Displaygröße, Kontrast, Farbe, Helligkeit, Auflösung und Leistung sind Schlüsselfaktoren bei der Auswahl der richtigen Displaytechnologie für Ihre Anforderungen. Mit der Zeit haben sich verschiedene Schnittstellen durchgesetzt, die Informationen an das Display weiterleiten. In dem folgenden Beitrag werden wir Ihnen einen kleinen Überblick über die heute üblichen Displayschnittstellen geben.

Displayschnittstellen Überblick

Displaytechnologien verstehen

Alle Bildschirme funktionieren auf ähnliche Weise. Unkompliziert ausgedrückt bieten diese viele Reihen und Spalten von Pixeln, die von einem Steuergerät angesteuert werden, das mit jedem Pixel kommuniziert, um die für das übertragene Bild erforderliche Helligkeit und Farbe zu erzeugen. Bei einigen Geräten sind die Pixel Dioden, die aufleuchten, wenn Strom fließt (PMOLEDs und AMOLEDs), und bei anderen Elektronikgeräten fungiert das Pixel als Shutter, der einen Teil des Lichts einer Hintergrundbeleuchtung sichtbar macht. In allen Fällen speichert ein Speicherfeld die Bildinformationen, die über eine Schnittstelle an das Display weitergeleitet werden.

Displayschnittstelle

Eine Schnittstelle ist eine gemeinsame Grenze, über die zwei separate Komponenten eines Computersystems Informationen austauschen. Der Austausch kann zwischen Software, Computerhardware, Peripheriegeräten, Menschen und Kombinationen davon erfolgen. Einige Computer-Hardware-Geräte, wie z. B. ein Touchscreen, können über die Schnittstelle sowohl Daten senden als auch empfangen, während andere, wie z. B. eine Maus oder ein Mikrofon, nur eine Schnittstelle zum Senden von Daten an ein bestimmtes System bieten. Mit anderen Worten: Eine Schnittstelle ist etwas, das die Kommunikation zwischen zwei Objekten erleichtert. Obwohl Bildschirmschnittstellen einen ähnlichen Zweck erfüllen, ist die Art und Weise, wie diese Kommunikation stattfindet, sehr unterschiedlich.

Serielle Peripherie-Schnittstelle (SPI)

Eine serielle Peripherie Schnittstelle (SPI) ist eine synchrone serielle Kommunikationsschnittstelle, die am besten für kurze Entfernungen geeignet ist. Sie wurde von Motorola für Komponenten zur gemeinsamen Nutzung von Daten wie Flash-Speicher, Sensoren, Echtzeituhren, Analog-Digital-Wandler und mehr entwickelt. Da es keinen Protokoll-Overhead gibt, erfolgt die Übertragung mit relativ hohen Geschwindigkeiten. SPI läuft auf einem Master (der Seite, die den Takt erzeugt) mit einem oder mehreren Slaves, in der Regel den Geräten außerhalb des Zentralprozessors. Ein Nachteil von SPI ist die Anzahl der erforderlichen Pins zwischen den Geräten. Jeder zum Master/Slave-System hinzugefügte Slave benötigt einen zusätzlichen Chip Select I/O-Pin am Master. SPI ist eine gute Lösung für kleine, niedrig auflösende Displays, einschließlich PMOLEDs und kleinere LCDs.

SPIs bieten den Vorteil eines einfacheren SetUps. Zudem sind diese schneller als I2C und bieten eine Breitbandkapabilität von ca. 10mb/sek

Inter-integrated Circuit (I2C) 

Das niederländische Elektronikhersteller Phillips erfand I2C (Inter-integrated Circuit) oder I-squared-C im Jahr 1982. Es handelt sich dabei um ein einseitiges serielles Computer-Bussystem mit mehreren Master- und Slave-Geräten. Die Ingenieure entwickelten I2C für einfache PC-Peripheriegeräte wie Tastaturen und Mäuse und wandten es erst später auf Displays an. Wie SPI funktioniert es nur über kurze Entfernungen innerhalb eines Geräts und verwendet einen asynchronen seriellen Anschluss. I2C unterscheidet sich von SPI dadurch, dass es bis zu 1008 Slaves unterstützen kann. Zudem werden mit den seriellen Takt (SCL) und die seriellen Daten (SDA) nur zwei Drähte benötigt.

I2C bietet die Vorteile, dass es nur wenig Energie verbraucht, widerstandsfähig gegen Lärm ist, einen weiten Temperaturbereich widersteht, benutzerfreundlich ist und eine Bandbreitkompabilität von 1 MB/sek hat.

RGB (Red Green Blue)

RGB wird als Schnittstelle zu großen Farbdisplays verwendet. Es sendet in jedem Taktzyklus 8 Datenbits für jede der drei Farben Rot, Grün und Blau. Da in jedem Taktzyklus 24 Datenbits übertragen werden, kann diese Schnittstelle bei Taktraten von bis zu 50 MHz viel größere Bildschirme mit Videobildraten von 60 Hz und mehr ansteuern.

Vorteile von RGB:

  • Geringe Kosten aufgrund der etablierten Technologie
  • Hohe Performance
  • Geeignet für mittlere und große Bildschirme
  • Bandbreitkompatibilitäten bis zu 1.2 GB/sek

Nachteile von RGB:

  • Benötigt große Pinflächen (bis zu 19 Pins) mit teuren Steckern
  • Schnelle Kanten an mehreren Drähten können elektrisches Rauschen erzeugen, was besonders in vielen Systemen, die drahtlose Module enthalten, problematisch ist.

LVDS: Differenzial-Signaling im Niederspannungsbereich

LVDS wurde 1994 entwickelt und eignet sich hervorragend für große LCD-Bildschirme und Peripheriegeräte, die eine hohe Bandbreite benötigen, wie z. B. hochauflösende Grafiken und schnelle Bildraten. Es ist eine gute Lösung, da es eine hohe Datenübertragungsgeschwindigkeit bei niedriger Spannung bietet. Das Signal wird über zwei Drähte übertragen, wobei ein Draht den genauen Kehrwert seines Gegenstücks überträgt. Das von der einen Leitung erzeugte elektrische Feld wird von der anderen Leitung verdeckt, so dass die Störung benachbarter drahtloser Systeme wesentlich geringer ist. Auf der Empfängerseite liest ein Schaltkreis die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Drähten. Daher erzeugt dieses System weder Rauschen noch werden seine Signale durch externes Rauschen verfälscht. Die Schnittstelle besteht aus vier, sechs oder acht Leitungspaaren sowie einem Paar, das den Taktgeber überträgt, und einigen Massedrähten. Die 24-Bit-Farbinformationen auf der Senderseite werden in serielle Informationen umgewandelt, schnell über diese Kabelpaare übertragen und dann im Empfänger wieder in 24-Bit-Parallelinformationen umgewandelt, was zu einer Schnittstelle führt, die sehr schnell ist, um große Bildschirme zu verarbeiten, und die sehr immun gegen Störungen ist.

Vorteile von LVDS:

  • Ideal geeignet für Systeme mit drahtlosen Sendern, da es kaum Störungen verursacht
  • Geeignet für größere Displays
  • Bandbreitkompatibilität bis zu 3.125 GB/sek

Schnittstelle für mobile Industrieprozessoren (MIPI)

MIPI ist eine neuere Technologie, die von der MIPI Alliance verwaltet wird und bei den Entwicklern von tragbaren und mobilen Geräten sehr beliebt ist. MIPI verwendet eine ähnliche Differenzialsignalisierung wie LVDS, indem ein Taktpaar und ein bis acht Datenpaare, sogenannte Lanes, verwendet werden. MIPI unterstützt ein komplexes Protokoll, das Hochgeschwindigkeits- und Energiesparmodi sowie die Möglichkeit bietet, Daten mit niedrigeren Raten vom Display zurückzulesen. Es gibt mehrere Versionen von MIPI für verschiedene Anwendungen, wobei MIPI DSI diejenige für Displays ist.

Nachteile von MIPI:

  • Komplexe Protokoll- und Treibersoftware
  • Anfänglich hauptsächlich für Displays in Handgröße verfügbar
  • Erfordert ein sorgfältiges Platinenlayout, um mit hoher Geschwindigkeit zu funktionieren

MIPI kann an die Anforderungen jeder Branche angepasst werden, z. B. an Mobiltelefone, PCs oder eine Vielzahl anderer Verbraucheranwendungen.

Vergleich der Schnittstellen

Nachstehend finden Sie eine Vergleichstabelle der verschiedenen Schnittstellentechnologien:

Technologie von Pins Max Bandbreite Anwendungsbereich Geschwindigkeit
SPI 5 ca. 10 MB/sek kleine Bildschirme (MCUs) 8 bits/10 c
I2C 4 400KB/sek oder 1MB/sek kleine Bildschirme am PC und PC Peripheriegeräte keine Angabe
RGB 29 für 8 bits/farbe 24 bits x 50MhZ = 1.2GB/sek Größere Displays Max c 50 MHz
LVDS 4, 6 oder 8 Paare; 8, 12 oder 16 Clock Paare + grounds + 3 = 25 6x300MHz x 2 = 2.4 GB/sek; bis zu 3.125 GB/sek Größere Displays und raue Umgebungen Max c bei 300MHz
MIPI DSI 4 oder 8 Paare plus Clock Paar, 10 oder 18 4×1.5 GB/sek = 6GB/sek Handys

Relevanz der Bandbreite

Die Anzeigekomponenten stoßen an die Grenzen der Bandbreite. Zur Veranschaulichung: Die gängigste Internet-Bandbreite in einem Privathaushalt liegt im Durchschnitt bei 20 Megabit pro Sekunde oder 20 Milliarden 1s und 0s pro Sekunde. Selbst kleine Bildschirme können 4 MB pro Sekunde benötigen, was eine große Datenmenge in einem oft eng begrenzten Raum darstellt.

Berechnung der Bandbreite

Ein Beispiel: Ein kleines monochromes PMOLED mit einer Auflösung von 128 x 128 enthält 16.384 einzelne Dioden. Ein Standbild verschiedener Dioden, die Strom führen, stellt ein Bild dar. Die Bildrate gibt an, wie oft ein Bild aufgefrischt werden muss. Die meisten Videos haben eine Bildrate von 60 fps (frames per second), was bedeutet, dass das Bild 60 Mal pro Sekunde aktualisiert wird.

Diese Zahl ist wichtig, weil sie die Rate angibt, bei der das durchschnittliche menschliche Auge das durch den Übergang zwischen den Bildern verursachte Flimmern nicht wahrnimmt.

Nehmen wir dasselbe PMOLED-Display mit einer Auflösung von 128 x 128 Pixeln und 16.384 separaten Dioden. Es benötigt Informationen darüber, wann und wie hell jedes Pixel beleuchtet werden soll. Für eine Anzeige mit nur 16 Schattierungen werden 4 Bit an Daten benötigt. 128 x 128 x 4 = 65.536 Bits für ein Bild. Multiplizieren Sie dies mit 60 Hz, und Sie erhalten eine Bandbreite von 4 Megabit/Sekunde für ein kleines monochromes Display.

Nachfolgend finden Sie eine vereinfachte Version der Berechnung der Bandbreite für ein Display.

Sie benötigen:

  • Die Auflösung
  • Helligkeit/Pixel
  • Frame Rate (Hz)
  • Farben

Berechnungsschritte:

Auflösung x Pixel RAM = Single Frame > Frame Rate x Single Frame Bits/sek > Bits/sek x Farben (RGB) = Bandbreite

Annahmen: 1,5“ PMOLED; Auflösung = 128×128 16.384; Pixel Ram = 4; Frame Rate = 60; Farben = 1; Bandbreite per Kanal 3.9 MB/sek

Schlußfolgerungen

Um das richtige Display für Ihre Anwendung auszuwählen, müssen Sie nicht nur wissen, müssen Sie nicht nur ein genaueres Bild über die gewünschte Optik und die Anwendungsumgebung haben.

Sie sollten wissen, wie man das Display an das elektronische System anschließt und die richtige Schnittstelle zum Display wählen. Schlüsselparameter sind die Menge der Daten, die benötigte Aktualisierungsrate und die Anzahl der Farben der grafischen Benutzeroberfläche.

Wir hoffen, dass wir Ihnen einen guten ersten Überblick über die auf dem Markt verfügbaren Schnittstellen bieten konnten.

Vielen Dank für Ihren Besuch.