie Glasfaser erst ermöglicht.

Eine interessante Applikation für eDP findet sich in vielen Notebooks.
Der Deckel mit dem Display muss gegenüber dem Grundgerät beweglich sein. Im Beispiel (Bild 10) benötigt eine konventionelle Verbindung mit LVDS 18 Signalleitungen, eDP hingegen lediglich fünf. Das verwendete Display hat eine Auflösung von 1680 x 1050 und eine Farbtiefe von sechs Bits. Die Stromversorgung und das Backlight sind nicht berücksichtigt.

VbyOne

VbyOne ist eine von der THine Corporation entwickelte interne Schnittstelle für hochauflösende Displays. Eine Entwicklungsmotivation stellte die zuverlässige Ansteuerung von Displays mit großen Diagonalen, hoher Auflösung und Farbtiefe mit nur wenigen Leitungen. Dafür setzt VbyOne ähnlich wie Embedded DisplayPort auf die Übertragung serialisierter Signale mit eingebettetem Takt und Datenpakete, die mit bis zu 16 Mbps gesendet werden.

Die Zahl der Lanes kann den Anforderungen gemäß angepasst werden; im Vergleich zu LVDS sind nur ein Sechstel der Leitungen nötig. Auch hier spielt die geringe Abstrahlung eine Rolle: Die Ausgangsstufen des Transmitters sind optimiert, das Nutzsignal wird verwürfelt und im Spread Spectrum-Verfahren übertragen. Dank der Wechselspannungskopplung spielen Potentialdifferenzen keine Rolle, bis zu 10 m können so überbrückt werden.

Bild 11 zeigt die Steckerbelegung eines Displays mit 4k-Auflösung (3840 x 2160 Bildpunkte) und 10 Bit Farbtiefe. Gemäß Bild 3 fällt hier eine Netto-Datenrate von 1,7 Gigabyte pro Sekunde = 13,6 Gbps an.

MIPI

Die Abkürzung MIPI steht für Mobile Industry Processor Interface und ist speziell für den Einsatz innerhalb mobiler Geräte gedacht. Sie bindet nicht nur Displays an den Prozessor sondern auch Kameras.

Wie einige andere bereits vorgestellte Schnittstellen arbeitet sie mit differentiellen serialisierten Signalen. Die Datenübertragung verläuft auf einem Bus, dessen Teilnehmer adressierbar sind. Dementsprechend ist die Schnittstelle bidirektional, der Prozessor kann also sowohl Informationen an Displays übertragen als auch von Kameras entgegennehmen. Die Zahl der Lanes ist nicht begrenzt, es können zur Steigerung der Bandbreite mehrere parallelgeschaltet werden.

Der Einsatz in mobilen Geräten erfordert besondere Maßnahmen zur Einhaltung der EMV-Richtlinien und bietet bei beschränktem Leistungsbudget in batteriebetriebenen Geräten eine hohe Bandbreite. MIPI ist nur für kurze Distanzen geeignet, wie sie in mobilen Geräten vorzufinden sind. Bild 12 zeigt die Belegung eines typischen MIPI-Displays.