Steckverbinder und Schnittstellen für die Informationsvisualisierung in industriellen Displays

Displays sind heutzutage in vielen Branchen ein integraler Bestandteil elektronischer Geräte – von Haushaltsgeräten über medizinische Diagnosegeräte bis hin zu Bedienfeldern (HMIs) und komplexen eingebetteten Systemen, die in der Industrie eingesetzt werden. Damit das von dem Prozessor oder der Steuerung erzeugte Bild auf dem Bildschirm angezeigt werden kann, ist es notwendig, eine geeignete Kommunikationsschnittstelle für die Signalübertragung zu verwenden. Ohne eine reibungslos funktionierende Schnittstelle wäre die Übertragung von digitalen Bilddaten nicht möglich, daher ist die Wahl der richtigen Schnittstelle entscheidend für den reibungslosen Betrieb des gesamten Endgeräts.

Schnittstellen und Steckverbinder spielen eine Schlüsselrolle bei der Visualisierung von Informationen auf LCD-TFT-Bildschirmen, die in Industrieanlagen verwendet werden, da ihre richtige Auswahl die Kompatibilität der Geräte sowie die Qualität und Glätte des Bildes bestimmt. In diesem Artikel werfen wir einen genaueren Blick auf die beliebtesten Schnittstellen, die in industriellen Displays verwendet werden. Wir besprechen deren Anwendungen, Parameter, Vor- und Nachteile. Die Beliebtheit von Schnittstellen hat sich im Laufe der Jahre verändert, da neue Technologien und Standards aufkommen. Wir werden uns also den aktuellen Stand der Dinge und Trends für die Zukunft ansehen. Wir hoffen, dass die Informationen in diesem Artikel es Ihnen ermöglichen, eine fundierte Wahl der richtigen Schnittstelle für Ihre spezifischen Anwendungen zu treffen.

Schnittstelle vs. Protokoll

Zunächst lohnt es sich, den Unterschied zwischen einer Schnittstelle und einem Protokoll zu klären. Das Protokoll definiert die Regeln für den Informationsaustausch und die Codierung von Daten, d.h. es definiert die syntaktischen Regeln der Kommunikation – wie Daten auf beiden Seiten der Schnittstelle interpretiert werden sollen. Die Schnittstelle hingegen definiert das Übertragungsmedium – die Art der Verbindung und die Art der Signale, d.h. die physikalische Art und Weise, Geräte anzuschließen und die Mittel der Datenübertragung. Ein einfacher portabler Vergleich: Ein Protokoll ist eine Sprache, eine Schnittstelle ist eine Stimme.

Schnittstellen lassen sich in zwei Kategorien einteilen: intern, die für die Kommunikation zwischen Komponenten innerhalb des Geräts (einschließlich Displays und Touchpanels) verwendet werden, und extern, die zum Verbinden separater Geräte (z. B. eines Computers mit einem Monitor) verwendet werden. Schnittstellen können auch unterteilt werden in universelle Schnittstellen für den allgemeinen Datenaustausch sowie solche, die ausschließlich der Übertragung digitaler Bildinformationen gewidmet sind (Bildübertragungsschnittstellen). Letzteres muss eine viel höhere Bandbreite für eine reibungslose Auffrischung von bewegten Bildern bieten.

Interne universelle Schnittstellen

Zu den internen universellen Schnittstellen gehören. SPI, ^I2C, RS232 und UART. Der Name “universell” bedeutet, dass sie neben Bildern auch verschiedene andere Arten von Daten übertragen können. Ihre Bandbreite reicht in der Regel nicht aus, um eine reibungslose Übertragung von hochauflösenden Videos mit hohen Bildraten zu gewährleisten. Dies liegt daran, dass die Menge an Informationen, die in einer Zeiteinheit übertragen werden müssen, um ein flüssiges FHD- oder 4K-Bild zu erzeugen, sehr groß ist.

Ein 10-Zoll-Display mit einer Auflösung von 1280 x 800 Pixeln und 8 Bit Farbtiefe, das mit 60 Hz aktualisiert wird, erfordert beispielsweise eine Übertragung von etwa 250 Millionen Bit pro Sekunde. Dabei handelt es sich um eine Datenübertragung von 2 Gbit/s. Inzwischen erreichen universelle Kommunikationsschnittstellen in der Regel Geschwindigkeiten in der Größenordnung von Kbit/s oder Mbit/s.

Aus diesem Grund werden Schnittstellen wie SPI, ^I2C, RS232 oder UART eher in einfachen, niedrig aufgelösten Displays verwendet, bei denen die Menge der zu übertragenden Informationen nicht groß ist. Sie werden auch in der Kommunikation mit anderen Komponenten, wie z. B. Speichern oder I/O-Schaltungen, verwendet. Ihr Vorteil ist ihre Einfachheit und Universalität der Verwendung.

• SPI (Serial Peripheral Interface) ist eine serielle Schnittstelle, die auf der Master-Slave-Architektur basiert. Es verwendet die MOSI- und MISO-Datenleitungen sowie die Taktleitung und die SS-Geräteauswahlleitung. Die Kommunikation erfolgt synchron. SPI hat eine relativ hohe Übertragungsrate (bis zu 37,5 Mbit/s), ist aber bei höheren Frequenzen nur begrenzt widerstandsfähig gegen Störungen. Einsatz in kleinen Displays mit Auflösungen bis ca. 320×240 Pixel.
• I²C (Inter-Integrated Circuit) ist eine zweizeilige serielle Kommunikationsschnittstelle zwischen integrierten Schaltkreisen. Es verwendet die SDA-Datenleitung und die SCL-Taktleitung. Die Kommunikation erfolgt im Multi-Master-Modus (mehrere Master können die Übertragung initiieren). ^I2Czeichnet sich durch langsame Übertragung und Störanfälligkeit bei größeren Entfernungen aus. Wird zum Beispiel in einfachen OLEDs oder Touchscreens verwendet, bei denen die übertragene Datenmenge gering ist.
• RS232 und UART sind serielle Schnittstellen mit einfachem Design, die jeweils zwei Datenleitungen verwenden. Wird in Geräten mit niedrig aufgelösten Displays aufgrund von Bandbreitenbeschränkungen verwendet. Ihre Vorteile sind Zuverlässigkeit und Einfachheit der Implementierung.

Interne Schnittstellen zur Bildübertragung

Die Aufgabe von Schnittstellen, die speziell für die Bildübertragung vorgesehen sind, besteht darin, eine schnelle und reibungslose Übertragung der großen Datenmengen zu gewährleisten, die für eine hochfrequente Bildschirmaktualisierung erforderlich sind. Zu den beliebtesten gehören heute RGB, LVDS, MIPI, Vx1 und eDP.

Dabei handelt es sich um differentielle Schnittstellen (außer RGB), d.h. mit symmetrischer Signalübertragung über Adernpaare. Dies führt zu einer hohen Interferenzfestigkeit, was sich in der Fähigkeit niederschlägt, Signale über große Entfernungen ohne Qualitätsverlust zu übertragen. Diese Schnittstellen ermöglichen Übertragungsraten im hunderten von MHz oder sogar GHz, was für hochauflösende Bildschirme mit Bildwiederholraten über 60 Hz unerlässlich ist. Sie werden sowohl in großen industriellen Displays als auch in Consumer-Geräten eingesetzt.

• RGB (Red, Green, Blue), bei dem sich der Name von den Farben ableitet, die parallel an den Bildschirm gesendet werden: Rot, Grün und Blau basieren auf einer parallelen Datenübertragung über mehrere Drähte, wobei jede Datenleitung ein Bit RGB-Farbintensitätsinformationen für ein Pixel überträgt. Daher verwenden die 24-Bit-Varianten 24 Drähte für jedes Pixel. Theoretisch könnte die Schnittstelle schnell sein, aber aufgrund des fehlenden Differentials ist die Übertragungsgeschwindigkeit auf 1,2 Gbit/s begrenzt, und noch schlimmer ist, dass der Bedarf an mehr Drähten in der Konfiguration die Anfälligkeit für elektromagnetische Störungen erhöht. RGB funktioniert in der Regel mit Bildschirmdiagonalen von weniger als 7 Zoll, da die geringe Bildauflösung zu einer Einschränkung wird.
• LVDS (Low Voltage Differential Signaling) ist derzeit die gebräuchlichste Schnittstelle für die Bildübertragung in industriellen LCD-TFT-Displays. Seine dominierende Position beruht auf seiner Vielseitigkeit der Anwendung und seiner bewährten, stabilen Leistung über die Jahre. Die Datenübertragung erfolgt in Reihe, differenziell (symmetrisch) über Adernpaare, und die Umwandlung erfolgt am Empfänger. Dies ermöglicht eine Hochgeschwindigkeitsübertragung mit Unempfindlichkeit gegen Störeinflüsse auch über große Entfernungen. Die maximale Datenübertragungsrate für LVDS in einer Punkt-zu-Punkt-Konfiguration (mit einem Sender und einem Empfänger) beträgt ca. 3,125 Gbit/s.
• MIPI DSI (Mobile Industry Processor Interface – Display Serial Interface) ist eine hochmoderne Schnittstelle, die für mobile Geräte entwickelt wurde, bei denen ein geringer Stromverbrauch entscheidend ist. Auch in industriellen Anwendungen (z.B. in tragbaren Messgeräten) hält sie zunehmend Einzug. Wie LVDS verwendet es differentielle Signalpaare. Es zeichnet sich durch Zwei-Wege-Kommunikation und einen sehr geringen Stromverbrauch aus. Damit eignet es sich für batteriebetriebene Mobilgeräte. Die maximale Datenübertragungsrate für MIPI beträgt ca. 10 Gbit/s.
• Vx1 (V-by-One) ist eine sehr schnelle Schnittstelle für hochauflösende Displays, wie z. B. 4K. Wie LVDS und MIPI basiert es auf der differentiellen Datenübertragung über Adernpaare. Es wird kein separates Paar für das Taktsignal benötigt. Diese Schnittstelle ist noch widerstandsfähiger gegen elektromagnetische Störungen als LVDS. Wird in großen UHD-Fernsehern (3840×2160) und Monitoren verwendet.
• Die eDP (Embedded DisplayPort) ist eine Schnittstelle, die in modernen Industriedisplays immer häufiger zum Einsatz kommt. In Bezug auf die Datenübertragung ähnelt es dem LVDS und gilt als dessen Nachfolger. Die maximale Datenübertragungsrate für eDP beträgt ca. 20 Gbit/s. Geeignet für Anwendungen mit 4K und höheren Matrizen. Die eDP-Schnittstelle ist zudem relativ immun gegen elektromagnetische Störungen.

Vergleich der Schnittstellenparameter

Um die Unterschiede in den Fähigkeiten der verschiedenen Schnittstellen besser zu veranschaulichen, finden Sie im Folgenden eine Tabelle mit den maximalen Datenraten:

Wie Sie sehen können, ermöglichen Schnittstellen, die speziell für die Bildübertragung entwickelt wurden, Übertragungen um eine Größenordnung schneller als universelle Kommunikationsbusse. Dies führt zu einer reibungslosen Arbeit mit Matrizen mit hoher Auflösung, Farbtiefe und schnellen Bildwiederholfrequenzen.

Neue Technologien verdrängen nach und nach ältere Lösungen. So ersetzen MIPI und eDP langsam das seit Jahren beliebte LVDS in neuen Designs. Vx1 wird in Top-Monitoren und Fernsehern verwendet. Der Trend geht eindeutig zu höheren Übertragungsgeschwindigkeiten, um den steigenden Anforderungen an die Bildqualität gerecht zu werden. Schauen wir uns nun die Schnittstellen am Ende der Tabelle an, also die mit den höchsten Datendurchsätzen.

Externe Schnittstellen

Externe Schnittstellen werden für die Kommunikation zwischen verschiedenen Geräten, wie z. B. einem Computer und einem Monitor, verwendet. Zu den beliebtesten Standards gehören heute:

• USB-C ermöglicht die Hochgeschwindigkeitsübertragung von Video und Audio. Ein weiterer Vorteil ist die Fähigkeit, eine beträchtliche Leistung von bis zu 100 W zu übertragen. Dadurch ist es möglich, den Monitor mit einem einzigen USB-C-Kabel direkt vom Computer aus mit Strom zu versorgen. Dies ist bei weitem eine der zukunftsweisendsten Schnittstellenlösungen – derzeit erreichen die Übertragungsgeschwindigkeiten 80 Gbit/s.
• HDMI (High Definition Multimedia Interface) ist eine häufig verwendete Schnittstelle für die Übertragung von digitalem Video und Audio. Es gibt verschiedene Varianten von HDMI-Anschlüssen – Standard, Mini und Micro. Die maximale Datenübertragungsrate für das neueste HDMI 2.1 liegt bei bis zu 48 Gbit/s. Unterstützt Auflösungen bis zu 10K. Es ist abwärtskompatibel mit älteren Versionen.
• DVI (Digital Visual Interface) ist eine digitale visuelle Schnittstelle, die vom Signal her HDMI ähnelt, jedoch ohne integrierte Audiofunktion. Es gibt sie in verschiedenen Varianten, darunter. Mit optionaler analoger VGA-Schnittstelle. Die maximale Datenübertragungsrate für DVI-D Dual Link beträgt 25 Gbit/s.

Erweitern der Funktionen von Displays mit AD Board

Zusätzlich zu den Standardschnittstellen bieten viele Displayhersteller die Möglichkeit, ihre Funktionalität durch zusätzliche Leiterplatten, sogenannte AD Boards, zu erweitern. Diese Boards werden direkt auf dem Display montiert und ermöglichen zusätzliche Schnittstellen wie HDMI, VGA, DVI oder Audio. Einige Hersteller, wie z.B. Litemax bietet gebrauchsfertige Display-Kits mit vorinstallierten AD-Boards. Ihr großer Vorteil ist die einfache Integration und die sofortige Betriebsbereitschaft.

Es ist auch möglich, das AD Board auf Standard-Displays zu montieren. Auf diese Weise können Sie die Funktionalität des Displays entsprechend den spezifischen Anforderungen Ihres Projekts erweitern. Unser Engineering-Team ist bereit, praktisch jedes kommerziell erhältliche Display mit AD Board zu modifizieren und zu erweitern.

Wir hoffen, dass die in diesem Artikel vorgestellten Informationen bei der Auswahl geeigneter Schnittstellen für spezifische Anwendungen in modernen Elektronikprojekten hilfreich sind. Sprechen Sie uns gerne an, wenn Sie Fragen rund um das Thema Schnittstellen haben oder individuelle Lösungen besprechen möchten.